重庆交通大学表面物理化学

1、第7章带电界面，7-1双电层7-2动电现象7-3动电理论，第7章带电界面，7-1双电层，界面带电原因，双电层，平板模型，扩散双电层模型，斯特恩模型，7-1双电层，定义：双电层由带电表面(表层)和极性介质中的剩余抗衡离子组成。在固液界面上，通常有两个电子双电层，它们具有相反的电学性质，在固体表面附近的液体中有相同的电荷。过剩抗衡离子：指中和同一离子后过剩的抗衡离子。它分散在介质中。7-1双电层，形成：在极性介质中，表面电荷影响其附近的离子分布。带相反电荷的离子(抗衡离子)被表面吸引，而带相同电荷的离子(相同离子)被排斥并离开表面。这种运动，加上热运动，形成了一个双电层。1.界面带电的原因1。电离

2、对于可能发生电离的物质，表面带电主要是由电离本身引起的。例如，硅胶颗粒是二氧化硅的多分子聚集体，并且二氧化硅在表面上生成H2SiO3，H2sio 3是弱酸并且部分电离二氧化硅离子。例如，蛋白质分子中有许多羧基和氨基，它们在高酸碱度的溶液中离解成磷酸根离子，并带负电荷；在低酸碱度的溶液中，会产生磷-氨离子并带正电。在一定的pH条件下，产生的-COO-和-NH3的量相等，蛋白质分子的净电荷为零，称为蛋白质的等电点。2.离子吸附有些物质，如石墨和纤维，不能在水中离解，但能从水或水溶胶中吸附氢、氢氧或其他离子，从而使颗粒表面带电。许多溶胶电荷经常属于这一类。溶胶粒子(胶体核)是多分子聚集体，它与介质有

3、巨大的界面和大的表面能，并能选择性地将离子作为稳定剂吸附到界面上。在胶体粒子的形成过程中，胶体核优先吸附某些离子以使胶体粒子带电。例如，在AgI溶胶的制备过程中，如果硝酸银过量，胶体核优先吸附银离子，使胶体粒子带正电；如果KI过量，离子优先被吸附，胶体粒子带负电荷。Fajans规则：与溶胶粒子元素相同的离子优先被吸附。实验表明，与溶胶颗粒组成相同的离子优先被吸附。在没有与溶胶颗粒组成相同的离子的情况下，胶体颗粒通常首先吸收水合能力弱的阴离子，而水合能力强的阳离子留在溶液中，因此带负电荷的胶体颗粒通常占大多数。3.离子的不平衡溶解当离子固体电解质形成溶胶时，由于正离子和负离子的不同溶解，胶体粒子

4、带电。例如，当用碘化银来制备溶胶时，由于银较小且扩散较快，因此比碘更容易从固体表面脱离并进入溶液，从而使碘化银胶体颗粒带负电。在晶格取代的粘土颗粒中，晶格中的Al3被Ca2和Mg2取代，这使得粘土晶格带负电。为了保持电中性，一些正离子必须被吸附在粘土表面，这些正离子由于水合作用而离开表面并形成双电层。晶格取代是粘土颗粒带电的主要原因。第二，当固体与液体接触时，可以是固体选择性地从溶液中吸附某些离子，或者固体分子本身电离使离子进入溶液，从而使固相和液相分别具有不同的电荷符号，并且在界面上形成双电层结构。平面模型是赫尔姆霍尔兹在1879年首次提出的；Gouy在1910年和Chapman在1913年

5、修正了板模型，提出了扩散电双层模型；后来，斯特恩在1924年提出了斯特恩模型。双电层平板模型(由亥姆霍兹于1879年提出):正负离子整齐地排列在界面层的两侧，而电荷分布就像平行板电容器，两层之间的距离很小，这相当于离子半径。1、平板型，整个双电层的厚度为。固体表面和液体内部的总电势差等于热力学势0，在双电层中热力学势线性下降。在电场的作用下，溶液中的带电粒子和反离子分别向相反的方向运动。这个模型太简单了，而且由于离子的热运动，不可能形成平板电容器。与实际情况也有许多矛盾，例如带电粒子的表面电位0与粒子运动时固液两相相对运动产生的电位差(电动势能)之间的差异，电解质对电位的影响无法解释。电双层、

