双电层和静电稳定胶体
关于胶体化学的几个基本概念
一、概述1．关于胶体化学的几个基本概念(1）相和相界面相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。
体系中有两个或两个以上的相，称为多相体。
相与相之间的接触面称为相接面。
(2) 分散相与分散介质在多相分散体系中，被分散的物质叫做分散相。
包围分散相的另一相，称为分散介质。
例如，水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。
(3)分散度和比表面分散度是某一分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度的倒数来表示。
如果用D表示分散度，用a表示颗粒的平均直径或长度，则分散度可表示为D＝1／a。
比表面是物质分散度的另一种量度，其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量(或总体积)之比。
如果用S代表总表面积，用V表示总体积，用m表示总质量，则比表面可表示为：＝S／V (m-1) (2-2)S比或 S＝S／m (m-1／kg) (2-3)比物质的颗粒愈小，分散度愈高，比表面愈大，界面能与界面性质就会发生惊人的变化。
所有颗粒分散体系的共性是具有极大的比表(界)面。
按分散度不同，可将分散体系分为细分散体系与粗分散体系。
胶体实际上是细分散体系，其分散相的比表面≥104 m2／kg，其颗粒长度在1 nm～1 μm 之间。
悬浮体则属于粗分散体系，其比表面大致不超过104m2／kg分散相的颗粒直径在1～40／μm之间。
钻井液是复杂的胶体分散体系。
水基钻井液基本上是溶胶和悬浮体的混合物，本书中统称为胶体分散体系。
(4)吸附作用物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部浓度)的现象，称为吸附。
被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附质的物质称为吸附剂。
按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。
仅由范德华引力引起的吸附，是物理吸附。
这类吸附一般无选择性，吸附热较小，容易脱附。
若吸附质与吸附剂之间的作用力为化学键力，这类吸附叫化学吸附。
化学吸附具有选择性，吸附热较大，不易脱附。
2．沉降与沉降平衡钻井液中的粘土粒子，在重力场的作用下会沉降。
胶体的电学性质讲解
在胶体体系中，胶体粒子不停的运动着， 固相物质与液相物质不停的在错动，使得
胶粒表面上时刻保持固定层与不动层的结 构形态，即ξ电位对胶体体系来讲是现实 的。
下面来看看电解质如何改变这种结构形态， 如何影响ξ电位值。
1、吸附作用
电解质加到胶体溶液中后，由电解质电解 出来的正离子或负离子，有时能够直接进 入胶团的固定层中：
与可动层之间。高价离子交换强。 例如
负电性的As2S3溶胶中加入CaCl2 Ca2进入可动层中，将可动层中原来的
Na+交换出来，这种交换是等电量的交换
进入一个Ca2，交换出两个Na+。交换的 结果是双电层薄了，溶剂化弱了，溶胶 稳定性降低。 反之，若原来是Ca2，用Na+交换，则双 电层厚度增加，溶剂化作用不变，溶胶稳 定性不变。
