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。

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。

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 0.2-0.5
碳化硅 (alpha) SiC 2-3.5
二氧化锰 MnO2 4-5
一氧化二铊 Tl2O 8
氧化铜 CuO 9.5 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。

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: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 。

粘合剂/涂料

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