表面电荷

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表面电荷即在界面处存在的电荷。有很多过程可以使表面带电，比如离子吸附、质子化或去质子化、表面的化学基团发生电离、外加电场。表面电荷会产生电场，使粒子之间有排斥或吸引的相互作用，这是很多胶体性质的成因。[1]

物体处于流体中一般都会带上电荷。几乎所有的流体都会含有离子，包括正离子（阳离子）和负离子（阴离子），离子与表面会有相互作用，导致有离子吸附到物体表面。

另外一个表面电荷的机制是，表面的化学基团发生电离。

目录

  1. 表面电荷密度
    1. 导体
    2. 胶体
  2. 界面电势
    1. 亥姆霍兹模型
    2. 古依-恰普曼模型
    3. 表面电荷与表面电势
    4. 施特恩模型
  3. 应用
    1. 动电现象
    2. 蛋白质
    3. 粘合剂/涂料
  4. 参考文献
  5. 参考来源

表面电荷密度

参看：电荷密度

表面电荷密度定义为电荷数目， q，与表面的面积， A，之比:[2]

\sigma=\frac{q}{A}

导体

根据高斯定律，处于静电平衡下的导体，内部没有电荷，只在导体表面有电荷分布，表面电荷密度为

σ = Eε0

其中，E为导体的电荷产生的电场，ε0为真空介电常数。该关系只对无限大导体表面成立，或距导体无限小处成立。[3]

胶体

化合物 化学式 零电荷点
三氧化钨WO30.2-0.5[4]
碳化硅 (alpha)SiC2-3.5[5]
二氧化锰MnO24-5[4]
氮化硅Si3N46-7[6]
一氧化二铊Tl2O8[7]
氧化铜CuO9.5[5]
一氧化镍NiO10-11[5]

浸于电解质溶液中的表面往往带有电荷，常见的机制是离子吸附。[8] 带电表面附近会有反离子富集，形成所谓双电层结构。[9]

表面的化学基团如果含氧原子或氮原子，在水溶液中可能发生质子化或去质子化，使表面带上电荷，此时，表面带电受溶液中pH值的影响。在某一pH值时，表面静电荷为零，这一pH值叫做零电荷点（point of zero charge，PZC）。一些常见物质的零电荷点列于左边表格中。

界面电势

界面是两相（比如固体和液体）的边界。[1] 界面电势就是界面上的电荷的电势。比如蛋白质表面的一些氨基酸，比如谷氨酸在pH值大于4.1时会发生显著电离，使蛋白质带上电荷，因此会造成界面电势。界面电势可以解释双电层的形成，在动电现象研究中也是一个非常有用的概念。下面简要描述双电层的理论。

亥姆霍兹模型

双电层模型是赫尔曼·冯·亥姆霍兹最早引入的。亥姆霍兹模型假设，溶液中只有电解质，电极附近没有化学反应，离子与电极之间只有静电相互作用，因为电极上带有电荷。为了使界面呈电中性，要求电极表面附近，离子有特别的分布，形成一层电荷，中和电极表面上的电荷。离子与电极之间的距离，最小为离子的半径加上离子的溶剂化球半径。即亥姆霍兹模型等价于一平面电容器，两平面之间电势与二者间距呈线性关系。

亥姆霍兹模型是描述带电界面的基础，有几个重要因素没有考虑：离子的扩散与混合、离子可能的吸附、溶剂偶极矩与电极之间的相互作用。 [10]

古依-恰普曼模型

古依-恰普曼理论描述了静态表面电荷对表面电势的影响。[11] 古依认为，带电表面的界面电势由表面上的电荷及溶液中等量的反离子来确定。[12] 反离子不是仅仅束缚在带电表面上，而是在表面附近呈一弥散的分布。反离子浓度，C，满足如下关系：

C=C_0e^{-(\frac{\psi ze}{kT})}

Co为反离子在电势为零处的浓度， z 为离子的离子价， e 为一个质子的电量， k 为 波耳兹曼常数， ψ 为表面附近溶液中的电势分布。

古依-恰普曼理论缺陷在于，假设摩尔浓度与活度相等，并假设离子为点电荷。

表面电荷与表面电势

表面电荷与表面电势由格雷厄姆方程给出：[1]

