Беттік зарядтар: қатты дененің бетіндегі электр заряды, беттік заряд тығыздығы, электр потенциалы мен өрісі туралы ақпарат. Физикадағы маңызды түсінік!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қатты дененің бетіндегі электр зарядтары
Electric charges present on the surface of a solid
Беттік заряд – екі өлшемді бетте кездесетін электр заряды. Бұл электр зарядтары осы 2D бетпен шектелген, ал беттік заряд тығыздығы шаршы метрге кулондармен (C•m−2) өлшенеді және беттегі зарядтың таралуын сипаттау үшін қолданылады. Электр потенциалы беттік заряд арқылы үздіксіз, ал электр өрісі үздіксіз емес, бірақ шексіз емес; егер беттік заряд диполь қабатынан тұрмаса. Керісінше, потенциал және электр өрісі кез келген нүктелік немесе сызықтық зарядта шексіз болады. Физикада тепе-теңдік күйінде идеалды өткізгіштің ішкі бетінде заряд болмайды; өткізгіштің барлық заряды оның бетінде орналасады. Дегенмен, бұл тек шексіз электр өткізгіштігіне ие идеалды жағдайға қатысты; нақты өткізгіштің зарядының көп бөлігі өткізгіш бетінің тері тереңдігінде орналасады. Диэлектрлік материалдар үшін сыртқы электр өрісі қолданғанда, материалдағы оң және теріс зарядтар қарама-қарсы бағытта аз ғана жылғалысады, нәтижесінде көлемде поляризациялық тығыздық және бетте байланған заряд пайда болады. Химияда беттің зарядталуына әкелетін көптеген процестер бар, оларға иондардың адсорбциясы, протондалу немесе депротондалу, сондай-ақ жоғарыда айтылғандай, сыртқы электр өрісін қолдану жатады. Беттік заряд электр өрісін тудырады, ол бөлшектердің тартылуына және тебілуіне себеп болады, көптеген коллоидтық қасиеттерге әсер етеді. Бөлшек сұйыққа енген кезде беттік заряд дерлік әрқашан бөлшектің бетінде пайда болады. Көптеген сұйықтықтарда оң (катиондар) және теріс (аниондар) иондар бар. Бұл иондар объектінің бетімен өзара әрекеттеседі. Бұл өзара әрекеттесу олардың кейбіреулерінің бетке адсорбциялануына әкелуі мүмкін. Егер адсорбцияланған катиондардың саны адсорбцияланған аниондардың санын басып өтетін болса, бет оң электр зарядына ие болады. Беттік химиялық топтың диссоциациясы – беттік зарядқа әкелетін тағы бір мүмкін механизм.
A surface charge is an electric charge present on a two dimensional surface. These electric charges are constrained on this 2 D surface, and surface charge density, measured in coulombs per square meter (C•m−2), is used to describe the charge distribution on the surface. The electric potential is continuous across a surface charge and the electric field is discontinuous, but not infinite; this is unless the surface charge consists of a dipole layer. In comparison, the potential and electric field both diverge at any point charge or linear charge. In physics, at equilibrium, an ideal conductor has no charge on its interior; instead, the entirety of the charge of the conductor resides on the surface. However, this only applies to the ideal case of infinite electrical conductivity; the majority of the charge of an actual conductor resides within the skin depth of the conductor's surface. For dielectric materials, upon the application of an external electric field, the positive charges and negative charges in the material will slightly move in opposite directions, resulting in polarization density in the bulk body and bound charge at the surface. In chemistry, there are many different processes which can lead to a surface being charged, including adsorption of ions, protonation or deprotonation, and, as discussed above, the application of an external electric field. Surface charge emits an electric field, which causes particle repulsion and attraction, affecting many colloidal properties. Surface charge practically always appears on the particle surface when it is placed into a fluid. Most fluids contain ions, positive (cations) and negative (anions). These ions interact with the object surface. This interaction might lead to the adsorption of some of them onto the surface. If the number of adsorbed cations exceeds the number of adsorbed anions, the surface would have a net positive electric charge. Dissociation of the surface chemical group is another possible mechanism leading to surface charge.
Кондукторлар
Гаусс заңы бойынша, теңгерімдегі ток өткізетін өткізгіштің ішкі жағында заряд болмайды. Керісінше, өткізгіштің барлық заряды бетінде орналасады және мына теңдеумен өрнектеледі:
According to Gauss’s law, a conductor at equilibrium carrying an applied current has no charge on its interior. Instead, the entirety of the charge of the conductor resides on the surface, and can be expressed by the equation:
мұнда E – өткізгіштегі зарядтың тудырған электр өрісі, ал – бос кеңістіктің диэлектрлік тұрақтысы. Бұл теңдеу тек қана шексіз үлкен ауданы бар өткізгіштер үшін ғана қатаң түрде дұрыс, бірақ E өткізгіш бетінен өте кішкентай Евклид қашықтығында өлшенген жағдайда жақсы жуықтама береді.
where E is the electric field caused by the charge on the conductor and is the permittivity of the free space. This equation is only strictly accurate for conductors with infinitely large area, but it provides a good approximation if E is measured at an infinitesimally small Euclidean distance from the surface of the conductor.