外层离子(又叫大气离子)的每个离子都处 于力的一种平衡状态(扩散力及固体的引 力)
(2)当固体与液体接触时，只要液体能润 湿固体，肯定就有一层液体薄膜紧紧地贴 附在固体表面上，它变成了固体的一部分。
随着液体薄膜的出现，外层离子被分割成
两部分:一部分属于固体,连同固体表面一 起称为固定层(storn层,紧密层);另一部分 属于液体,为水动层(扩散层)。
碱金属交换能力大小: Li+ Na K Kb Cs
碱金属交换能力大小: Ms2+ Ca2 Sr 2 Ba2
双电层厚度不变，所带电量不变，
电位不变，胶粒稳定性不变；
电解质浓度不变，电解质介型
不变， 减小
3、压缩作用
电解质对双电层还有一种压缩作用，即扩 散层离子的扩散范围缩小，它发生在所加 异电性离子与扩散层离子是同一种离子的 情况下，譬如Na胶体中加入NaCl。
胶体的双电层
胶体的双电层
胶体是由分散相和连续相组成的混合物，其中分散相颗粒的大小在1纳米到1微米之间。
在胶体中，由于分散相粒子的电荷，它们之间会产生静电斥力，从而防止它们聚集在一起。
这种电荷产生的效应被称为“双电层”。
双电层是胶体物理学中的重要概念，它描述了分散相粒子周围的电荷分布情况。
在胶体中，分散相粒子表面带有电荷，这些电荷会吸引周围的电荷，形成一个电荷分布区域，这就是双电层。
双电层可以分为两个部分：内层和外层。
内层是由分散相粒子周围的静电荷组成的，它是非常紧密的。
外层是由离分散相粒子较远的离子组成的，它比内层要稀疏得多。
外层的厚度取决于离子浓度和离子的电荷大小。
双电层的存在对胶体的性质有很大的影响。
它可以防止分散相粒子聚集在一起，从而保持胶体的分散状态。
双电层还可以影响胶体的表面性质，例如颜色、光泽和粘性等。
双电层的形成和性质是由电化学过程控制的。
在胶体中，分散相粒子表面的电荷来源于它们和溶液中的离子相互作用。
这种相互作用可以通过电化学分析技术来研究。
双电层的研究对于理解胶体物理学和化学过程非常重要。
它可以帮
助我们了解胶体的性质和行为，从而为制备新型材料和优化现有工艺提供指导。
双电层是胶体中的一个重要概念，它描述了分散相粒子周围的电荷分布情况。
它的存在对于维持胶体的分散状态和影响胶体的表面性质具有重要的作用。
通过电化学分析技术，我们可以更好地理解双电层的形成和性质，为胶体物理学和化学过程的研究提供帮助。
胶粒的双电层理论
❖ 高价离子：可以进入乳胶粒的扩散层和紧密层，置 换出低价离子，使双电层的离子数目减少而压缩扩 散层，降低ξ电位。
胶粒的双电层 理论及应用
乳胶粒的形成 与结构
电解质对双 电层的作用
胶体颗粒表面 双电层之间 的相互作用
机理
稳定 与絮凝
同种电荷 胶体颗粒 相互作用
异种电荷 胶体颗粒 相互作用
乳胶粒的形成与结构
❖ 乳胶粒：在乳液聚合时，单体进入由乳化剂形成的 胶束后经引发剂引发聚合后产生的胶体粒子。
❖ 胶粒结构： ❖ 电位离子+反离子=双电层 ❖ 胶体表面电位离子通过静电作用将溶液中的带相反
❖ 化学胶体领域应用：
❖ ①利用带相反电荷胶体颗粒之间的静电吸引力作用，
将带相反电荷的胶体颗粒在一定条件下混合制成分 子膜(LB膜），这种膜的稳定性取决于带相反电荷 胶体颗粒的相互作用程度。
பைடு நூலகம்
❖ Frank根据带相反电荷胶体颗粒之间的静电作用， 通过自组装制成双层胶囊形的纳米材料，其形成过 程类似于胶体颗粒之间的团聚行为。
胶粒带电越多, 扩散层越厚.
