등전점

3. 세라믹 재료의 등전점

금속 산화물 세라믹의 등전점(IEP)은 재료 과학에서 수성 공정 단계(합성, 변형 등)를 이해하고 조절하는 데 중요한 역할을 한다.^[15] 화학 흡착 또는 물리 흡착 종이 없는 상태에서, 수용액 내 입자 표면은 일반적으로 표면 수산화 종 M-OH (M은 Al, Si 등과 같은 금속)로 덮여 있는 것으로 간주된다.^[15] IEP보다 높은 pH 값에서는 주된 표면 종은 M-O⁻이며, IEP보다 낮은 pH 값에서는 M-OH₂⁺ 종이 주를 이룬다.^[16][17]

다음은 일반적인 세라믹 재료들의 대략적인 등전점(IEP) 값이다.^[16][17]

위 표의 값은 25°C 물에서의 등전점을 나타낸다. 실제 등전점은 순도, 상(phase)과 같은 재료 요인과 온도와 같은 물리적 변수에 따라 크게 달라질 수 있다. 또한, 등전점 측정은 어려울 수 있어, 자료마다 다른 값이 제시되기도 한다.

혼합 산화물은 각 순수 산화물의 등전점 값 사이의 값을 나타내는 경향이 있다. 예를 들어, 합성된 비정질 알루미노규산염(Al₂O₃-SiO₂)의 IEP는 초기에 4.5로 측정되었는데, 이는 표면의 전기역학적 거동을 지배하는 표면 Si-OH 종 때문으로 설명된다.^[24] 다른 연구에서는 3Al₂O₃-2SiO₂에 대해 6~8 사이의 더 높은 IEP 값이 보고되기도 했다.^[20] 티탄산 바륨(BaTiO₃)의 IEP는 5–6 범위로 보고되었지만,^[20] 다른 연구에서는 3의 값을 얻었다.^[25] 이산화 티타늄(TiO₂)과 지르코니아(ZrO₂) 혼합물은 %(ZrO₂)에 따라 5.3–6.9 사이에서 비선형적으로 변화하는 등전점을 갖는 것으로 나타났다.^[26] 혼합 산화물의 표면 전하는 산도와 관련이 있는데, 티타니아 함량이 높을수록 루이스 산도가 증가하고, 지르코니아 함량이 높은 산화물은 브뢴스테드 산도를 나타냈다. 이러한 산도 유형의 차이는 이온 흡착 속도와 용량 차이를 유발했다.

4. 영전하점과의 비교

등전점(IEP)과 영전하점(PZC)은 흔히 같은 의미로 사용되지만, 특정 상황에서는 구분하는 것이 유용하다.

H⁺/OH^-가 계면 전위 결정 이온인 시스템에서 영전하점은 pH로 표시된다. 표면의 순 전기 전하가 중성인 pH는 표면의 영전하점이다. 전기 운동 현상에서는 보통 제타 전위를 측정하는데, 제타 전위가 0이면 전단면에서 순 전하가 0인 지점으로 해석된다. 이를 등전점이라고 한다.^[27] 따라서 등전점은 콜로이드 입자가 전기장 안에서 정지 상태를 유지하는 pH 값이다. 등전점은 입자 표면의 영전하점과 다소 차이가 있을 것으로 예상되지만, 소위 순수한 표면, 즉 특정 흡착된 양전하 또는 음전하가 없는 표면의 경우에는 그 차이가 무시되기도 한다.^[15] 여기서 특정 흡착은 스턴 층 또는 화학 흡착에서 일어나는 흡착을 뜻한다. 그러므로 표면에 특정 흡착이 없다면 표면의 영전하점은 등전점과 같다고 볼 수 있다.

졸리베(Jolivet)에 따르면,^[28] 양전하 또는 음전하가 없을 때는 표면을 영전하점으로 설명하는 것이 가장 적절하다. 양전하와 음전하가 모두 같은 양으로 존재한다면, 이것이 바로 등전점이다. 즉, PZC는 표면에 전하가 없는 상태를, IEP는 순 표면 전하가 중성인 상태를 의미한다. 이 둘의 차이는 순 전하가 0인 지점에서 하전된 부위의 양이다. 졸리베는 고유 표면 평형 상수 p''K''^-와 p''K''⁺를 사용하여 두 조건을 하전된 부위의 상대적 수로 정의한다.

:$\backslash mathrm\{p\}K^-\; -\; \backslash mathrm\{p\}K^+\; =\; \backslash Delta\; \backslash mathrm\{p\}K\; =\; \backslash log\; \{\backslash frac\{\backslash left[\backslash mathrm\{MOH\}\backslash right]^2\}\{\backslash left[\backslash mathrm\{MOH\}\{\_2^+\}\backslash right]\backslash left[\backslash mathrm\{MO\}^-\backslash right]\}\}$

졸리베에 따르면, Δp''K'' 값이 큰 경우(>4)에는 주된 종이 MOH이며 하전된 종은 상대적으로 적어 PZC가 관련된다. 반면 Δp''K'' 값이 작다면, 대략 같은 수의 많은 하전된 종이 존재하므로 IEP를 고려해야 한다.

참조

_[1] 문서
_[2] 간행물 isoelectric point in electrophoresis
_[3] 논문 Protein Separation Techniques http://www.meatscien[...] 1983
_[4] 문서
_[5] 논문 On the Number of Water Molecules Necessary To Stabilize the Glycine Zwitterion https://pubs.acs.org[...] 1995-08
_[6] 논문 The focusing positions of polypeptides in immobilized pH gradients can be predicted from their amino acid sequences 1993-10-01
_[7] 논문 A versatile peptide pI calculator for phosphorylated and N-terminal acetylated peptides experimentally tested using peptide isoelectric focusing 2008-12-01
_[8] 논문 ExPASy: the proteomics server for in-depth protein knowledge and analysis 2003-07-01
_[9] 논문 Calculation of the isoelectric point of tryptic peptides in the pH 3.5–4.5 range based on adjacent amino acid effects 2008-07-01
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_[11] 논문 IPC - Isoelectric Point Calculator.
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_[14] 논문 Proteome-pI: proteome isoelectric point database.
_[15] 논문 The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO_2
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_[19] 논문 Anodic Aqueous Electrophoretic Deposition of Titanium Dioxide Using Carboxylic Acids as Dispersing Agents https://arxiv.org/ft[...] 2011
_[20] 논문 Colloidal Processing of Ceramics
_[21] 논문 Electrochemistry of cytochrome c: influence of coulombic attraction with indium tin oxide electrode
_[22] 논문 Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3
_[23] 서적 Chemical Properties of Material Surfaces Marcel Dekker
_[24] 논문 Studies of the surface charge of amorphous aluminosilicates using surface complexation models
_[25] 논문 Controlled structure copolymers for the dispersion of high-performance ceramics in aqueous media
_[26] 논문 Template Synthesis and Adsorption Properties of Hierarchically Porous Zirconium Titanium Oxides
_[27] 서적 Physical Chemistry of Surfaces John Wiley and Sons
_[28] 서적 Metal Oxide Chemistry and Synthesis. From Solution to Solid State John Wiley & Sons Ltd.