6、扩散电双层模型(由Guyi于1910年和Chapman于1913年提出)。溶液中的反离子应该以扩散状态分布，而不是排列在一个平面上。2.扩散双电层模型，由致密层和扩散层组成。移动切面是AB平面。古伊和查普曼认为，由于正负离子的静电吸引和热运动，溶液中只有一部分反离子在固体表面附近紧密放电，而一两个离子分开的厚度称为致密层；另一部分离子按照一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，离子的分布可以用玻尔兹曼公式表示，称为扩散层。古伊和查普曼假设，在粒子表面可视为无限平面、表面电荷分布均匀、溶剂的介电常数处处相同的条件下，离表面一定距离x处的电位与表面电位0之间的关系服从3360，而玻尔兹曼定律：=0。E-X

7、公式中的倒数具有双电层厚度的含义。虽然该模型提出了扩散层的概念，并提出了0和势的区别，但它并没有给势一个更清晰的物理意义。未考虑抗衡离子的吸附和离子的溶剂化，未能反映界面致密层的存在。1924年，斯特恩进一步修改了扩散电双层模型。根据模型，溶液一侧的带电层分为两部分：致密层和扩散层。他认为吸附在固体表面的致密层的厚度约为1 2个分子层，这就是后来所说的斯特恩层。在致密层中，由相反符号离子的电中心形成的平面称为斯特恩平面。电双层，3，斯特恩模型，由于离子的溶剂化，当胶体粒子移动时，致密层将与一定数量的溶剂分子一起移动，因此滑动切面(滑动面)由比斯特恩层略右的曲线表示。从固体表面到船尾平面，电势从

8、0到0线性下降。是船尾平面上的电势，叫做船尾电势。切平面和解体之间的电势差叫做势。双电层，双电层，等电点：当电解质浓度增加时，介质中的抗衡离子浓度增加，更多的抗衡离子进入滑动面，使扩散层变薄，电位值变小。当电解质浓度足够大时，电势可以为零。此时的状态称为等电点。等电点的粒子不带电，电泳和电渗的速度必须为零，所以溶胶很容易下沉。电势只有在固液两相相对运动时才会出现。电势的大小反映了胶体粒子的带电程度。电势越高，扩散层越厚。在斯特恩模型中，具有溶剂化层的滑移界面与溶液之间的电势差称为电势。在扩散双电层模型中，切向平面AB与溶液体之间的电势差是电势；电势总是低于热力学电势，添加电解质会使电势变小，甚

9、至改变符号。只有当粒子运动时，它才显示出电势，所以它也被称为电动电势。当带电固体或胶体粒子运动时，运动切面和液体之间的电势差称为电动势能。动电势也称为电势。7-因为胶体粒子是带电的，而溶胶是电中性的，所以介质的电荷与胶体粒子相反。在外电场的作用下，胶体粒子和介质分别向电荷相反的电极移动，从而产生电驱动的电泳和电渗的电动现象。1.电泳，电泳：(电泳):)在外部电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。电泳显示胶体粒子带电。图中，氢氧化铁溶胶在电场的作用下向阴极移动，证明氢氧化铁胶体粒子带正电。胶体电泳证明胶体粒子是带电的。实验还证明，如果向溶胶中加入电解质，将对电泳产生显著影响。随着电解

10、质添加量的增加，电泳速度往往会降低甚至为零，而且电解质的添加还会改变胶体粒子的带电符号。电泳，电泳测量，1。图中显示了太氏电泳仪和太氏电泳仪的纵向和横向剖视图。可以沿aa 、bb 和cc 水平滑动。在实验开始时，从bb中取出上部，用溶胶填充下部A和B，然后将上部移至其原始位置，用C填充超滤液，在bb处有清晰的界面。打开DC电源，在电泳过程中可以清楚地观察到界面的移动。从而可以判断胶体粒子携带电荷并测量电泳速度。电泳：首先，将待测溶胶放入漏斗中，U型管下部的活塞内径与管径相同。实验开始时，打开底部活塞，使溶胶进入U形管，当液面略高于左右活塞时，关闭底部活塞，吸走多余的溶胶。向管道中加入分散介质，

