Введение

Электрические заряды, присутствующие на поверхности твердого тела

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.

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:

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.

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:

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.

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.

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.

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.