Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электрические заряды, присутствующие на поверхности твердого тела
Electric charges present on the surface of a solid
Поверхностный заряд – это электрический заряд, присутствующий на двухмерной поверхности. Эти электрические заряды ограничены этой 2D поверхностью, а плотность поверхностного заряда, измеряемая в кулонах на квадратный метр (C•м−2), используется для описания распределения заряда на поверхности. Электрический потенциал непрерывен на поверхностном заряде, а электрическое поле испытывает разрыв, но не становится бесконечным; это справедливо, если поверхностный заряд не состоит из дипольного слоя. Для сравнения, потенциал и электрическое поле расходятся в любой точечной или линейной зарядке. В физике, в состоянии равновесия, идеальный проводник не имеет заряда внутри своего объема; вместо этого, весь заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Однако это применимо только к идеальному случаю бесконечной электропроводности; большая часть заряда реального проводника находится в слое проникновения на поверхности проводника. Для диэлектрических материалов при приложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в материале незначительно смещаются в противоположных направлениях, что приводит к плотности поляризации в объеме и связанному заряду на поверхности. В химии существует множество различных процессов, которые могут приводить к заряжению поверхности, включая адсорбцию ионов, протонирование или депротонирование, а также, как обсуждалось выше, приложение внешнего электрического поля. Поверхностный заряд излучает электрическое поле, которое вызывает отталкивание и притяжение частиц, влияя на многие коллоидные свойства. Поверхностный заряд практически всегда возникает на поверхности частицы при помещении ее в жидкость. Большинство жидкостей содержат ионы, положительные (катионы) и отрицательные (анионы). Эти ионы взаимодействуют с поверхностью объекта. Это взаимодействие может приводить к адсорбции части из них на поверхности. Если число адсорбированных катионов превышает число адсорбированных анионов, поверхность будет иметь результирующий положительный электрический заряд. Диссоциация поверхностных химических групп – еще один возможный механизм, приводящий к поверхностному заряду.
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.
Проводники
Согласно закону Гаусса, проводник в состоянии равновесия, несущий приложенный ток, не имеет заряда внутри себя. Вместо этого, весь заряд проводника сосредоточен на его поверхности и может быть выражен уравнением:
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:
где E — электрическое поле, созданное зарядом на проводнике, а — диэлектрическая проницаемость вакуума. Это уравнение строго точно лишь для проводников с бесконечно большой площадью, но оно даёт хорошее приближение, если E измеряется на бесконечно малом евклидовом расстоянии от поверхности проводника.
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
Теория Гоуя-Чапмана описывает влияние статического заряда поверхности на потенциал поверхности. "Гоуй предположил, что межфазный потенциал на заряженной поверхности может быть обусловлен наличием ряда ионов с определенным зарядом, прикрепленных к ее поверхности, и равным количеством ионов с противоположным зарядом в растворе". Положительный поверхностный заряд формирует двойной слой, поскольку отрицательные ионы в растворе стремятся сбалансировать положительный поверхностный заряд. Контр-ионы не удерживаются жестко, но имеют тенденцию диффундировать в жидкую фазу, пока контр-потенциал, возникающий при их удалении, не ограничит эту тенденцию. Кинетическая энергия контр-ионов вносит вклад в толщину образовавшегося диффузного двойного слоя. Связь между C, концентрацией контр-ионов на поверхности, и , концентрацией контр-ионов во внешнем растворе, описывается фактором Больцмана:
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:
где z – заряд иона, e – элементарный заряд, kB – постоянная Больцмана и ψ – потенциал заряженной поверхности. Однако это неточно вблизи поверхности, поскольку предполагает равенство молярной концентрации и активности. Также предполагается, что ионы рассматривались как точечные заряды, и впоследствии теория была модифицирована. Усовершенствование этой теории, известное как модифицированная теория Гоуя-Чапмана, учитывает конечный размер ионов при их взаимодействии с поверхностью, представляя это в виде плоскости ближайшего подхода.
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.
Поверхностный потенциал
Отношение между поверхностным зарядом и поверхностным потенциалом может быть выражено уравнением Грэма, выведенным из теории Гоуя — Чапмана на основе условия электронейтральности, которое гласит, что суммарный заряд двойного слоя должен быть равен отрицательному значению поверхностного заряда. Используя одномерное уравнение Пуассона и предполагая, что на бесконечно большом расстоянии градиент потенциала равен нулю, получается уравнение Грэма: если эти силы отталкивания будут нарушены, например, добавлением соли или полимера, коллоидные частицы больше не смогут оставаться во взвешенном состоянии и в конечном итоге будут флокулировать.
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.
Электрокинетические явления
Электрокинетические явления охватывают ряд эффектов, возникающих вследствие наличия электрического двойного слоя. Заметным примером является электрофорез, при котором заряженная частица, взвешенная в среде, перемещается под действием приложенного электрического поля. Электрофорез широко применяется в биохимии для разделения молекул, таких как белки, по размеру и заряду. К другим примерам относятся электроосмос, потенциал седиментации и потенциал потока.
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.
Клей/покрытие
Заряженные поверхности часто полезны для создания поверхностей, которые не адсорбируют определенные молекулы (например, для предотвращения адсорбции основных белков следует использовать положительно заряженную поверхность). Полимеры в этом отношении очень эффективны, поскольку их можно функционализировать, вводя ионизируемые группы, которые обеспечивают поверхностный заряд при помещении в водный раствор.
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.