表面电荷密度

表面电荷密度（σ）定义为界面单位面积上所带的净电荷量，通常用于描述固体表面（如电极、胶体粒子）在液相环境中的带电性质。其单位为库仑/平方米（C/m²）。

1. 电荷来源与形成机制

   • 表面电荷可通过多种机制产生：
     • 电离作用：如二氧化硅表面硅醇基（Si–OH）在碱性环境中解离为SiO⁻，使表面带负电。
     • 离子吸附：表面选择性吸附溶液中的特定离子（如H⁺、OH⁻、表面活性剂离子）。
     • 晶格缺陷：离子晶体（如AgI）因晶格中阳离子或阴离子的缺失而带电。

2. 双电层结构与电荷平衡

   • 为维持电中性，表面电荷会吸引溶液中带相反电荷的离子（反离子），形成双电层。其结构分为：
     • 内亥姆霍兹层：紧贴表面的吸附离子（包括部分水合离子）。
     • 外亥姆霍兹层：通过静电作用定向排列的溶剂化离子。
     • 扩散层：受热运动影响而分布渐疏的反离子区域。

3. 表面电荷密度的定量描述

   • 对于平行板电容器模型，表面电荷密度与表面电位ψ₀的关系为：

\[ σ = \frac{\varepsilon_r \varepsilon_0}{δ} ψ₀ \]

 其中εᵣ为介质相对介电常数，ε₀为真空介电常数，δ为双电层有效厚度。  

• 实际体系中需通过古依-查普曼理论或泊松-玻尔兹曼方程计算扩散层电荷分布。

4. 测量与影响因素

   • 常用电位滴定或电泳法（通过Zeta电位间接推算）测量σ。
   • 影响因素包括：
     • pH值（影响表面基团解离）。
     • 离子强度（高离子强度压缩双电层，降低有效σ）。
     • 特异性吸附（如多价离子可能使电荷反转）。

5. 应用场景

   • 胶体稳定性：高表面电荷密度通过静电斥力抑制聚沉。
   • 电化学界面：电极表面σ控制双电层电容及反应速率。
   • 膜分离技术：荷电膜通过Donnan效应选择性分离离子。