❖ 双电层稳定原因： 在双电层中建立了静电力和扩散力之间的平衡。形 成双电层后由于相同的乳胶粒具有相同的电荷，而 相同的电荷相斥，所以乳胶粒能稳定地悬浮在水相 中。ξ电位越高，乳液就越稳定。
电解质对双电层的作用
❖ 紧密层：一般很薄，只有单层或数层离 ❖ 反离子扩散层：却很厚，其厚度与溶液中的离子强
胶粒的双电层结构
胶粒的双电层结构胶粒的双电层结构是指在胶粒表面形成的一层正负离子分布不均匀的电荷层，其内部由电荷云组成。
这一结构对于胶粒的稳定性和表面性质具有重要影响。
胶粒是一种微小颗粒状物质，通常由高分子聚合物组成。
在溶液中，胶粒会与溶剂中的离子和分子相互作用，形成双电层结构。
双电层结构主要由两层电荷组成：内层是由胶粒表面吸附的离子所带的电荷，外层是由胶粒表面与溶剂中的离子形成的离子云所带的电荷。
胶粒的双电层结构形成的机制是电荷分离。
当胶粒悬浮在溶液中时，溶剂中的离子会吸附在胶粒表面，形成电荷分离。
正离子会吸附在胶粒表面的负极性区域，负离子会吸附在胶粒表面的正极性区域。
这种电荷分离导致了胶粒表面和周围溶液之间的电荷差异，形成了双电层结构。
双电层结构对胶粒的稳定性起着重要作用。
由于胶粒表面带有电荷，胶粒之间的静电斥力可以阻止它们聚集在一起。
这种静电斥力使得胶粒分散均匀，保持胶体溶液的稳定性。
另外，双电层结构还可以吸附周围的离子和分子，从而改变胶粒表面的性质，如表面电荷密度、表面活性和吸附能力等。
胶粒的双电层结构也对胶体颗粒的运动和相互作用产生影响。
由于双电层的存在，胶粒之间的相互作用不仅包括静电斥力，还包括范德华力和双电层力等。
这些力的作用使得胶粒在溶液中呈现出各种运动行为，如扩散、沉降和聚集等。
同时，双电层结构还可以通过改变胶粒表面的电荷密度来调控胶粒之间的相互作用，从而影响胶体颗粒的聚集行为。
双电层结构的特性还可以应用于很多领域。
例如，在电化学中，双电层结构是电容器和超级电容器的基础。
在生物学中，双电层结构在细胞膜的形成和细胞间通讯中起着重要作用。
在环境科学中，双电层结构可以影响胶体颗粒在土壤和水体中的迁移和转化过程。
胶粒的双电层结构是一种重要的表面结构，对于胶粒的稳定性和表面性质具有重要影响。
了解和掌握双电层结构的特点和作用，有助于深入理解胶粒的行为和性质，从而推动相关领域的研究和应用。
胶体稳定性的DLVO 理论
65胶体稳定性的DLVO 理论胶体(憎液溶胶)是一个高度分散的系统，它有很大的表面自由能，且具有自发降低表面自由能的倾向，这就是说，在本质上，憎液溶液胶属于热力学不稳定系统。
某些物理条件的改变，特别是电解质的加入，会显著地影响它的稳定性，使它聚集而沉淀。
早在一个世纪前，Schulze(舒尔茨)和Hardy(哈迪)就经验发现，异号离子的电荷数对溶胶的聚沉影响很大。
电荷数(价数)愈高，聚沉能力愈大。
如果将使溶胶聚沉的电解质最低浓度称为聚沉值，则一价、二价和三价异号离子的聚沉值之比约为66)31(:)21(:1，这个规律称为Schulze —Hardy 规则。
怎样解释这个规则，就成了胶体稳定性理论必须面对的首要任务。
直到上个世纪的四十年代，这个问题才被两位前苏联学者Дерягин(杰里亚金)、Ландау(朗道)和两位荷兰学者Verwey(弗威)和Overbeek(奥弗比克)所解决，因此，称为DLVO 理论。
本专题就专门来介绍这个理论。
鉴于理论是建立在数学解析的基础上，下面的介绍只取推导的结果，而将介绍的重心放在物理意义上。
1．DLVO 理论这个理论完全着眼于溶胶粒子的作用势能与粒子间距的关系。
认为粒子间存在着两个相互制约的作用力，一是van der Waals 引力，它要使粒子兼并而聚沉。
另一是扩散双电层重迭所引起的静电斥力，它是维护溶胶稳定的原因。
因此，溶胶是否能够相对地稳定就取决于这两种力谁占据优势，DLVO 理论的首要任务便是分别计算粒子之间的引力和斥力势能与粒子间距的定量关系。
(1) 粒子间的van der Waals 引力势能如所周知，分子之间是存在短程的van der Waals 引力的，这种力的大小与分子间距的7次方成反比。
它包括分子间的偶极—偶极作用，偶极与诱导偶极的作用和分子间的色散作用。
