표면 전하

표면 전하가 0이 아닌 2차원 표면입니다.이러한 전하가 이 2-D 표면에서 구속되며 표면 전하 밀도는 표면 전하 분포를 설명하기 위해 평방미터당 쿨롬(C•m⁻²) 단위로 측정됩니다.전위는 표면 전하 전체에 걸쳐 연속적이며 전장은 불연속적이지만 무한하지는 않습니다. 표면 전하가 쌍극자 층으로 구성되어 있지 않은 경우만 해당됩니다.이에 비해 전위와 전장은 어느 지점 전하 또는 선형 전하에서나 발산됩니다.

물리학에서, 평형상태에서, 이상적인 도체는 내부에 전하가 없다; 대신, 도체의 전하의 전체가 표면에 존재한다.단, 이는 무한 전기 전도성의 이상적인 경우에만 적용됩니다.실제 도체의 전하의 대부분은 도체 표면의 피부 깊이 안에 있습니다.유전체 재료의 경우, 외부 ^[1]전계를 적용하면 재료의 양전하와 음전하가 약간 반대 방향으로 이동하며, 그 결과 벌크체에 편광 밀도가 발생하고 표면에 결합 전하가 발생한다.

화학에서는 이온의 흡착, 양성자화/탈양성자화, 그리고 위에서 설명한 바와 같이 외부 전계의 적용 등 표면이 대전되는 다양한 과정이 있습니다.표면 전하가 전기장을 방출하여 입자의 반발과 흡인력을 유발하여 많은 콜로이드 특성에 ^[2]영향을 미칩니다.

표면 전하가 실질적으로 입자 표면에 항상 나타납니다.대부분의 유체에는 이온, 양( 양이온) 및 음(음이온)이 포함되어 있습니다.이 이온들은 물체 표면과 상호작용합니다.이러한 상호작용은 이들 중 일부가 표면에 흡착될 수 있습니다.흡착된 양이온의 수가 흡착된 음이온의 수를 초과하면 표면은 순 양의 전하를 갖게 됩니다.

표면 화학 그룹의 해리는 표면 전하를 유도하는 또 다른 가능한 메커니즘이다.

밀도

표면 전하 밀도는 주어진 면적의 표면에 존재하는 전하량 q로 정의됩니다. A:^[3]^{[full citation needed]}

{\displaystyle\displayfrac{q}{A}}}

컨덕터

가우스의 법칙에 따르면, 인가 전류를 전달하는 평형 상태의 도체는 내부에 전하가 없다.대신, 도체의 전하가 표면에 존재하며, 다음과 같은 방정식으로 나타낼 수 있습니다.

{\displaystyle\display=E\varepsilon_{0}}

여기서 E는 도체의 전하로 인해 발생하는 전계이고

\varepsilon _{0}

0

(\

은

\varepsilon _{0}

여유 공간의 유전율입니다.이 방정식은 면적이 무한히 큰 도체에 대해서만 엄격히 정확하지만,^[4] E가 도체 표면에서 무한히 작은 유클리드 거리에서 측정된다면 좋은 근사치를 제공합니다.

콜로이드 및 침지물

컴파운드	화학식	제로 차지 포인트
텅스텐(VI)산화물	WO₃	0.2~0^[5].5
탄화규소(알파)	SiC	2^[6] ~ 3.5
망간(IV) 산화물	MnO₂	4^[5] ~ 5
질화 규소	Si₃N₄	6^[7] ~ 7
산화탈륨(I)	TLO₂	8개^[8]
산화구리(II)	CuO	9.5^[6]
산화 니켈(II)	NiO	10 ~ 11^[6]

전해질을 포함한 용액에 표면을 담그면 순 표면 전하가 발생한다.이것은 종종 이온 흡착 때문이다.수용액에는 일반적으로 양의 이온과 음이온(각각 양이온과 음이온)이 함유되어 있어 표면의 부분 전하와 상호작용하여 표면에 흡착되어 이온화되어 순 표면 ^[9]전하를 생성한다.이 순전하로 인해 표면전위[L]가 생성되어 표면에서 용액으로 확장되는 반대편 구름에 의해 표면이 둘러싸이게 되고 일반적으로 입자 간의 반발이 발생합니다.물질 내 부분 전하가 클수록 표면에 흡수되는 이온이 많아지고 반대 이온 구름도 커진다.전해질 농도가 높은 용액은 또한 대향 이온 구름의 크기를 증가시킵니다.이 이온/^[10]대향층은 전기 이중층으로 알려져 있습니다.

