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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[[官能团|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。<ref name=Butt>
{{cite book |title=Physics and chemistry of interfaces
|last1=Hans-Jurgen |first1=Butt
|last2=Graf |first2=Karlheinz
|last3=Kappl |first3=Michael
|year=2006
|publisher=Wiley-VCH
|location=Germany
|isbn=978-3-527-40629-6
|pages=45, 55, 56, 76–82}}</ref>

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[[官能团|化学基团]]发生电离。

==表面电荷密度==

{{Main|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:<ref>

{{Citation
| last = Weisstein
}}
</ref>

:<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。<ref>

{{Cite web
| last = Nave
| first = Carl R.
| title = Gaussian surfaces
| publisher = Georgia State University
| year = 2010
| url = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/gausur.html
| accessdate = 27 April 2011}}

</ref>

===胶体===

{| class="wikitable sortable" style="float: right;"
|-
! 化合物 !! 化学式 !! 零电荷点
|-
| [[三氧化钨]] || WO3 || 0.2-0.5<ref name="Kosmulski">Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011</ref>
|-
| [[碳化硅]] (alpha) || SiC || 2-3.5<ref name="Lewis">Lewis, JA (2000). 'Colloidal processing of ceramics', ''Journal of the American Ceramic Society'' vol. 83, no. 10, pp.2341-2359. Retrieved 30 May 2011</ref>
|-
|[[二氧化锰]] || MnO2 || 4-5<ref name="Kosmulski"/>
|-
|[[氮化硅]] || Si3N4 || 6-7<ref name="Jolivet">Jolivet J.P., ''Metal oxide chemistry and synthesis. From solution to solid state'', John Wiley & Sons Ltd. 2000,ISBN 0-471-97056-5 (English translation of the original French text, ''De la solution à l'oxyde'', InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994). Retrieved 30 May 2011</ref>
|-
| [[一氧化二铊]] || Tl2O || 8<ref>Kosmulski M and Saneluta C (2004). 'Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3', ''Journal of Colloid and Interface Science'' vol. 280, no. 2, pp. 544-545. Retrieved 30 May 2011</ref>
|-
| [[氧化铜]]|| CuO|| 9.5<ref name="Lewis"/>
|-
|[[一氧化镍]] || NiO || 10-11<ref name="Lewis"/>
|}
浸于[[电解质溶液]]中的表面往往带有电荷，常见的机制是离子吸附。<ref>

{{Cite web
| title = Origins of surface charge
| publisher = Silver Colloids
| year = 2010
| url = http://www.silver-colloids.com/Tutorials/Intro/pcs13.html
| accessdate = 27 April 2011}}

</ref> 带电表面附近会有反离子富集，形成所谓双电层结构。<ref>

{{Cite web
| title = The electric double layer
| publisher = Silver Colloids
| year = 2010
| url = http://www.silver-colloids.com/Tutorials/Intro/pcs17A.html
| accessdate = 27 April 2011}}

</ref>

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。<ref name=Butt/> 界面电势就是界面上的电荷的电势。比如[[蛋白质]]表面的一些[[氨基酸]]，比如[[谷氨酸]]在pH值大于4.1时会发生显著电离，使蛋[[白质带]]上电荷，因此会造成界面电势。界面电势可以解释双电层的形成，在{{Link-en|动电现象|Electrokinetic phenomena}}研究中也是一个非常有用的概念。下面简要描述双电层的理论。

===亥姆霍兹模型===

双电层模型是赫尔曼·冯·亥姆霍兹最早引入的。亥姆霍兹模型假设，溶液中只有[[电解质]]，[[电极]]附近没有化学反应，离子与电极之间只有静电相互作用，因为电极上带有电荷。为了使界面呈电中性，要求电极表面附近，离子有特别的分布，形成一层电荷，中和电极表面上的电荷。离子与电极之间的距离，最小为离子的半径加上离子的溶剂化球半径。即亥姆霍兹模型等价于一平面电容器，两平面之间电势与二者间距呈[[线性关系]]。

