Una carga superficial es una carga eléctrica presente en una superficie bidimensional. Estas cargas eléctricas están limitadas en esta superficie bidimensional, y la densidad de carga superficial , medida en culombios por metro cuadrado (C•m −2 ), se utiliza para describir la distribución de carga en la superficie. El potencial eléctrico es continuo a través de una carga superficial y el campo eléctrico es discontinuo , pero no infinito; esto es así a menos que la carga superficial consista en una capa dipolar . En comparación, tanto el potencial como el campo eléctrico divergen en cualquier carga puntual o carga lineal.
En física , en equilibrio, un conductor ideal no tiene carga en su interior; en cambio, la totalidad de la carga del conductor reside en la superficie. Sin embargo, esto solo se aplica al caso ideal de conductividad eléctrica infinita ; la mayor parte de la carga de un conductor real reside dentro de la profundidad de la superficie del conductor. Para los materiales dieléctricos , al aplicar un campo eléctrico externo, [1] las cargas positivas y negativas en el material se moverán ligeramente en direcciones opuestas, lo que dará como resultado una densidad de polarización en el cuerpo en masa y una carga ligada en la superficie.
En química , existen muchos procesos diferentes que pueden provocar que una superficie se cargue, entre ellos la adsorción de iones, la protonación o desprotonación y, como se mencionó anteriormente, la aplicación de un campo eléctrico externo. La carga superficial emite un campo eléctrico que provoca la repulsión y atracción de partículas, lo que afecta a muchas propiedades coloidales . [2]
La carga superficial prácticamente siempre aparece en la superficie de la partícula cuando se coloca en un fluido . La mayoría de los fluidos contienen iones , positivos ( cationes ) y negativos ( aniones ). Estos iones interactúan con la superficie del objeto. Esta interacción puede provocar la adsorción de algunos de ellos en la superficie. Si el número de cationes adsorbidos supera el número de aniones adsorbidos, la superficie tendría una carga eléctrica neta positiva.
La disociación del grupo químico de la superficie es otro posible mecanismo que conduce a la carga superficial.
La densidad de carga superficial se define como la cantidad de carga eléctrica , q, que está presente en una superficie de un área determinada, A : [3] [ cita completa necesaria ]
Según la ley de Gauss , un conductor en equilibrio al que se aplica una corriente no tiene carga en su interior. En cambio, la totalidad de la carga del conductor reside en la superficie, y puede expresarse mediante la ecuación: donde E es el campo eléctrico causado por la carga en el conductor y es la permitividad del espacio libre. Esta ecuación solo es estrictamente precisa para conductores con un área infinitamente grande, pero proporciona una buena aproximación si E se mide a una distancia euclidiana infinitesimalmente pequeña desde la superficie del conductor. [4]
Cuando una superficie se sumerge en una solución que contiene electrolitos , desarrolla una carga superficial neta. Esto se debe a menudo a la adsorción iónica. Las soluciones acuosas contienen universalmente iones positivos y negativos ( cationes y aniones , respectivamente), que interactúan con cargas parciales en la superficie, adsorbiéndose y, por lo tanto, ionizándose en la superficie y creando una carga superficial neta. [9] Esta carga neta da como resultado un potencial de superficie [L], que hace que la superficie esté rodeada por una nube de contraiones, que se extiende desde la superficie hacia la solución, y también generalmente da como resultado una repulsión entre partículas. Cuanto mayores sean las cargas parciales en el material, más iones se adsorben a la superficie y mayor es la nube de contraiones. Una solución con una mayor concentración de electrolitos también aumenta el tamaño de la nube de contraiones. Esta capa de iones/contraiones se conoce como doble capa eléctrica . [10]
El pH de una solución también puede afectar en gran medida la carga superficial, ya que los grupos funcionales presentes en la superficie de las partículas a menudo pueden contener oxígeno o nitrógeno, dos átomos que pueden protonarse o desprotonarse para cargarse. Por lo tanto, a medida que cambia la concentración de iones de hidrógeno, también lo hace la carga superficial de las partículas. A un cierto pH, la carga superficial promedio será igual a cero; esto se conoce como el punto de carga cero (PZC). [2] A la derecha se muestra una lista de sustancias comunes y sus PZC asociados.
Una interfaz se define como el límite común formado entre dos fases diferentes, como por ejemplo entre un sólido y un gas. [2] El potencial eléctrico , o carga, es el resultado de la capacidad de un objeto de moverse en un campo eléctrico. Un potencial interfacial se define así como una carga situada en el límite común entre dos fases (por ejemplo, un aminoácido como el glutamato en la superficie de una proteína puede tener su ácido carboxílico de cadena lateral desprotonado en entornos con pH superior a 4,1 para producir un aminoácido cargado en la superficie, lo que crearía un potencial interfacial). El potencial interfacial es responsable de la formación de la doble capa eléctrica, que tiene una amplia gama de aplicaciones en lo que se denomina fenómenos electrocinéticos . El desarrollo de la teoría de la doble capa eléctrica se describe a continuación.