后者亦称London 力，在胶体中常常起着主要的作用，量子力学算得，London 力的引力势能与分子间距的关系可由下式表示662A 43−−−=−=x x h V βνα (65-1) 式中h 为Planck 常数, ν为分子的特征振动频率，α为分子的极化率，x 为分子间距，负号表示吸引。
胶体稳定性简介
胶体稳定性简介胶体稳定性一、胶体的分类所谓胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，其值通常在1nm—100nm之间，这是一种高度分散的多相不均匀体系。
按分散剂的不同可分为气溶胶、固溶胶、液溶胶；按分散质的不同可分为粒子胶体、分子胶体。
二、胶体的稳定及不稳定性胶体因质点很小，强烈的布朗运动使它不致很快沉降，故具有一定的动力学稳定性；另一方面，疏液胶体是高度分散的多相体系，相界面很大，质点之间有强烈的聚结倾向，所以又是热力学不稳定体系。
一旦质点聚结变大，动力学稳定性也随之消失。
因此，胶体的聚集稳定性是胶体稳定与否的关键。
三、双电层与zeta电位由于分散粒子表面带有电荷而吸引周围的反号离子，这些反号离子在两相界面呈扩散状态分布而形成扩散双电层。
根据双电层理论可将双电层分为Stern层和扩散层。
当分散粒子在外电场的作用下，稳定层与扩散层发生相对移动时的滑动面即是剪切面，该处对远离界面的流体中的某点的电位称为Zeta电位。
即Zeta电位是连续相与附着在分散粒子上的流体稳定层之间的电势差。
四、聚集沉降理论影响因素起聚沉作用的主要是电荷与胶体相反的离子（称为反离子）。
反离子的价数越高，则聚沉效率越高，聚沉值越低。
一价反离子的聚沉值约为25～150，二价的为0.5～2，三价的为0.01～0.1。
聚沉值大致与反离子价数的六次方成反比，这称为舒尔茨-哈代规则。
五、胶体稳定性疏液胶体的稳定性理论通称DLVO理论。
此理论的出发点是：胶体质点间因范德瓦耳斯力而相互吸引，质点在相互接近时又因双电层的重叠而产生排斥作用，胶体的稳定程度取决于上述两种作用的相对大小。
DLVO理论计算了各种形状质点之间的范德瓦耳斯吸引能与双电层排斥能随质点间距离的变化。
在质点相互接近的过程中，如果在某一距离上质点间的排斥能大于吸引能，胶体将具有一定的稳定性；若在所有距离上吸引皆大于排斥,则质点间的接近必导致聚结,胶体发生聚沉。
试分析胶体带电原因,动电电位测量原理、方法及其应用。请用双电层理论阐述电解质在胶体稳定和聚沉中的作用
2、（20分）试分析胶体带电原因，动电电位测量原理、方法及其应用。
请用双电层理论阐述电解质在胶体稳定和聚沉中的作用。
答案：
(1)胶体带电原因：胶体微粒的表面积比较大，具有很强的吸附性，胶体
粒子可以选择性地吸附某一种电性的离子而使胶体带上某种电荷。
(2)当固体具有n型（空穴型）或具有p型缺陷时，它具有俘获带负电粒
子或带正电粒子的能力。
动电现象的特征是双电层中带电表面和大量溶液之间的相对剪切运动，根据不同情况，动电现象分为4种：电泳、电渗、层流电位、沉降电位，在每种动电现象中，所涉及的电位都是剪切面上的电位，称ζ电位，所以又称动电位。
ζ电位可以利用动电现象直接测定。
一般常用电泳法，如利用微电泳仪测定电泳速度，通过电极室中的电极建立电场，用显微镜直接观察粒子在电泳池中的迁移速度，根据公式U=Dζ/4πη，求出ζ电位，也可以用界面移动法测定粒子电泳速度。
(3)双电层：
扩散双电层模型的基本观点是胶体是电中性而胶粒带电，带电的胶粒会吸附异号电荷于表面，形成双电层。
胶粒颗粒要互相结合聚沉，除了克服静电斥力外，还需要排开水化膜。
也就是说，胶粒所带电荷越高，双电层越厚，胶体越稳定。
加入与胶粒异号的电解质颗粒，会降低胶粒表面电荷，使双电层变薄。
胶粒聚结所要克服的力减小，胶体的稳定性降低。
相反，若要增强胶体的稳定性，只需要加入适量的与胶粒同号的电解质溶液。
同好的电解质溶液会增加双电层厚度，维持胶体体系的稳定。
胶体稳定性的DLVO 理论
65胶体稳定性的DLVO 理论胶体(憎液溶胶)是一个高度分散的系统，它有很大的表面自由能，且具有自发降低表面自由能的倾向，这就是说，在本质上，憎液溶液胶属于热力学不稳定系统。