용액의 pH는 또한 표면 전하에도 큰 영향을 미칠 수 있는데, 입자 표면에 존재하는 기능성 기는 종종 산소나 질소를 포함할 수 있기 때문입니다. 두 원자는 양성자화 또는 탈양성자가 되어 전하가 될 수 있습니다.따라서 수소 이온의 농도가 변화함에 따라 입자의 표면 전하도 변화합니다.특정 pH에서는 평균 표면 전하가 0이 됩니다.이것을 Point of Zero Charge(PZC)^[2]라고 부릅니다.일반적인 물질과 관련된 PZC 목록이 오른쪽에 표시됩니다.

계면 전위

계면은 고체와 ^[2]기체 사이 등 서로 다른 두 위상 사이에 형성된 공통 경계로 정의된다.전위 또는 전하는 전기장에서 움직이는 물체의 능력의 결과이다.계면 전위는 두 상 사이의 공통 경계에 위치한 전하로 정의된다(예를 들어 단백질 표면의 글루탐산 등의 아미노산은 표면에서 하전된 아미노산을 생성하기 위해 4.1보다 큰 pH의 환경에서 측쇄 카르본산을 탈양성자화시킬 수 있다).시알 퍼텐셜).계면 전위는 전기 이중층 형성에 책임이 있으며, 전기 운동학적 현상이라고 불리는 현상에 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.전기 이중층 이론의 개발은 아래에 설명되어 있습니다.

헬름홀츠

'전기 이중층'이라고 불리는 모델은 헤르만 폰 헬름홀츠에 의해 처음 소개되었다.이 방법에서는 용액이 전해질로만 구성되고 전극 근처에서 전자를 전달할 수 있는 반응이 일어나지 않으며 용액 내 이온과 전극 사이에 Van der Waals 상호작용만 존재한다고 가정합니다.이러한 상호작용은 전극 표면에서 전자의 과잉 또는 결핍으로 인해 발생하는 전극과 관련된 전하 밀도 때문에 발생합니다.전기적 중립을 유지하기 위해 전극의 표면 근처에 이온을 재배포하여 전극의 전하 균형을 유지합니다.따라서 흡인된 이온은 전극의 전하 균형을 이루는 층을 형성합니다.이온이 전극에 도달할 수 있는 가장 가까운 거리는 이온 반지름과 개별 이온 주위의 단일 용매 구로 제한됩니다.전체적으로 두 층의 전하와 전극에서 외부 층(외부 헬름홀츠 평면) 가장자리까지의 전위 강하가 관찰됩니다.위의 설명에 따르면 헬름홀츠 모델은 본질적으로 두 개의 분리된 전하 플레이트를 가진 전기 콘덴서와 동등하며, 이 콘덴서에서는 플레이트로부터의 거리가 증가하는 선형 전위 강하가 관찰됩니다.
Helmholtz 모델은 계면을 설명하기 위한 좋은 기초이지만, 용액 내 확산/혼합, 표면으로의 흡착 가능성 및 용제 쌍극자 모멘트와 ^[11]전극 사이의 상호작용 등 몇 가지 중요한 요소를 고려하지 않습니다.

구이차프만

음전하의 여러 층이 양극으로 대전된 표면 근처에 축적되어 이중층을 형성합니다.

Gouy-Chapman 이론은 정적 표면 ^[12]전하가 표면 전위에 미치는 영향을 설명합니다."고이는 충전된 표면에서의 계면 전위가 표면에 부착된 소정의 전하를 가진 이온의 수 ^[13]및 용액에 있는 반대 전하를 가진 이온의 수에 기인할 수 있다고 제안했습니다."용액의 음이온이 양의 표면 전하와 균형을 이루는 경향이 있기 때문에 양의 표면 전하는 이중 층을 형성합니다.대향 이온은 단단하게 유지되지 않고, 출발에 의해 설정된 대향 전위가 이 경향을 제한할 때까지 액상으로 확산되는 경향이 있다.대향 이온의 운동 에너지는 부분적으로 결과 확산 이중층의 두께에 영향을 미칩니다.표면에서의 대향 이온 농도인 C와 $C_{o}$ 용액의 대향 이온 농도인 $C_{o}$ o {\ $displaystyle C_{o$ 의 관계는 볼츠만 계수입니다.