亥姆霍兹模型是描述带电界面的基础，有几个重要因素没有考虑：离子的扩散与混合、离子可能的吸附、溶剂偶极矩与电极之间的相互作用。 <ref>

{{Cite web
| title = The electrical double layer
| year = 2011
| url = http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/Chemistry/Electrochemis/Electrochemical/ElectricalDouble/ElectricalDouble.htm
| accessdate = 27 April 2011}}

</ref>

===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。<ref>

{{Cite web
| last = Ehrenstein
| first = Gerald
| title = Surface charge
| date = 200
| url = http://www.biophysics.org/Portals/1/PDFs/Education/ehrenstein.pdf
| accessdate = 30 May 2011}}

</ref> 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。<ref>

{{Cite web
| last = SMIRNOV
| first = Gerald
| title = Double bilayer
| year = 2011
| url = http://web.nmsu.edu/~snsm/classes/chem435/Lab14/double_layer.html
| accessdate = 30 May 2011}}

</ref> 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：<ref name=Butt />

:<math>

\sigma=\sqrt{8C_0\epsilon\epsilon_0k_[[BT]]}\sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_BT}\right) </math> 其中，<math>\sigma</math>为表面电荷密度。

在高温极限下，<math>\sinh(x)</math> 可以展开成 <math>\sinh(x)</math> = <math> x + x^3/3!+...</math> <math>\approx</math> <math>x</math>，<math>\lambda_D=(8C_0\epsilon\epsilon_0k_BT)^{-1/2}</math> 为德拜长度，于是，得 : <math>\sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}</math>

===施特恩模型===

施特恩模型本质上是亥姆霍兹模型和古依-恰普曼模型的结合。施特恩模型里，离子有一定大小，不能无限靠近带电表面，间距至少为纳米量级。距离带电表面最近一层离子称为施特恩层。离子分布受带电表面影响的最大距离处为滑动面，在滑动面以外，为本体溶液。滑动面处电势叫做界达[[电位]]，它在[[物理]]上比表面电势更有意义。<ref name=Butt />

==应用==

带电表面极其重要，有着广泛的应用。比如，溶液中胶体要保持分散状态完全依赖于胶体之间的排斥相互作用。<ref>
{{Cite web
| title = Zeta potential measurement
| publisher = Brookhaven Instruments Ltd.
| year = 2007
| url = http://www.brookhaven.co.uk/zeta-potential.html
| accessdate = 16 Apr. 2011}}
</ref>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。<ref>
{{Cite web
| last = Hubbe
| first = Martin
| title = Flocculation of colloids or of fiber slurries
| publisher = North Carolina State University
| year = 2007
| url = http://www4.ncsu.edu/~hubbe/EqipUnit/Floccula.htm
| accessdate = 16 Apr. 2011}}
</ref>

===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。<ref>

{{Cite web
| title = Chapter 4: Electrophoresis - Introduction
| publisher = Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College
| year = 1995
| url = http://homepages.gac.edu/~cellab/chpts/chpt4/intro4.html
| accessdate = 30 May 2011}}

</ref> 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、 {{Link-en|沉降电势|sedimentation potential}} 和 {{Link-en|流动电势|Streaming potential}}。<ref name=Butt />

===蛋白质===

蛋白质是带电的[[生物分子]]，带电情况对溶液中pH值非常敏感。[[酶蛋白]]和[[跨膜蛋白]]的活性依赖于带电情况，蛋白质[[活性位点]]必须有合适的表面电荷，才能与具体基底结合。 <ref>
{{Cite journal
| last1 = Escobar | first1 = Laura
| last2 = Root | first2 = Michael J.
| last3 = MacKinnon | first3 = Robert
| title = Influence of protein surface charge on the bimolecular kinetics of a potassium channel peptide inhibitor
| journal = Biochemistry
| volume = 32
| issue = 27
| pages = 6982–6987
| date = July 1993
| url = http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024
| doi = 10.1021/bi00078a024
| accessdate = 16 April 2011 | pmid=7687466}}

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024</ref>

===粘合剂/涂料===

==参考文献==

{{reflist}}

[[Category:电学]] [[Category:物理化学]]
==参考来源==
*[http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E7%94%B5%E8%8D%B7 维基百科-表面电荷]

表面电荷 - 版本历史

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