Гуй-Чепман
Гоуй-Чепмен теориясы статикалық бет зарядтарының бет потенциалына тигізетін әсерін сипаттайды. "Гоуй зарядталған беттегі интерфейстік потенциалдың, оның бетіне жабысқан белгілі зарядты иондардың болуымен және ерітіндіштегі қарама-қарсы зарядты иондардың тең санымен байланыстырылуы мүмкін деп ұсынды". Оң беттік заряд екі қабатты құрайды, себебі ерітіндіштегі теріс иондар оң беттік зарядты теңестіруге бейім. Қарсы иондар қатаң ұсталмайды, бірақ олардың кетуінен туындаған қарсы потенциал осы тенденцияны шектейтінге дейін сұйық фазаға диффузияға ұмтылады. Қарсы иондардың кинетикалық энергиясы пайда болған диффузиялық екі қабаттың қалыңдығына белгілі бір дәрежеде әсер етеді. C, беттегі қарсы ион концентрациясы және , сыртқы ерітіндідегі қарсы ион концентрациясы арасындағы қатынас Болцман факторы болып табылады:
Gouy Chapman theory describes the effect of a static surface charge on a surface's potential. "Gouy suggested that interfacial potential at the charged surface could be attributed to the presence of a number of ions of given charge attached to its surface, and to an equal number of ions of opposite charge in the solution." A positive surface charge will form a double layer, since negative ions in solution tend to balance the positive surface charge. Counter ions are not rigidly held, but tend to diffuse into the liquid phase until the counter potential set up by their departure restricts this tendency. The kinetic energy of the counter ions will, in part, affect the thickness of the resulting diffuse double layer. The relation between C, the counter ion concentration at the surface, and , the counter ion concentration in the external solution, is the Boltzmann factor:
мұнда z – ион заряды, e – протон заряды, kB – Болцман тұрақтысы және ψ – зарядталған беттің потенциалы. Дегенмен, бұл бетке жақын жерде дәл емес, себебі ол молярлық концентрацияның белсенділікке тең деп есептейді. Сондай-ақ, иондар нүктелік зарядтар ретінде модеделденген және кейіннен түзетілген деп есептейді. Бұл теорияның жетілдірілген нұсқасы, өзгертілген Гоуй-Чепмен теориясы деп белгілі, иондардың бетпен өзара әрекеттесуіне қатысты ең жақын жақындасу жазықтығының шекті мөлшерін қамтиды.
where z is the charge on the ion, e is the charge of a proton, kB is the Boltzmann constant and ψ is the potential of the charged surface. This however is inaccurate close to the surface, because it assumes that molar concentration is equal to activity. It also assumes that ions were modeled as point charges and was later modified. An improvement of this theory, known as the modified Gouy Chapman theory, included the finite size of the ions with respect to their interaction with the surface in the form of a plane of closest approach.
Жер бетінің потенциалы
Жер бетіндегі заряд пен жер бетіндегі потенциал арасындағы қатынасты Грэйм теңдеуі арқылы көрсетуге болады, ол Гауй-Чепмен теориясынан электронейтралдық шартын қабылдап туындаған. Бұл шартқа сәйкес, қос қабаттың жалпы заряды жер бетіндегі зарядтың теріс мәніне тең болуы керек. Бір өлшемді Пуассон теңдеуін қолданып және потенциал градиенті шексіз қашықтықта 0-ге тең деп есептесек, Грэйм теңдеуін аламыз: Егер осы итергіш күштер бұзылса, мысалы, тұз немесе полимер қосылғанда, коллоидты бөлшектер суспензияны сақтап тұра алмайды және одан кейін флокуляцияланады.
The relation between surface charge and surface potential can be expressed by the Grahame equation, derived from the Gouy Chapman theory by assuming the electroneutrality condition, which states that the total charge of the double layer must be equal to the negative of the surface charge. Using the one dimensional Poisson equation and assuming that, at an infinitely great distance, the potential gradient is equal to 0, the Grahame equation is obtained: If these repulsive forces were to be disrupted, perhaps by the addition of a salt or a polymer, the colloidal particles would no longer be able to sustain suspension and would subsequently flocculate.
Электрокинетикалық құбылыстар
Электрокинетикалық құбылыстар электрлік қос қабаттан туындайтын әртүрлі әсерлерді қамтиды. Көрікті мысал – электрофорез, онда ортадағы зарядталған бөлшектер қолданылған электр өрісі әсерінен қозғалады. Электрофорез биохимияда, мысалы, ақуыздар сияқты молекулаларды мөлшері мен заряды бойынша ажырату үшін кеңінен қолданылады. Басқа мысалдарға электроосмоз, тұну потенциалы және ағын потенциалы жатады.
Electrokinetic phenomena refers to a variety of effects resulting from an electrical double layer. A noteworthy example is electrophoresis, where a charged particle suspended in a media will move as a result of an applied electrical field. Electrophoresis is widely used in biochemistry to distinguish molecules, such as proteins, based on size and charge. Other examples include electro osmosis, sedimentation potential, and streaming potential.
Тіркегіштер/бедерлер
Зарядталған беттер көбінесе белгілі бір молекулаларды сіңірмейтін беттерді жасау үшін пайдалы (мысалы, негізгі ақуыздардың сіңуін болдырмау үшін оң зарядталған бет қолданылуы керек). Полимерлер осы жағынан өте тиімді, себебі оларды иондалатын топтармен функционалдауға болады, бұл сулы ерітіндіге батырылғанда беттік зарядты қамтамасыз етеді.
Charged surfaces are often useful in creating surfaces that will not adsorb certain molecules (for example, in order to prevent the adsorption of basic proteins, a positively charged surface should be used). Polymers are very useful in this respect in that they can be functionalized so that they contain ionizable groups, which serve to provide a surface charge when submerged in an aqueous solution.