胶体与界面化学课件：第4章 双电层及电动理论

1、第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 自然界存在四种基本的相互作用：自然界存在四种基本的相互作用： 万有引力（简称引力）、电磁力、强相互作用、万有引力（简称引力）、电磁力、强相互作用、 弱相互作用弱相互作用 电、电荷、静电、电流、。电、电荷、静电、电流、。 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-1 4-1 固体表面带电的原因固体表面带电的原因 导致固体表面正、负电荷发生分离的一切导致固体表面正、负电荷发生分离的一切 过程，都会引起固体表面带电。过程，都会引起固体表面带电。 1 1 两相的电子亲合能不同，当它们接触时产生接两相的电子亲合能不同，当它们接触时产生接 触电位触

2、电位 如如 金属金属- -金属、金属金属、金属- -半导体半导体 2 2 两个不同相的离子的亲合能不同两个不同相的离子的亲合能不同 如如 固体表面对离子的吸附固体表面对离子的吸附 离子晶体的溶解离子晶体的溶解 两个相之间正、负离子的不同分布两个相之间正、负离子的不同分布 例：例：AgNOAgNO3 3 + KI AgI + KNO + KI AgI + KNO3 3 若若 AgNOAgNO3 3过量，则过量，则AgIAgI胶粒吸附胶粒吸附AgAg 而带正电 而带正电 若若 KIKI过量，则过量，则AgIAgI胶粒吸附胶粒吸附I I 而带负电。 而带负电。 具有与胶粒化学组成相同的离子优先被吸附

3、。具有与胶粒化学组成相同的离子优先被吸附。 固体若为离子晶体固体若为离子晶体, ,服从法扬斯服从法扬斯- -帕尼思帕尼思(Fazans-(Fazans- Pancth)Pancth)规则规则, ,即溶液中的某种离子即溶液中的某种离子, ,能与晶格上电能与晶格上电 荷符号相反的离子生成难溶或电离度很小的化合物荷符号相反的离子生成难溶或电离度很小的化合物, , 则离子晶体的表面对该离子具有强烈的吸附作用。则离子晶体的表面对该离子具有强烈的吸附作用。 固体若为非离子晶体固体若为非离子晶体,符合李普曼符合李普曼 （Lippmann） 方程式。方程式。 例：离子晶体的溶解例：离子晶体的溶解 AgIAgI

4、中，中，AgAg 而溶解活性比 而溶解活性比I I 大，纯净的 大，纯净的AgIAgI在在 水中带负电。水中带负电。 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 3 3固体表面的电离固体表面的电离 例：例： SiO2 溶胶表面水解溶胶表面水解 SiO2 H2O H2SiO3 若溶液显酸性若溶液显酸性 H2SiO3 HSiO2+ + OH- OH 进入溶液，而使胶粒带正电 进入溶液，而使胶粒带正电 若溶液显碱性若溶液显碱性 H2SiO3 HSiO3- + H H 进入溶液，而使胶粒带负电 进入溶液，而使胶粒带负电 4 4当固体具有当固体具有n n型（空穴型）或型（空穴型）或p p型（电子过型

5、（电子过 剩型）缺陷剩型）缺陷 例：黏土中的例：黏土中的Al3+常被低价的常被低价的Mg2+和和Ca2+ 等置换，微粒因缺少正电荷而带负电。如蒙脱等置换，微粒因缺少正电荷而带负电。如蒙脱 石石是具有是具有p p型（电子过剩型）缺陷的固体。型（电子过剩型）缺陷的固体。 5 5 其它静电产生原因其它静电产生原因 如：接触分离起电如：接触分离起电 、摩擦起电、剥离起电、摩擦起电、剥离起电、 破裂起电、感应起电、喷电起电、热电起电、压破裂起电、感应起电、喷电起电、热电起电、压 电起电等等。电起电等等。 4-2 4-2 扩散双电层经典理论扩散双电层经典理论 1 1 德拜德拜- -尤格尔近似式尤格尔近似式

6、 1909年，古依年，古依(Gouy)提出双电层的扩提出双电层的扩 散模型散模型 溶液中靠近固一液界面层的反号离子的溶液中靠近固一液界面层的反号离子的 分布不是整齐地排列在单一平面上，而是分布不是整齐地排列在单一平面上，而是 呈扩散状态分布。呈扩散状态分布。 德拜德拜- -尤格尔近似式尤格尔近似式 =0exp(-x) 由由BoltzmannBoltzmann定律和定律和PoissonPoisson方程推导得到方程推导得到 适用于低电位情况适用于低电位情况 “德拜参数德拜参数k”:k”: k k具有长度倒数的量纲具有长度倒数的量纲,1/k ,1/k 称为称为“德拜长德拜长 度度”。 在低电位情况

