सतह प्रभार

भूतल आवेश एक द्वि-आयामी सतह है जिसमें गैर-शून्य विद्युत आवेश होता है। ये विद्युत आवेश इस 2-डी सतह पर विवश हैं, और सतह आवेश घनत्व, प्रति वर्ग मीटर कूलम्ब में मापा जाता है (C•m−2), का उपयोग सतह पर आवेश वितरण का वर्णन करने के लिए किया जाता है। विद्युत विभव एक सतही आवेश के आर-पार निरंतर कार्य करता है और विद्युत क्षेत्र विच्छिन्न है, लेकिन अनंत नहीं है; यह तब तक है जब तक कि सतह आवेश में द्विध्रुव परत न हो। इसकी तुलना में, संभावित और विद्युत क्षेत्र दोनों किसी बिंदु चार्ज या रैखिक चार्ज पर अलग हो जाते हैं।

भौतिकी में, संतुलन पर, एक आदर्श कंडक्टर के इंटीरियर पर कोई चार्ज नहीं होता है; इसके बजाय, कंडक्टर का संपूर्ण आवेश सतह पर रहता है। हालाँकि, यह केवल अनंत विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता के आदर्श मामले पर लागू होता है; एक वास्तविक चालक का अधिकांश आवेश चालक की सतह के त्वचा प्रभाव के भीतर रहता है। ढांकता हुआ सामग्री के लिए, बाहरी विद्युत क्षेत्र के आवेदन पर, सामग्री में धनात्मक आवेश और ऋणात्मक आवेश विपरीत दिशाओं में थोड़ा आगे बढ़ेंगे, जिसके परिणामस्वरूप बल्क बॉडी में ध्रुवीकरण घनत्व और सतह पर बाउंड चार्ज होता है।

रसायन विज्ञान में, कई अलग-अलग प्रक्रियाएं हैं जो एक सतह को आवेशित कर सकती हैं, जिसमें आयनों का सोखना, प्रोटोनेशन/डिप्रोटोनेशन और, जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, एक बाहरी विद्युत क्षेत्र का अनुप्रयोग शामिल है। भूतल आवेश एक विद्युत क्षेत्र का उत्सर्जन करता है, जो कण प्रतिकर्षण और आकर्षण का कारण बनता है, जिससे कई कोलाइडल गुण प्रभावित होते हैं। सतही आवेश व्यावहारिक रूप से हमेशा कण की सतह पर दिखाई देता है जब इसे द्रव में रखा जाता है। अधिकांश तरल पदार्थों में आयन, धनात्मक (धनायन) और ऋणात्मक (आयन) होते हैं। ये आयन वस्तु की सतह के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। इस बातचीत से उनमें से कुछ का सतह पर सोखना हो सकता है। यदि अधिशोषित धनायनों की संख्या अधिशोषित ऋणायनों की संख्या से अधिक हो जाती है, तो सतह पर शुद्ध धनात्मक विद्युत आवेश होगा।

सतह रासायनिक समूह का पृथक्करण (रसायन विज्ञान) एक अन्य संभावित क्रियाविधि है जो सतही आवेश की ओर ले जाती है।

घनत्व
सरफेस चार्ज डेंसिटी को विद्युत आवेश, क्यू की मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया है, जो दिए गए क्षेत्र की सतह पर मौजूद है, ए: $$\sigma=\frac{q}{A}$$

कंडक्टर
गॉस के नियम के अनुसार | गॉस के नियम के अनुसार, लागू धारा को ले जाने वाले संतुलन पर एक चालक के आंतरिक भाग पर कोई आवेश नहीं होता है। इसके बजाय, कंडक्टर का संपूर्ण आवेश सतह पर रहता है, और समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है: $$\sigma = E\varepsilon_0$$ जहाँ E चालक पर आवेश के कारण उत्पन्न विद्युत क्षेत्र है और $$\varepsilon_0$$ मुक्त स्थान की पारगम्यता है। यह समीकरण केवल असीम रूप से बड़े क्षेत्र वाले कंडक्टरों के लिए सटीक है, लेकिन यह एक अच्छा सन्निकटन प्रदान करता है यदि E को कंडक्टर की सतह से एक असीम रूप से छोटे यूक्लिडियन दूरी पर मापा जाता है।