\sigma=\sqrt{8C_0\epsilon\epsilon_0k_[[BT]]}\sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_BT}\right) 其中，σ为表面电荷密度。

在高温极限下，sinh(x) 可以展开成 sinh(x) = x + x3 / 3! + ... \approx x，λD = (8C0εε0kBT) − 1 / 2 为德拜长度，于是，得 : \sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}

施特恩模型

施特恩模型本质上是亥姆霍兹模型和古依-恰普曼模型的结合。施特恩模型里，离子有一定大小，不能无限靠近带电表面，间距至少为纳米量级。距离带电表面最近一层离子称为施特恩层。离子分布受带电表面影响的最大距离处为滑动面，在滑动面以外，为本体溶液。滑动面处电势叫做界达电位，它在物理上比表面电势更有意义。[1]

应用

带电表面极其重要，有着广泛的应用。比如，溶液中胶体要保持分散状态完全依赖于胶体之间的排斥相互作用。[13]如果排斥力被减弱，比如加入盐或高分子链，胶体粒子可能不会保持悬浮，会发生絮凝。[14]

动电现象

动电现象指双电层造成的各种效应，一个突出的例子是电泳，悬浮在介质中的带电粒子在外加电场驱动下运动。[15] 电泳广泛用于生物化学中，根据分子的大小和电荷区分分子，比如蛋白质。其他例子包括电渗流、 沉降电势 和 流动电势。[1]

蛋白质

蛋白质是带电的生物分子，带电情况对溶液中pH值非常敏感。酶蛋白和跨膜蛋白的活性依赖于带电情况，蛋白质活性位点必须有合适的表面电荷，才能与具体基底结合。 [16]

粘合剂/涂料

参考文献

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Hans-Jurgen, Butt; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael. Physics and chemistry of interfaces. Germany: Wiley-VCH. 2006: pp. 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6. 
  2. ↑ Weisstein 
  3. ↑ Nave, Carl R.. Gaussian surfaces. Georgia State University [27 April 2011]. 
  4. ↑ 4.0 4.1 Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 Lewis, JA (2000). 'Colloidal processing of ceramics', Journal of the American Ceramic Society vol. 83, no. 10, pp.2341-2359. Retrieved 30 May 2011
  6. ↑ Jolivet J.P., Metal oxide chemistry and synthesis. From solution to solid state, John Wiley & Sons Ltd. 2000,ISBN 0-471-97056-5 (English translation of the original French text, De la solution à l'oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994). Retrieved 30 May 2011
  7. ↑ Kosmulski M and Saneluta C (2004). 'Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3', Journal of Colloid and Interface Science vol. 280, no. 2, pp. 544-545. Retrieved 30 May 2011
  8. ↑ Origins of surface charge. Silver Colloids [27 April 2011]. 
  9. ↑ The electric double layer. Silver Colloids [27 April 2011]. 
  10. ↑ The electrical double layer [27 April 2011]. 
  11. ↑ Ehrenstein, Gerald. Surface charge. 200 [30 May 2011]. 
  12. ↑ SMIRNOV, Gerald. Double bilayer [30 May 2011]. 
  13. ↑ Zeta potential measurement. Brookhaven Instruments Ltd. [16 Apr. 2011]. 
  14. ↑ Hubbe, Martin. Flocculation of colloids or of fiber slurries. North Carolina State University [16 Apr. 2011]. 
  15. ↑ Chapter 4: Electrophoresis - Introduction. Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College [30 May 2011]. 
  16. ↑ Escobar, Laura; Root, Michael J.; MacKinnon, Robert. Influence of protein surface charge on the bimolecular kinetics of a potassium channel peptide inhibitor. Biochemistry. July 1993, 32 (27): 6982–6987 [16 April 2011]. doi:10.1021/bi00078a024. PMID 7687466.  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024

参考来源