El modelo denominado "doble capa eléctrica" fue introducido por primera vez por Hermann von Helmholtz . Supone que una solución está compuesta únicamente de electrolitos, que no se producen reacciones cerca del electrodo que puedan transferir electrones y que las únicas interacciones de Van der Waals están presentes entre los iones en solución y el electrodo. Estas interacciones surgen únicamente debido a la densidad de carga asociada con el electrodo, que surge de un exceso o deficiencia de electrones en la superficie del electrodo. Para mantener la neutralidad eléctrica, la carga del electrodo se equilibrará mediante una redistribución de iones cerca de su superficie. Los iones atraídos forman así una capa que equilibra la carga del electrodo. La distancia más cercana que puede llegar un ion al electrodo estará limitada al radio del ion más una única esfera de solvatación alrededor de un ion individual. En general, se observan dos capas de carga y una caída de potencial desde el electrodo hasta el borde de la capa exterior (plano exterior de Helmholtz). Teniendo en cuenta la descripción anterior, el modelo de Helmholtz es equivalente en naturaleza a un condensador eléctrico con dos placas de carga separadas, para el cual se observa una caída de potencial lineal a medida que aumenta la distancia desde las placas.
El modelo de Helmholtz, si bien es una buena base para la descripción de la interfaz, no tiene en cuenta varios factores importantes: difusión/mezcla en solución, la posibilidad de adsorción en la superficie y la interacción entre los momentos dipolares del disolvente y el electrodo. [11]
La teoría de Gouy-Chapman describe el efecto de una carga superficial estática sobre el potencial de una superficie. [12] " Gouy sugirió que el potencial interfacial en la superficie cargada podría atribuirse a la presencia de un número de iones de carga dada unidos a su superficie, y a un número igual de iones de carga opuesta en la solución". [13] Una carga superficial positiva formará una doble capa, ya que los iones negativos en solución tienden a equilibrar la carga superficial positiva. Los contraiones no se mantienen rígidamente, sino que tienden a difundirse en la fase líquida hasta que el contrapotencial establecido por su salida restrinja esta tendencia. La energía cinética de los contraiones afectará, en parte, el espesor de la doble capa difusa resultante. La relación entre C, la concentración de contraiones en la superficie, y , la concentración de contraiones en la solución externa, es el factor de Boltzmann: donde z es la carga del ion, e es la carga de un protón, k B es la constante de Boltzmann y ψ es el potencial de la superficie cargada.
Sin embargo, esto es inexacto cerca de la superficie, porque supone que la concentración molar es igual a la actividad. También supone que los iones se modelaron como cargas puntuales y luego se modificó. Una mejora de esta teoría, conocida como la teoría de Gouy-Chapman modificada, incluyó el tamaño finito de los iones con respecto a su interacción con la superficie en forma de un plano de aproximación más cercano. [14]
La relación entre la carga superficial y el potencial superficial se puede expresar mediante la ecuación de Grahame, derivada de la teoría de Gouy-Chapman asumiendo la condición de electroneutralidad, que establece que la carga total de la doble capa debe ser igual al negativo de la carga superficial. Utilizando la ecuación unidimensional de Poisson y suponiendo que, a una distancia infinitamente grande, el gradiente de potencial es igual a 0, se obtiene la ecuación de Grahame: [2]
Para el caso de potenciales más bajos, se puede expandir a , y se define como la longitud de Debye . Lo que conduce a la expresión simple:
El modelo de Otto Stern de la doble capa es esencialmente una combinación de las teorías de Helmholtz y Gouy-Chapman. Su teoría establece que los iones tienen un tamaño finito, por lo que no pueden acercarse a la superficie a menos de unos pocos nanómetros. A través de una distancia conocida como la capa de Stern, los iones pueden adsorberse sobre la superficie hasta un punto denominado plano de deslizamiento, donde los iones adsorbidos se encuentran con el líquido en masa. En el plano de deslizamiento, el potencial Ψ ha disminuido a lo que se conoce como potencial zeta . Aunque el potencial zeta es un valor intermedio, a veces se considera que es más significativo que el potencial de superficie en lo que respecta a la repulsión electrostática. [2]
Las superficies cargadas son extremadamente importantes y se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, las soluciones de partículas coloidales grandes dependen casi por completo de la repulsión debida a la carga superficial para permanecer dispersas. [15] Si se interrumpieran estas fuerzas repulsivas, tal vez mediante la adición de una sal o un polímero, las partículas coloidales ya no podrían mantener la suspensión y, posteriormente, flocularían . [16]
Los fenómenos electrocinéticos se refieren a una variedad de efectos resultantes de una doble capa eléctrica . Un ejemplo notable es la electroforesis , donde una partícula cargada suspendida en un medio se moverá como resultado de un campo eléctrico aplicado. [17] La electroforesis se usa ampliamente en bioquímica para distinguir moléculas, como las proteínas, en función del tamaño y la carga. Otros ejemplos incluyen la electroósmosis , el potencial de sedimentación y el potencial de transmisión . [2]
Las proteínas suelen tener grupos presentes en sus superficies que pueden ionizarse o desionizarse dependiendo del pH, lo que hace que sea relativamente fácil cambiar la carga superficial de una proteína. Esto tiene ramificaciones particularmente importantes en la actividad de las proteínas que funcionan como enzimas o canales de membrana, principalmente, que el sitio activo de la proteína debe tener la carga superficial adecuada para poder unirse a un sustrato específico. [18]
Las superficies cargadas suelen ser útiles para crear superficies que no adsorban ciertas moléculas (por ejemplo, para evitar la adsorción de proteínas básicas, se debe utilizar una superficie con carga positiva). Los polímeros son muy útiles en este sentido, ya que se pueden funcionalizar de modo que contengan grupos ionizables, que sirven para proporcionar una carga superficial cuando se sumergen en una solución acuosa. [19]
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