कोलाइड्स और डूबी हुई वस्तुएं
जब किसी सतह को इलेक्ट्रोलाइट्स युक्त घोल में डुबोया जाता है, तो यह शुद्ध सतह आवेश विकसित करता है। यह अक्सर आयनिक सोखने के कारण होता है। जलीय घोलों में सार्वभौमिक रूप से धनात्मक और ऋणात्मक आयन (क्रमश: धनायन और ऋणायन) होते हैं, जो सतह पर आंशिक आवेशों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, सतह को सोखते हैं और इस प्रकार सतह को आयनित करते हैं और एक शुद्ध सतह आवेश बनाते हैं। इस शुद्ध आवेश के परिणामस्वरूप सतह की क्षमता [L] होती है, जिसके कारण सतह को काउंटर-आयनों के बादल से घिरा हुआ होता है, जो सतह से समाधान में फैलता है, और आम तौर पर कणों के बीच प्रतिकर्षण का परिणाम होता है। सामग्री में आंशिक आवेश जितना बड़ा होता है, उतने ही अधिक आयन सतह पर सोख लिए जाते हैं, और काउंटर-आयनों का बादल उतना ही बड़ा होता है। इलेक्ट्रोलाइट्स की उच्च सांद्रता वाला एक समाधान भी काउंटर-आयन क्लाउड के आकार को बढ़ाता है। इस आयन/काउंटरियन लेयर को डबल लेयर (इंटरफेसियल) के रूप में जाना जाता है। एक समाधान का पीएच भी सतह के आवेश को बहुत प्रभावित कर सकता है क्योंकि कणों की सतह पर मौजूद कार्यात्मक समूहों में अक्सर ऑक्सीजन या नाइट्रोजन हो सकते हैं, दो परमाणु जिन्हें चार्ज करने के लिए प्रोटोनेटेड या डिप्रोटोनेटेड किया जा सकता है। इस प्रकार, जैसे-जैसे हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता बदलती है, वैसे-वैसे कणों का सतही आवेश भी बदलता है। एक निश्चित पीएच पर, औसत सतही आवेश शून्य के बराबर होगा; इसे शून्य आवेश बिंदु (PZC) के रूप में जाना जाता है। आम पदार्थों और उनसे जुड़े PZCs की सूची दाईं ओर दिखाई गई है।

इंटरफेशियल क्षमता
एक इंटरफ़ेस को दो अलग-अलग चरणों के बीच गठित सामान्य सीमा के रूप में परिभाषित किया जाता है, जैसे ठोस और गैस के बीच। विद्युत क्षमता, या आवेश, किसी वस्तु की विद्युत क्षेत्र में स्थानांतरित होने की क्षमता का परिणाम है। इस प्रकार एक इंटरफैसिअल क्षमता को दो चरणों के बीच सामान्य सीमा पर स्थित चार्ज के रूप में परिभाषित किया जाता है (उदाहरण के लिए, एक प्रोटीन की सतह पर ग्लूटॉमिक अम्ल जैसे अमीनो एसिड में इसकी साइड चेन कार्बोक्जिलिक एसिड 4.1 से अधिक पीएच वाले वातावरण में अवक्षेपित हो सकती है। सतह पर एक आवेशित अमीनो एसिड उत्पन्न करता है, जो एक इंटरफेसियल क्षमता पैदा करेगा)। विद्युतीय दोहरी परत के निर्माण के लिए इंटरफैसिअल क्षमता जिम्मेदार है, जिसमें इलेक्ट्रोकाइनेटिक घटनाएं कहलाने वाले अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। इलेक्ट्रिक डबल लेयर के सिद्धांत का विकास नीचे वर्णित है।

