Carica superficiale - Surface charge

La carica superficiale è una superficie bidimensionale con carica elettrica diversa da zero . Queste cariche elettriche sono vincolate su questa superficie 2-D e la densità di carica superficiale , misurata in coulomb per metro quadrato (C • m ⁻² ), viene utilizzata per descrivere la distribuzione della carica sulla superficie. Il potenziale elettrico è continuo attraverso una carica superficiale e il campo elettrico è discontinuo, ma non infinito; questo a meno che la carica superficiale non sia costituita da uno strato di dipolo. In confronto, il potenziale e il campo elettrico divergono entrambi in qualsiasi punto di carica o carica lineare.

In fisica, all'equilibrio, un conduttore ideale non ha carica al suo interno; invece, la totalità della carica del conduttore risiede sulla superficie. Tuttavia, questo si applica solo al caso ideale di conducibilità elettrica infinita ; La maggior parte della carica di un conduttore effettivo risiede all'interno della profondità della pelle della superficie del conduttore. Per i materiali dielettrici , dopo l'applicazione di un campo elettrico esterno, le cariche positive e le cariche negative nel materiale si muoveranno leggermente in direzioni opposte, determinando una densità di polarizzazione nel corpo di massa e una carica legata alla superficie.

In chimica, ci sono molti processi diversi che possono portare alla carica di una superficie, incluso l' adsorbimento di ioni, la protonazione / deprotonazione e, come discusso sopra, l'applicazione di un campo elettrico esterno. La carica superficiale emette un campo elettrico, che provoca repulsione e attrazione delle particelle, influenzando molte proprietà colloidali .

La carica superficiale appare praticamente sempre sulla superficie delle particelle quando viene inserita in un fluido . La maggior parte dei fluidi contiene ioni , positivi ( cationi ) e negativi ( anioni ). Questi ioni interagiscono con la superficie dell'oggetto. Questa interazione potrebbe portare all'adsorbimento di alcuni di essi sulla superficie. Se il numero di cationi adsorbiti supera il numero di anioni adsorbiti, la superficie avrebbe una carica elettrica netta positiva .

La dissociazione del gruppo chimico superficiale è un altro possibile meccanismo che porta alla carica superficiale.

Densità

La densità di carica superficiale è definita come la quantità di carica elettrica , q, che è presente su una superficie di una data area, A:

${\ displaystyle \ sigma = {\ frac {q} {A}}}$

Conduttori

Secondo la legge di Gauss , un conduttore in equilibrio che trasporta una corrente applicata non ha carica al suo interno. Invece, la totalità della carica del conduttore risiede sulla superficie e può essere espressa dall'equazione:

${\ displaystyle \ sigma = E \ epsilon _ {0}}$

dove E è il campo elettrico causato dalla carica sul conduttore ed è la permettività dello spazio libero. Questa equazione è strettamente accurata solo per conduttori con un'area infinitamente grande, ma fornisce una buona approssimazione se E viene misurata a una distanza euclidea infinitamente piccola dalla superficie del conduttore. ${\ displaystyle \ epsilon _ {0}}$

Colloidi e oggetti immersi

Quando una superficie è immersa in una soluzione contenente elettroliti , sviluppa una carica superficiale netta. Ciò è spesso dovuto all'adsorbimento ionico. Le soluzioni acquose contengono universalmente ioni positivi e negativi (rispettivamente cationi e anioni ), che interagiscono con cariche parziali sulla superficie, adsorbendosi e quindi ionizzando la superficie e creando una carica superficiale netta. Questa carica netta si traduce in un potenziale superficiale [L], che fa sì che la superficie sia circondata da una nuvola di controioni, che si estende dalla superficie nella soluzione, e generalmente provoca anche repulsione tra le particelle. Più grandi sono le cariche parziali nel materiale, più ioni vengono adsorbiti sulla superficie e più grande è la nuvola di controioni. Una soluzione con una maggiore concentrazione di elettroliti aumenta anche la dimensione della nuvola di controione. Questo strato di ioni / controione è noto come doppio strato elettrico .

Il pH di una soluzione può anche influenzare notevolmente la carica superficiale perché i gruppi funzionali presenti sulla superficie delle particelle possono spesso contenere ossigeno o azoto, due atomi che possono essere protonati o deprotonati per caricarsi. Così, al variare della concentrazione di ioni idrogeno, cambia anche la carica superficiale delle particelle. Ad un certo pH, la carica superficiale media sarà uguale a zero; questo è noto come il punto di carica zero (PZC). A destra è mostrato un elenco di sostanze comuni e dei loro PZC associati.