7、下，可以把扩散层中的反离在低电位情况下，可以把扩散层中的反离 子看作是集中在与表面距离为子看作是集中在与表面距离为1/k1/k的一个平面上，的一个平面上， 此时它所具有的电容与扩散双此时它所具有的电容与扩散双 电层所具有的电容相同。电层所具有的电容相同。 1/k1/k又称为双电层参照厚度，简称为双电层又称为双电层参照厚度，简称为双电层 厚度。厚度。 2 2 古依古依- -查普曼理论查普曼理论 Poisson-BoltzmannPoisson-Boltzmann方程精确解方程精确解 =0exp(-x) 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-3 斯特恩理论斯特恩理论 斯特恩双电层模型

8、斯特恩双电层模型 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-3 斯特恩理论 1 三个面 （1）固体表面 （2）斯特恩面 （3）滑动面 讨论： 1）电泳时，发生相对移动的面是什么面？ 2）何为固定层？何为扩散层？何为斯特恩层？ 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 2三种电位 （1）固体表面电位 ： 热力学电位或能斯特 电位 （2）斯特恩面电位 ： 斯特恩电位 （3）滑动面电位 ： -电位或电动电位 0 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-4 电泳与电泳与 - -电位理论电位理论 1 1 电泳的概念电泳的概念 NaCl 溶液溶液 Fe(OH)3 溶胶溶胶 +

9、电泳示意图电泳示意图 电泳电泳(electrophonesis) : (electrophonesis) : 在外电场作用下在外电场作用下, , 胶体粒子胶体粒子 在分散介质中定向移动的现在分散介质中定向移动的现 象象 电泳现象表明：电泳现象表明： 胶体粒子带电胶体粒子带电 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-4 电泳与电泳与 - -电位理论电位理论 2 2 - -电位的计算电位的计算 （1 1）求）求 （德拜参数）：（德拜参数）： 1/2 1 22 () Ai i i m e Nc z kT 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 （2 2）求）求 - -电位电位 第

10、四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 （2 2）求）求 - -电位电位 先求先求 R R值。值。 1 1） R R0 0.1.1时，用尤格尔方程计算时，用尤格尔方程计算 1.5 E u 该公式如何推得？该公式如何推得？ 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 2 2） R R100100时，用斯莫鲁霍夫斯基方程计算时，用斯莫鲁霍夫斯基方程计算 3 3）0.10.1 R R100100时，用亨利方程计算时，用亨利方程计算 对不导电球形粒子对不导电球形粒子 讨论：教材讨论：教材8080页例页例 E u 1.5 () E u fR 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-

11、5 4-5 电渗与流动电位电渗与流动电位 1 1 电渗电渗 （1 1）概念）概念: :在外电场作用下液体相对于带电表面在外电场作用下液体相对于带电表面 （毛细管、多孔塞等毛细管、多孔塞等）的移动现象）的移动现象 导线管导线管 多孔塞多孔塞 + 电极电极 毛细管毛细管气泡气泡 吹入吹入 一个一个 气泡气泡 水或溶液水或溶液 电渗测定装置 电渗测定装置 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 4-5 4-5 电渗与流动电位电渗与流动电位 1 1 电渗电渗 （2 2）计算）计算 或或 E 0 I V L 讨论：讨论：在在25下把水放入直径为下把水放入直径为1.010-3m， 长度为长度为0.

12、2 m的玻璃毛细管中，当两端加上的玻璃毛细管中，当两端加上 300V电压时，求水的电渗流动速率。已知玻电压时，求水的电渗流动速率。已知玻 璃璃水界面的水界面的-电位为电位为-40mV。水的相对介。水的相对介 电常数为电常数为78.5 , 粘度为粘度为8.910-4PaS。 利用利用 计算计算 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 2 2流动电位流动电位 （1 1）概念：在外力作用下）概念：在外力作用下, , 迫使液体通过多孔隔迫使液体通过多孔隔 膜膜( (或毛细管或毛细管) )定向流动定向流动, , 多孔隔膜两端所产生多孔隔膜两端所产生 的电势差。电渗的逆过程。的电势差。电渗的逆过程。 N2加压加压 电位差计电位差计 电极电极 多孔塞多孔塞 流动电势测量示意图流动电势测量示意图 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 2 2流动电位流动电位 （2 2）计算）计算 著名的泊肃叶著名的泊肃叶(possuille)(possuille)方程方程 第四章第四章 双电层及电动理论双电层及电动理论 2 2流