11、使两臂的液位等于高度。2.界面移动电泳仪，电泳，在实验过程中，将电极插入辅助液中，打开电源，然后小心打开活塞，开始观察分散体系与辅助液界面的移动方向和相对速度，从而确定分散体系中粒子的电荷符号和电动势。如果被测系统是有色溶胶，可以直接观察界面的运动。样品是无色的溶胶，液面的变化必须通过光学方法读出，如紫外吸收。电泳速度是根据通电时间和液面上升或下降的幅度来计算的。除了选择合适的培养基外，在电泳过程中保持液面清晰。该方法简单、快速、胶体含量少。它可以测量胶体粒子所处环境中的电泳速度和动电位。但是只有可以用显微镜分辨的胶体粒子才能被确定。该装置使用铂黑电极，观察管由玻璃制成。电动游泳池关闭，电泳和

12、电渗同时进行。物镜的观察位置选择在静态层(即电渗流和逆流正好相互抵消)，观察到的胶体粒子运动速度可以代表真实的电渗流速度。3.微电泳、电泳和区带电泳是分析和分离蛋白质的基本方法，简单易行，样品用量少，分离效率高。常用的区域电泳包括纸电泳、圆盘电泳和平板电泳。以惰性固体或凝胶为载体，两端连接正负电极，在载体上进行电泳，从而分离出不同电泳速度的组分。4，区带电泳，电泳，(1)纸电泳，以滤纸为支持物的电泳称为纸电泳。首先，将一根粗滤纸条浸泡在一定酸碱度的缓冲溶液中，取出，两端夹住电极，在滤纸中间滴少量待测溶液，各组分的含量不同(3)车载电泳，电泳，影响电泳的因素有：带电粒子的大小和形状；粒子表面电荷

13、的数量；介质中电解质的类型、离子强度、酸碱度和粘度；电泳温度和外加电压等。对于两性电解质，如蛋白质，在等电点时，粒子不会在外加电场中移动，也不会发生电泳，而粒子在等电点前后会以相反的方向运动。胶体颗粒或大分子的结构、大小和形状可以通过电泳获得。电渗):向多孔膜(或毛细管)的两端施加一定的电压，并且液体(分散介质)将定向移动通过多孔膜(即，当液相移动时，固相不移动)。2.电渗：电解质溶液填充在U形管1和2中，在用直流电连接电极5和6之后，可以从校准的毛细管4中准确地读出液面的变化。在图中，3是多孔膜，其可以由滤纸、玻璃或棉花制成；它也可以由氧化铝、碳酸钡、碘化银等制成。如果多孔膜吸附阴离子，介质

14、带正电，通电后向阴极移动；相反，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。电渗实验，电渗测量装置，如图所示，液体通电后定向流过多孔塞，从水平毛细管内小气泡的运动可以观察到循环流动的方向。如果多孔塞的阻力远大于毛细管阻力，那么电渗流的速度可以通过小气泡在一定时间内移动的距离来计算。流动方向和速度与多孔栓塞材料(带电固相)、流体性质和所用电解质有关。电渗、电渗和附加电解质对电渗速度有显著影响。随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至改变电渗的方向。电渗析有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料干燥等。动电现象：含离子液体在压力或重力等外力作用下被迫定向流过多孔隔膜(或毛细管)，在多孔隔膜两

15、端产生电位差。这种由流动引起的电势被称为电动现象。这是电渗的逆现象。3.例如，动电现象当油轮移动时存在这个问题，当泵用于运输原油或易燃化学原料时也存在这个问题。解决办法是：首先，接地放电，如一条小链条拖在油轮后面的地面上；第二，添加油溶性电解质以增加介电电导率并防止动电现象。动电现象动电现象测量示意图沉降电位：在重力场或离心力场的作用下，当带电分散相颗粒在分散介质中迅速沉降时，底层和表层的颗粒浓度相差很大，从而产生电位差。这是电泳的逆现象。沉降电位，储油罐内的油中经常有水滴，水滴的沉降会形成很大的电位差，有时会造成事故。有机电解质通常被添加到油中，以增加介质的导电性并降低沉淀的可能性。相反，为了去除原油中的水分，频繁地施加DC高压也是这方面的应用。沉积电位、沉积电位测量示意图、电动现象、四种电动现象之间的关系、电泳、电渗、沉积电位、电动现象、固相运动、液相静止、液相运动、固相静止、相对运动引起的电位