Potenziale interfacciale

Un'interfaccia è definita come il confine comune formato tra due diverse fasi, ad esempio tra un solido e un gas. Il potenziale elettrico , o carica, è il risultato della capacità di un oggetto di essere spostato in un campo elettrico. Un potenziale interfacciale è quindi definito come una carica situata al confine comune tra due fasi (ad esempio, un amminoacido come il glutammato sulla superficie di una proteina può avere la sua catena laterale acido carbossilico deprotonato in ambienti con pH maggiore di 4,1 per produrre un amminoacido carico in superficie, che creerebbe un potenziale interfacciale). Il potenziale interfacciale è responsabile della formazione del doppio strato elettrico, che ha una vasta gamma di applicazioni in quelli che vengono definiti fenomeni elettrocinetici . Di seguito viene descritto lo sviluppo della teoria del doppio strato elettrico.

Helmholtz

Il modello soprannominato "doppio strato elettrico" è stato introdotto per la prima volta da Hermann von Helmholtz . Si presume che una soluzione sia composta solo da elettroliti, non si verificano reazioni vicino all'elettrodo che potrebbero trasferire elettroni e che le uniche interazioni di Van der Waals siano presenti tra gli ioni in soluzione e l'elettrodo. Queste interazioni sorgono solo a causa della densità di carica associata all'elettrodo che deriva da un eccesso o da una carenza di elettroni sulla superficie dell'elettrodo. Per mantenere la neutralità elettrica la carica dell'elettrodo sarà bilanciata da una ridistribuzione di ioni vicino alla sua superficie. Gli ioni attratti formano così uno strato che bilancia la carica dell'elettrodo. La distanza più vicina che uno ione può raggiungere all'elettrodo sarà limitata al raggio dello ione più una singola sfera di solvatazione attorno a un singolo ione. Nel complesso, si osservano due strati di carica e una potenziale caduta dall'elettrodo al bordo dello strato esterno (piano di Helmholtz esterno). Data la descrizione di cui sopra, il modello di Helmholtz è equivalente in natura a un condensatore elettrico con due piastre di carica separate, per le quali si osserva una caduta di potenziale lineare a distanza crescente dalle piastre.
Il modello di Helmholtz, pur essendo una buona base per la descrizione dell'interfaccia, non tiene conto di diversi fattori importanti: diffusione / miscelazione in soluzione, possibilità di adsorbimento sulla superficie e interazione tra i momenti di dipolo del solvente e l'elettrodo.

Gouy-Chapman

Più strati di carica negativa si accumulano vicino a una superficie caricata positivamente per formare un doppio strato.

La teoria di Gouy-Chapman descrive l'effetto di una carica superficiale statica sul potenziale di una superficie. " Gouy ha suggerito che il potenziale interfacciale sulla superficie caricata potrebbe essere attribuito alla presenza di un numero di ioni di una data carica attaccati alla sua superficie, e ad un uguale numero di ioni di carica opposta nella soluzione." Una carica superficiale positiva formerà un doppio strato, poiché gli ioni negativi in ​​soluzione tendono a bilanciare la carica superficiale positiva. I controioni non sono tenuti rigidamente, ma tendono a diffondersi nella fase liquida fino a quando il contro potenziale creato dalla loro partenza limita questa tendenza. L'energia cinetica dei controioni influenzerà, in parte, lo spessore del doppio strato diffuso risultante. La relazione tra C, la concentrazione del controione in superficie e , la concentrazione del controione nella soluzione esterna, è il fattore di Boltzmann: ${\ displaystyle C_ {o}}$

${\ displaystyle C = C_ {0} e ^ {- ({\ frac {\ psi ze} {kT}})}}$

Dove z è la carica sullo ione, e è la carica di un protone, k è la costante di Boltzmann e ψ è il potenziale della superficie caricata.

Questo tuttavia è impreciso vicino alla superficie, perché presume che la concentrazione molare sia uguale all'attività. Si presume inoltre che gli ioni siano stati modellati come cariche puntuali e successivamente modificati. Un miglioramento di questa teoria, nota come teoria di Gouy-Chapman modificata, includeva la dimensione finita degli ioni rispetto alla loro interazione con la superficie sotto forma di un piano di avvicinamento più vicino.