某些物理条件的改变，特别是电解质的加入，会显著地影响它的稳定性，使它聚集而沉淀。
早在一个世纪前，Schulze(舒尔茨)和Hardy(哈迪)就经验发现，异号离子的电荷数对溶胶的聚沉影响很大。
电荷数(价数)愈高，聚沉能力愈大。
如果将使溶胶聚沉的电解质最低浓度称为聚沉值，则一价、二价和三价异号离子的聚沉值之比约为66)31(:)21(:1，这个规律称为Schulze —Hardy 规则。
怎样解释这个规则，就成了胶体稳定性理论必须面对的首要任务。
直到上个世纪的四十年代，这个问题才被两位前苏联学者Дерягин(杰里亚金)、Ландау(朗道)和两位荷兰学者Verwey(弗威)和Overbeek(奥弗比克)所解决，因此，称为DLVO 理论。
本专题就专门来介绍这个理论。
鉴于理论是建立在数学解析的基础上，下面的介绍只取推导的结果，而将介绍的重心放在物理意义上。
1．DLVO 理论这个理论完全着眼于溶胶粒子的作用势能与粒子间距的关系。
认为粒子间存在着两个相互制约的作用力，一是van der Waals 引力，它要使粒子兼并而聚沉。
另一是扩散双电层重迭所引起的静电斥力，它是维护溶胶稳定的原因。
因此，溶胶是否能够相对地稳定就取决于这两种力谁占据优势，DLVO 理论的首要任务便是分别计算粒子之间的引力和斥力势能与粒子间距的定量关系。
(1) 粒子间的van der Waals 引力势能如所周知，分子之间是存在短程的van der Waals 引力的，这种力的大小与分子间距的7次方成反比。
它包括分子间的偶极—偶极作用，偶极与诱导偶极的作用和分子间的色散作用。
后者亦称London 力，在胶体中常常起着主要的作用，量子力学算得，London 力的引力势能与分子间距的关系可由下式表示662A 43−−−=−=x x h V βνα (65-1) 式中h 为Planck 常数, ν为分子的特征振动频率，α为分子的极化率，x 为分子间距，负号表示吸引。
胶体粒子间的相互作用
胶体粒子间的相互作用胶体是由胶体粒子组成的分散体系，其中胶体粒子是微米级别的颗粒，由于其特殊的性质和结构，胶体粒子间存在着各种相互作用。
这些相互作用是胶体体系中的重要因素，直接影响了胶体的稳定性、流变性、电化学性质等。
本文将介绍胶体粒子间的几种主要相互作用。
1. 范德华力范德华力是一种吸引力，是由于胶体粒子间的极性和分子间的电子云引起的。
范德华力随着胶体粒子间距离的增加而减弱，是胶体粒子间的短程相互作用力。
当胶体粒子间距离很近时，范德华力可以显著影响胶体的聚集态势。
2. 双电层作用在水溶液中，胶体粒子表面带有电荷，形成了一个电荷层，称为双电层。
双电层作用是由于胶体粒子表面电荷引起的相互作用，包括静电斥力和静电吸引力。
当胶体粒子间的距离较小时，静电斥力占主导地位，阻止了胶体粒子的聚集；而当距离增大时，静电吸引力开始起作用，促使胶体粒子的聚集。
3. 双层电位双层电位是由于胶体粒子表面电荷引起的电位差。
由于双电层的存在，胶体粒子表面会形成一个带电层，这一层内的电荷呈现分布状态，使得胶体粒子表面具有电位差。
双层电位对于胶体粒子间的相互作用起到了重要的调节作用，影响了胶体粒子的稳定性。
4. 疏水和亲水作用胶体粒子表面的化学性质决定了其对水的亲和力。
亲水胶体粒子表面具有亲水基团，可以与水分子形成氢键，从而使得胶体粒子在水中分散稳定。
而疏水胶体粒子表面则不易与水分子相互作用，容易聚集形成团簇。
疏水和亲水作用是胶体粒子间的一种重要相互作用，决定了胶体的分散状态。
5. 空间位阻和凝胶网络当胶体粒子浓度较高时，胶体粒子之间的空间位阻效应开始显现。
胶体粒子的体积和形状会影响胶体的流变性质，较大的胶体粒子会导致更强的空间位阻效应。
此外，胶体粒子间的相互作用还可以形成凝胶网络，增强胶体的稳定性。
胶体粒子间的相互作用是胶体体系中的重要因素，直接影响了胶体的稳定性和性质。
范德华力、双电层作用、双层电位、疏水和亲水作用、空间位阻和凝胶网络等相互作用共同作用下，决定了胶体的分散状态和流变性质。
胶粒的双电层理论..