हेल्महोल्ट्ज़
मॉडल को 'इलेक्ट्रिक डबल लेयर' करार दिया गया था जिसे सबसे पहले हरमन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ ने पेश किया था। यह मानता है कि एक समाधान केवल इलेक्ट्रोलाइट्स से बना है, इलेक्ट्रोड के पास कोई प्रतिक्रिया नहीं होती है जो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित कर सकती है, और केवल वैन डेर वाल का बल समाधान और इलेक्ट्रोड में आयनों के बीच मौजूद हैं। ये इंटरैक्शन केवल इलेक्ट्रोड से जुड़े चार्ज घनत्व के कारण उत्पन्न होते हैं जो इलेक्ट्रोड की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या कमी से उत्पन्न होते हैं। विद्युत तटस्थता बनाए रखने के लिए इलेक्ट्रोड के आवेश को उसकी सतह के करीब आयनों के पुनर्वितरण द्वारा संतुलित किया जाएगा। आकर्षित आयन इस प्रकार इलेक्ट्रोड के आवेश को संतुलित करने वाली एक परत बनाते हैं। एक आयन इलेक्ट्रोड के पास जितनी निकटतम दूरी तक आ सकता है, वह आयन की त्रिज्या और एक व्यक्तिगत आयन के चारों ओर एक सॉल्वैंशन क्षेत्र तक सीमित होगा। कुल मिलाकर, चार्ज की दो परतें और इलेक्ट्रोड से बाहरी परत (बाहरी हेल्महोल्ट्ज़ प्लेन) के किनारे तक एक संभावित गिरावट देखी जाती है। उपरोक्त विवरण को देखते हुए, हेल्महोल्ट्ज़ मॉडल दो अलग-अलग चार्ज प्लेटों के साथ एक संधारित्र के प्रकृति के बराबर है, जिसके लिए प्लेटों से बढ़ती दूरी पर एक रैखिक संभावित गिरावट देखी जाती है। हेल्महोल्त्ज़ मॉडल, जबकि इंटरफ़ेस के विवरण के लिए एक अच्छी नींव कई महत्वपूर्ण कारकों को ध्यान में नहीं रखती है: समाधान में प्रसार/मिश्रण, सतह पर सोखने की संभावना और विलायक द्विध्रुवीय क्षणों और इलेक्ट्रोड के बीच बातचीत।

गौई-चैपमैन
गौई-चैपमैन सिद्धांत सतह की क्षमता पर स्थिर सतह आवेश के प्रभाव का वर्णन करता है। लुई जॉर्जेस गौई ने सुझाव दिया कि आवेशित सतह पर इंटरफेशियल क्षमता को इसकी सतह से जुड़े कई आयनों की उपस्थिति और समाधान में विपरीत चार्ज के समान संख्या में आयनों की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। एक सकारात्मक सतह आवेश एक दोहरी परत बनाएगा, क्योंकि समाधान में नकारात्मक आयन सकारात्मक सतह आवेश को संतुलित करते हैं। काउंटर आयन कठोर रूप से आयोजित नहीं होते हैं, लेकिन तरल चरण में फैल जाते हैं जब तक कि उनके प्रस्थान द्वारा स्थापित काउंटर क्षमता इस प्रवृत्ति को प्रतिबंधित नहीं करती। काउंटर आयनों की गतिज ऊर्जा, भाग में, परिणामी विसरित दोहरी परत की मोटाई को प्रभावित करेगी। सी के बीच संबंध, सतह पर काउंटर आयन एकाग्रता, और $$C_o$$, बाहरी समाधान में काउंटर आयन एकाग्रता, बोल्टज़मान कारक है: $$C = C_0 e^{-\frac{\psi z e}{k_\mathrm{B} T}}$$ जहाँ z आयन पर आवेश है, e प्रोटॉन का आवेश है, kB बोल्ट्जमैन स्थिरांक है और ψ आवेशित सतह की क्षमता है।

हालांकि यह सतह के करीब गलत है, क्योंकि यह मानता है कि दाढ़ की एकाग्रता गतिविधि के बराबर है। यह भी मानता है कि आयनों को बिंदु आवेशों के रूप में प्रतिरूपित किया गया था और बाद में संशोधित किया गया था। संशोधित गौई-चैपमैन सिद्धांत के रूप में जाना जाने वाला इस सिद्धांत का एक सुधार, निकटतम दृष्टिकोण के विमान के रूप में सतह के साथ उनकी बातचीत के संबंध में आयनों के परिमित आकार को शामिल करता है।

सतह की क्षमता
सतह के आवेश और सतह की क्षमता के बीच के संबंध को ग्राह्म समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जो गौई-चैपमैन सिद्धांत से इलेक्ट्रोन्यूट्रलिटी की स्थिति को मानते हुए प्राप्त किया गया है, जिसमें कहा गया है कि दोहरी परत का कुल आवेश सतह के आवेश के ऋणात्मक के बराबर होना चाहिए। एक आयामी पोइसन के समीकरण का उपयोग करना और यह मानते हुए कि, असीम रूप से बड़ी दूरी पर, संभावित प्रवणता 0 के बराबर है, ग्राहम समीकरण प्राप्त होता है: $$\sigma = \sqrt{8 c_0 \varepsilon \varepsilon_0 k_\mathrm{B} N_a T} \sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_\mathrm{B} T}\right)$$ कम क्षमता के मामले में, $$\sinh(x)$$ तक विस्तारित किया जा सकता है $$\sinh(x) = x + x^3/3!+\cdots$$ $$\approx$$ $$x$$, तथा $$\lambda_D$$ डेबी लंबाई के रूप में परिभाषित किया गया है। जो सरल अभिव्यक्ति की ओर ले जाता है: $$\sigma=\frac{\varepsilon \varepsilon_0 \psi_0}{\lambda_D}$$