Potenziale superficiale

La relazione tra carica superficiale e potenziale superficiale può essere espressa dall'equazione di Grahame, derivata dalla teoria di Gouy-Chapman assumendo la condizione di elettroneutralità, la quale afferma che la carica totale del doppio strato deve essere uguale al negativo della carica superficiale. Utilizzando l' equazione di Poisson unidimensionale e assumendo che, a una distanza infinitamente grande, il gradiente potenziale sia uguale a 0, si ottiene l'equazione di Grahame:

${\ displaystyle \ sigma = {\ sqrt {8c_ {0} \ epsilon \ epsilon _ {0} k_ {B} N_ {a} T}} \ sinh \ left ({\ frac {ze \ psi _ {0}} {2k_ {B} T}} \ right)}$

Per il caso di potenziali inferiori, può essere espanso a = , ed è definito come la lunghezza di Debye . Il che porta alla semplice espressione: ${\ displaystyle \ sinh (x)}$${\ displaystyle \ sinh (x)}$${\ displaystyle x + x ^ {3} / 3! + ...}$ ${\ displaystyle \ approx}$ ${\ displaystyle x}$${\ displaystyle \ lambda _ {D}}$

${\ displaystyle \ sigma = {\ frac {\ epsilon \ epsilon _ {0} \ psi _ {0}} {\ lambda _ {D}}}}$

Una sovrapposizione semplificata di più strati di ioni e potenziale elettrico con l'aumento della lunghezza di Debye. Il primo strato di ioni assorbiti è indicato come il piano interno di Helmholtz. Il prossimo è uno strato di controioni idratati non specificamente assorbiti che rappresentano un piano di Helmholtz esterno.

Poppa

Il modello Otto Stern del doppio strato è essenzialmente una combinazione delle teorie di Helmholtz e Gouy-Chapman. La sua teoria afferma che gli ioni hanno dimensioni finite, quindi non possono avvicinarsi alla superficie più vicino di pochi nanometri. Attraverso una distanza nota come Stern Layer, gli ioni possono essere adsorbiti sulla superficie fino a un punto denominato piano di scivolamento, dove gli ioni adsorbiti incontrano il liquido sfuso. Sul piano di slittamento il potenziale Ψ è diminuito a quello che è noto come potenziale zeta . Sebbene il potenziale zeta sia un valore intermedio, a volte è considerato più significativo del potenziale superficiale per quanto riguarda la repulsione elettrostatica.

Applicazioni

Le superfici caricate sono estremamente importanti e vengono utilizzate in molte applicazioni. Ad esempio, le soluzioni di grandi particelle colloidali dipendono quasi interamente dalla repulsione dovuta alla carica superficiale per rimanere disperse. Se queste forze repulsive dovessero essere interrotte, magari mediante l'aggiunta di un sale o di un polimero, le particelle colloidali non sarebbero più in grado di sostenere la sospensione e successivamente flocculerebbero .

Fenomeni elettrocinetici

Diagramma raffigurante l'elettroosmosi attraverso un capillare di vetro immerso in una soluzione acquosa.

I fenomeni elettrocinetici si riferiscono a una varietà di effetti risultanti da un doppio strato elettrico . Un esempio degno di nota è l' elettroforesi , in cui una particella carica sospesa in un mezzo si muoverà come risultato di un campo elettrico applicato. L'elettroforesi è ampiamente utilizzata in biochimica per distinguere le molecole, come le proteine, in base alle dimensioni e alla carica. Altri esempi includono l' elettroosmosi , il potenziale di sedimentazione e il potenziale di streaming .

Proteine

Le proteine hanno spesso gruppi presenti sulla loro superficie che possono essere ionizzati o deionizzati a seconda del pH, rendendo relativamente facile cambiare la carica superficiale di una proteina. Ciò ha ramificazioni particolarmente importanti sull'attività delle proteine ​​che funzionano come enzimi o canali di membrana, principalmente, che il sito attivo della proteina deve avere la giusta carica superficiale per poter legare uno specifico substrato.

Adesivi / rivestimenti

Le superfici caricate sono spesso utili per creare superfici che non assorbono determinate molecole (ad esempio, per prevenire l'adsorbimento delle proteine ​​di base, è necessario utilizzare una superficie caricata positivamente). I polimeri sono molto utili a questo riguardo in quanto possono essere funzionalizzati in modo da contenere gruppi ionizzabili, che servono a fornire una carica superficiale quando sono immersi in una soluzione acquosa.

Riferimenti