“表面电荷”的版本间的差异
| 第1行： | 第1行： | ||
| − | '''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[[官能团|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。 | + | '''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[[官能团|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。 |
| + | |||
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。 | 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。 | ||
| 第8行： | 第9行： | ||
表面电荷密度定义为电荷数目， q，与表面的面积， A，之比: | 表面电荷密度定义为电荷数目， q，与表面的面积， A，之比: | ||
| + | |||
| + | |||
:<math>\sigma=\frac{q}{A}</math> | :<math>\sigma=\frac{q}{A}</math> | ||
| 第18行： | 第21行： | ||
其中，<math>E</math>为导体的电荷产生的电场，<math>\epsilon_0</math>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。 | 其中，<math>E</math>为导体的电荷产生的电场，<math>\epsilon_0</math>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。 | ||
| + | |||
| + | |||
===胶体=== | ===胶体=== | ||
| 第25行： | 第30行： | ||
! 化合物 !! 化学式 !! 零电荷点 | ! 化合物 !! 化学式 !! 零电荷点 | ||
|- | |- | ||
| − | | [[三氧化钨]] || WO<sub>3</sub> || 0.2-0. | + | | [[三氧化钨]] || WO<sub>3</sub> || 0.2-0.5Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011 |
|- | |- | ||
| − | | [[碳化硅]] (alpha) || SiC || 2-3. | + | | [[碳化硅]] (alpha) || SiC || 2-3.5Lewis, JA (2000). 'Colloidal processing of ceramics', ''Journal of the American Ceramic Society'' vol. 83, no. 10, pp.2341-2359. Retrieved 30 May 2011 |
|- | |- | ||
| − | |[[二氧化锰]] || MnO<sub>2</sub> || 4-5 | + | |[[二氧化锰]] || MnO<sub>2</sub> || 4-5 |
|- | |- | ||
| − | |[[氮化硅]] || Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> || 6- | + | |[[氮化硅]] || Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> || 6-7Jolivet 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 |
|- | |- | ||
| [[一氧化二铊]] || Tl<sub>2</sub>O || 8Kosmulski 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 | | [[一氧化二铊]] || Tl<sub>2</sub>O || 8Kosmulski 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 | ||
|- | |- | ||
| − | | [[氧化铜]]|| CuO|| 9.5 | + | | [[氧化铜]]|| CuO|| 9.5 |
|- | |- | ||
| − | |[[一氧化镍]] || NiO || 10-11 | + | |[[一氧化镍]] || NiO || 10-11 |
|} | |} | ||
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。 | 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。 | ||
带电表面附近会有反离子富集，形成所谓双电层结构。 | 带电表面附近会有反离子富集，形成所谓双电层结构。 | ||
| + | |||
| + | |||
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。 | 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。 | ||
| 第47行： | 第54行： | ||
==界面[[电势]]== | ==界面[[电势]]== | ||
| − | 界面是两相（比如固体和液体）的边界。 | + | 界面是两相（比如固体和液体）的边界。 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=== | ===亥姆霍兹模型=== | ||
| 第54行： | 第61行： | ||
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。 | 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。 | ||
| + | |||
| + | |||
===古依-恰普曼模型=== | ===古依-恰普曼模型=== | ||
| 第73行： | 第82行： | ||
===表面电荷与表面电势=== | ===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： | + | 表面电荷与表面电势由格雷厄姆方程给出： |
:<math> | :<math> | ||
| 第83行： | 第92行： | ||
===施特恩模型=== | ===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。 | + | 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。 |
==应用== | ==应用== | ||
| 第90行： | 第99行： | ||
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。 | 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。 | ||
| + | |||
| + | |||
===动电现象=== | ===动电现象=== | ||
| 第95行： | 第106行： | ||
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。 | 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。 | ||
| − | 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、 和 。 | + | 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、 和 。 |
===蛋白质=== | ===蛋白质=== | ||
2017年3月11日 (六) 17:59的版本
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。
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
[隐藏]表面电荷密度
表面电荷密度定义为电荷数目， q，与表面的面积， A，之比:
- <math>\sigma=\frac{q}{A}</math>
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
- <math>\sigma=E\epsilon_0</math>
其中，<math>E</math>为导体的电荷产生的电场，<math>\epsilon_0</math>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。
胶体
| 化合物 | 化学式 | 零电荷点 |
|---|---|---|
| 三氧化钨 | WO3 | 0.2-0.5Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011 |
| 碳化硅 (alpha) | SiC | 2-3.5Lewis, JA (2000). 'Colloidal processing of ceramics', Journal of the American Ceramic Society vol. 83, no. 10, pp.2341-2359. Retrieved 30 May 2011 |
| 二氧化锰 | MnO2 | 4-5 |
| 氮化硅 | Si3N4 | 6-7Jolivet 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 |
| 一氧化二铊 | Tl2O | 8Kosmulski 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 |
| 氧化铜 | CuO | 9.5 |
| 一氧化镍 | NiO | 10-11 |
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。
带电表面附近会有反离子富集，形成所谓双电层结构。
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。 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。
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。
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。
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，<math>C</math>，满足如下关系：
- <math>
C=C_0e^{-(\frac{\psi ze}{kT})}</math>
<math>C_o</math>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：
- <math>
\sigma=\sqrt{8C_0\epsilon\epsilon_0k_BT}\sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_BT}\right) </math> 其中，<math>\sigma</math>为表面电荷密度。
在高温极限下，<math>\sinh(x)</math> 可以展开成 <math>\sinh(x)</math> = <math> x + x^3/3!+...</math> <math>\approx</math> <math>x</math>，<math>\lambda_D=(8C_0\epsilon\epsilon_0k_BT)^{-1/2}</math> 为德拜长度，于是，得 : <math>\sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}</math>
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。
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。
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。
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。
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、 和 。
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。
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024