C=C_{0}e^{-{\frac {psi ze}{k_{\mathrm {B}}}}

여기서 z는 이온의 전하, e는 양성자의 전하, k는_B 볼츠만 상수, θ는 전하 표면의 전위이다.

그러나 이는 몰 농도가 활성과 동일하다고 가정하기 때문에 지표면 근처에서는 정확하지 않다.또한 이온이 점전하로 모델링되었다가 나중에 수정된 것으로 가정합니다.수정된 구이-차프만 이론으로 알려진 이 이론의 개선은 가장 가까운 접근 ^[14]평면의 형태로 표면과의 상호작용에 관한 이온의 유한한 크기를 포함했습니다.

표면 전위

표면 전하와 표면 전위 간의 관계는 Gouy-Chapman 이론에서 도출된 Grahame 방정식에 의해 표현될 수 있습니다. Gouy-Chapman 이론은 이중 층의 총 전하가 표면 전하의 음과 동일해야 한다는 전기중성 조건을 가정합니다.1차원 포아송 방정식을 사용하고 무한히 큰 거리에서 퍼텐셜 구배가 0이라고 가정하면 그라함 방정식을 ^[2]얻을 수 있습니다.

\mathrm {B} } = scrt {8c_{0}\varepsilonT}}\sinh \left({\frac {ze\psi _{0}}{2k_{\mathrm {B}}T}}\right)

낮은 전위의 경우, $\sinh(x)$ $\sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots$ $\sinh(x)$ ( $\sinh(x)$ x ) { $displaystyle$ $\$ $sinh ( x$ $\sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots$ ) $\sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots$ + $\sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots$ / $\sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots$ ! + ${\$ { \ $displaystyle \sinh$ ( x ) = x + $x^$ { $3}/$ 로 확장할 수 있습니다! $+\cdots$ {\ $、$ { $display$ style \ $about }$ ${$ $display style$ x $}$ 및 $\lambda _{D}$ D { $display$ style \ $lambda$ _ { $D$ }는 $\lambda _{D}$ Debye 길이로 정의됩니다.이렇게 하면 다음과 같은 간단한 표현이 나옵니다.

({displaystyle\displaystyle=varepsilon_{0}\psi_{0}}{\displayda_{D}})

여러 층의 이온과 Debye 길이를 늘리는 전위의 간단한 오버레이.흡수된 이온의 첫 번째 층은 내부 헬름홀츠 평면이라고 불립니다.다음으로 외부 헬름홀츠 ^[2]평면을 나타내는 비특이적으로 흡수되고 수화된 대항체 층입니다.

스턴

이중층의 오토 스턴 모델은 본질적으로 헬름홀츠 이론과 구이-차프만 이론의 조합이다.그의 이론은 이온이 유한한 크기를 가지고 있기 때문에 수 나노미터보다 더 가까이 표면에 접근할 수 없다고 말한다.Stern Layer라고 알려진 거리를 통해, 이온은 미끄러짐 평면이라고 불리는 지점까지 표면에 흡착될 수 있으며, 여기에서 흡착된 이온이 벌크 액체와 만날 수 있습니다.미끄럼 평면에서 전위 δ는 제타 전위로 알려져 있는 수준으로 감소했습니다.제타 전위는 중간 값이지만 정전기 반발에 관한 ^[2]한 표면 전위보다 더 중요한 것으로 간주되기도 한다.

적용들

대전된 표면은 매우 중요하며 많은 용도로 사용됩니다.예를 들어, 큰 콜로이드 입자의 용액은 ^[15]분산 상태를 유지하기 위해 표면 전하에 의한 반발에 거의 전적으로 의존합니다.만약 이러한 반발력이 흐트러지면, 아마도 소금이나 폴리머를 첨가함으로써 콜로이드 입자는 더 이상 현탁액을 유지할 수 없게 되어 ^[16]응집될 것이다.