स्टर्न
दोहरी परत का ओटो स्टर्न मॉडल अनिवार्य रूप से हेल्महोल्ट्ज़ और गौई-चैपमैन सिद्धांतों का संयोजन है। उनके सिद्धांत में कहा गया है कि आयनों का आकार सीमित होता है, इसलिए वे सतह पर कुछ नैनोमीटर से अधिक निकट नहीं आ सकते हैं। स्टर्न लेयर के रूप में जानी जाने वाली दूरी के माध्यम से, आयनों को सतह पर फिसलने वाले विमान के रूप में संदर्भित एक बिंदु तक सोख लिया जा सकता है, जहां आयनों को थोक तरल से मिलते हैं। स्लिपिंग प्लेन में संभावित Ψ घटकर जीटा क्षमता के रूप में जाना जाता है। हालांकि जीटा क्षमता एक मध्यवर्ती मूल्य है, जहां तक ​​​​इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण का संबंध है, इसे कभी-कभी सतह की क्षमता से अधिक महत्वपूर्ण माना जाता है।

अनुप्रयोग
चार्ज की गई सतहें अत्यंत महत्वपूर्ण हैं और कई अनुप्रयोगों में उपयोग की जाती हैं। उदाहरण के लिए, बड़े कोलाइडल कणों के समाधान लगभग पूरी तरह से सतह के आवेश के कारण प्रतिकर्षण पर निर्भर करते हैं ताकि वे बिखरे रहें। यदि इन प्रतिकारक शक्तियों को बाधित किया जाना था, शायद नमक या बहुलक के अतिरिक्त, कोलाइडियल कण अब निलंबन को बनाए रखने में सक्षम नहीं होंगे और बाद में flocculation करेंगे।

विद्युतगतिकी घटना
इलेक्ट्रोकाइनेटिक घटना एक डबल लेयर (इंटरफेसियल) से उत्पन्न होने वाले विभिन्न प्रभावों को संदर्भित करती है। एक उल्लेखनीय उदाहरण वैद्युतकणसंचलन है, जहां एक मीडिया में निलंबित आवेशित कण एक लागू विद्युत क्षेत्र के परिणामस्वरूप गति करेगा। वैद्युतकणसंचलन व्यापक रूप से आकार और आवेश के आधार पर प्रोटीन जैसे अणुओं को अलग करने के लिए जैव रसायन में उपयोग किया जाता है। अन्य उदाहरणों में विद्युत असमस, अवसादन क्षमता और स्ट्रीमिंग क्षमता शामिल हैं।

प्रोटीन
प्रोटीन में अक्सर उनकी सतहों पर मौजूद समूह होते हैं जिन्हें पीएच के आधार पर आयनित या विआयनीकृत किया जा सकता है, जिससे प्रोटीन के सतही आवेश को बदलना अपेक्षाकृत आसान हो जाता है। प्रोटीन की गतिविधि पर इसका विशेष रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है जो एंजाइम या झिल्ली चैनलों के रूप में कार्य करता है, मुख्य रूप से, प्रोटीन की सक्रिय साइट में एक विशिष्ट सब्सट्रेट को बाँधने में सक्षम होने के लिए सही सतह आवेश होना चाहिए।

चिपकने/कोटिंग्स
आवेशित सतहें अक्सर ऐसी सतहें बनाने में उपयोगी होती हैं जो कुछ अणुओं को सोख नहीं पाएंगी (उदाहरण के लिए, बुनियादी प्रोटीनों के सोखने को रोकने के लिए, एक सकारात्मक रूप से आवेशित सतह का उपयोग किया जाना चाहिए)। पॉलिमर इस संबंध में बहुत उपयोगी हैं कि उन्हें क्रियाशील किया जा सकता है ताकि उनमें आयनीकरणीय समूह हों, जो एक जलीय घोल में डूबे रहने पर एक सतह आवेश प्रदान करने का काम करते हैं।