전기 운동 현상

A positive and negative terminal are placed on opposite ends of a body of water, connected by wires and a voltage source. Between them are two panels of glass containing negative charge; water flows through that glass from the positive to the negative terminal, with the water carrying a positive charge.

수용액에 잠긴 유리 모세관을 통한 전기 삼투현상을 나타낸 그림.

전기운동학적 현상은 전기 이중층에서 발생하는 다양한 효과를 말합니다.주목할 만한 예로는 전기영동이 있는데, 전기영동은 매체에 부유된 하전입자가 인가된 ^[17]전계의 결과로 이동한다.전기영동은 크기와 전하를 기준으로 단백질과 같은 분자를 구별하기 위해 생화학에서 널리 사용된다.다른 예로는 전기 침투, 침전 전위, 스트리밍 ^[2]전위 등이 있습니다.

단백질

단백질은 종종 표면에 pH에 따라 이온화 또는 탈이온화될 수 있는 그룹을 가지고 있어 단백질의 표면 전하를 비교적 쉽게 변화시킨다.이것은 효소나 막 채널로 기능하는 단백질의 활성에 특히 중요한 영향을 미치는데, 주로 단백질의 활성 부위가 특정 ^[18]기질을 결합하기 위해 올바른 표면 전하를 가져야 한다.

접착제/코팅

대전된 표면은 종종 특정 분자를 흡착하지 않는 표면을 만드는 데 유용합니다(예를 들어, 기본 단백질의 흡착을 방지하기 위해, 양전하를 띤 표면이 사용되어야 합니다).폴리머는 이온화기를 포함할 수 있도록 기능화할 수 있다는 점에서 매우 유용하다.이들은 ^[19]수용액에 잠겼을 때 표면 전하를 제공하는 역할을 한다.

레퍼런스

^ "Dielectric Polarization, Bound Charges, and the Electric Displacement Field" (PDF).
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Hans-Jurgen, Butt; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael (2006). Physics and chemistry of interfaces. Germany: Wiley-VCH. pp. 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6.
^ Weisstein, {{citation}}:누락 또는 비어 있음 title=(도움말)
^ Nave, Carl R. (2010). "Gaussian surfaces". Georgia State University. Retrieved 27 April 2011.
^ ^a ^b Kosmulski, Marek (2001), Chemical properties of material surfaces, Marcel Dekker
^ ^a ^b ^c Lewis, JA (2000). "Colloidal processing of ceramics". Journal of the American Ceramic Society. 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX 10.1.1.514.1543. doi:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01560.x.
^ Jolivet J.P. (2000), Metal oxide chemistry and synthesis. From solution to solid state, John Wiley & Sons Ltd., ISBN 0-471-97056-5(원문 프랑스어 번역, De la solution à l'oxyde InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994)
^ Kosmulski, M; Saneluta, C (2004). "Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3". Journal of Colloid and Interface Science. 280 (2): 544–545. Bibcode:2004JCIS..280..544K. doi:10.1016/j.jcis.2004.08.079. PMID 15533430.
^ "Origins of surface charge". Silver Colloids. 2010. Retrieved 27 April 2011.
^ "The electric double layer". Silver Colloids. 2010. Retrieved 27 April 2011.
^ "The electrical double layer". 2011. Archived from the original on 31 May 2011. Retrieved 27 April 2011.
^ Ehrenstein, Gerald (200). "Surface charge" (PDF). Archived from the original (PDF) on 28 September 2011. Retrieved 30 May 2011.
^ Smirnov, Gerald (2011). "Double bilayer". Retrieved 30 May 2011.
^ Greathouse, Jeffery A.; Feller, Scott E.; McQuarrie, Donald A. (1994). "The modified Gouy-Chapman theory: Comparisons between electrical double layer models of clay swelling". Langmuir. 10 (7): 2125. doi:10.1021/la00019a018.
^ "Zeta potential measurement". Brookhaven Instruments Ltd. 2007. Archived from the original on 19 July 2003. Retrieved 16 Apr 2011.
^ Hubbe, Martin (2007). "Flocculation of colloids or of fiber slurries". North Carolina State University. Retrieved 16 Apr 2011.
^ "Chapter 4: Electrophoresis - Introduction". Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College. 1995. Retrieved 30 May 2011.
^ Escobar, Laura; Root, Michael J.; MacKinnon, Robert (July 1993). "Influence of protein surface charge on the bimolecular kinetics of a potassium channel peptide inhibitor". Biochemistry. 32 (27): 6982–6987. doi:10.1021/bi00078a024. PMID 7687466.
^ Haselberg, Rob; van der Sneppen, Lineke; Ariese, Freek; Ubachs, Wim; Gooijer, Cees; de Jong, Gerhardus J.; Somsen, Govert W. (18 Nov 2009). "Effectiveness of charged non-covalent polymer coatings against protein adsorption to silica surfaces studied by evanescent-wave cavity ring-down spectroscopy and capillary electrophoresis". Analytical Chemistry. 81 (24): 10172–10178. doi:10.1021/ac902128n. PMID 19921852.

[1] "Dielectric Polarization, Bound Charges, and the Electric Displacement Field" (PDF).

[Butt-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Hans-Jurgen, Butt; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael (2006). Physics and chemistry of interfaces. Germany: Wiley-VCH. pp. 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6.

[3] Weisstein, {{citation}}:누락 또는 비어 있음 title=(도움말)

[4] Nave, Carl R. (2010). "Gaussian surfaces". Georgia State University. Retrieved 27 April 2011.

[Kosmulski-5] Kosmulski, Marek (2001), Chemical properties of material surfaces, Marcel Dekker

[Lewis-6] Lewis, JA (2000). "Colloidal processing of ceramics". Journal of the American Ceramic Society. 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX 10.1.1.514.1543. doi:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01560.x.

[Jolivet-7] Jolivet J.P. (2000), Metal oxide chemistry and synthesis. From solution to solid state, John Wiley & Sons Ltd., ISBN 0-471-97056-5(원문 프랑스어 번역, De la solution à l'oxyde InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994)

[8] Kosmulski, M; Saneluta, C (2004). "Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3". Journal of Colloid and Interface Science. 280 (2): 544–545. Bibcode:2004JCIS..280..544K. doi:10.1016/j.jcis.2004.08.079. PMID 15533430.

[9] "Origins of surface charge". Silver Colloids. 2010. Retrieved 27 April 2011.

[10] "The electric double layer". Silver Colloids. 2010. Retrieved 27 April 2011.

[11] "The electrical double layer". 2011. Archived from the original on 31 May 2011. Retrieved 27 April 2011.

[12] Ehrenstein, Gerald (200). "Surface charge" (PDF). Archived from the original (PDF) on 28 September 2011. Retrieved 30 May 2011.

[13] Smirnov, Gerald (2011). "Double bilayer". Retrieved 30 May 2011.

[14] Greathouse, Jeffery A.; Feller, Scott E.; McQuarrie, Donald A. (1994). "The modified Gouy-Chapman theory: Comparisons between electrical double layer models of clay swelling". Langmuir. 10 (7): 2125. doi:10.1021/la00019a018.

[15] "Zeta potential measurement". Brookhaven Instruments Ltd. 2007. Archived from the original on 19 July 2003. Retrieved 16 Apr 2011.

[16] Hubbe, Martin (2007). "Flocculation of colloids or of fiber slurries". North Carolina State University. Retrieved 16 Apr 2011.

[17] "Chapter 4: Electrophoresis - Introduction". Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College. 1995. Retrieved 30 May 2011.

[:0-18] Escobar, Laura; Root, Michael J.; MacKinnon, Robert (July 1993). "Influence of protein surface charge on the bimolecular kinetics of a potassium channel peptide inhibitor". Biochemistry. 32 (27): 6982–6987. doi:10.1021/bi00078a024. PMID 7687466.

[19] Haselberg, Rob; van der Sneppen, Lineke; Ariese, Freek; Ubachs, Wim; Gooijer, Cees; de Jong, Gerhardus J.; Somsen, Govert W. (18 Nov 2009). "Effectiveness of charged non-covalent polymer coatings against protein adsorption to silica surfaces studied by evanescent-wave cavity ring-down spectroscopy and capillary electrophoresis". Analytical Chemistry. 81 (24): 10172–10178. doi:10.1021/ac902128n. PMID 19921852.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

Search