高分子化学与物理 曹佳乐 2014.04.09
胶粒的双电层 理论及应用
乳胶粒的形成 与结构
电解质对双 电层的作用
胶体颗粒表面 双电层之间 的相互作用
机理
稳定 与絮凝
同种电荷 胶体颗粒 相互作用
异种电荷 胶体颗粒 相互作用
乳胶粒的形成与结构
乳胶粒：在乳液聚合时，单体进入由乳化剂形成的 胶束后经引发剂引发聚合后产生的胶体粒子。
Frank根据带相反电荷胶体颗粒之间的静电作用， 通过自组装制成双层胶囊形的纳米材料，其形成过 程类似于胶体颗粒之间的团聚行为。
Antonio等研究带相反电荷胶体颗粒发生团聚时，内 部结构有一个特点，每一个颗粒被带相反电荷的颗 粒所包围，外围再分布相同电荷的颗粒，这样带相 反电荷的颗粒交替排列，而且随着两种胶体颗粒数 量比的变化，团聚颗粒的内部结构也发生变化。
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带相反电荷胶体颗粒双电层相互作用
胶体颗粒表面所带的电荷有正电荷和负电荷之分， 而且在一定条件下带相反电荷的胶体颗粒可以共存 于相同体系中，这种现象在自然界普遍存在。 如热带、亚热带地区的可变电荷土壤。 由于这类土壤中含有带负电荷的高岭石和带正电荷 的铁铝氧化物，它们所带电荷相反，当共存于相同 体系时它们表面的双电层会发生相互作用，并对胶 体性质产生影响。
胶粒结构： 电位离子+反离子=双电层 胶体表面电位离子通过静电作用将溶液中的带相反 电荷离子吸附到乳胶粒周围
反离子层： ①反离子吸附层 （stern层） 能同胶核一起运动的部分反离子由于靠近胶核，吸 附较牢。 ②反离子扩散层 反离子离胶核稍远不随胶核一起运动。
胶体的稳定性
κ2
Aa exp ( κ H 0 ) 12 H 0
典型的位能曲线
1、当能垒高度超过15kT以上， 、当能垒高度超过 以上， 以上 则可阻止由热运动碰撞而产 生的聚沉。 生的聚沉。此能垒相当于化 学反应的活化能。 学反应的活化能。 2、并非所有胶体均由第二最小 、 它与表面电位、 值。它与表面电位、粒子大 小及对称性有关。 小及对称性有关。 3、在第二最小值发生的聚沉称 、 可逆聚沉” 为“可逆聚沉”或“临时聚 沉”。
胶体的稳定性 DLVO理论
胶体化学是在讨论胶体稳定性的过程中发展起来的。 胶体化学是在讨论胶体稳定性的过程中发展起来的。 －－P. －－ Hiemenz 首先，在讨论稳定性时，强调胶体是化学稳定的。 首先，在讨论稳定性时，强调胶体是化学稳定的。 胶体稳定性可分为三个层次： 胶体稳定性可分为三个层次： 热力学稳定性 动力学稳定性 聚集稳定性 聚集稳定性是指体系的分散度是否随时间而变。 聚集稳定性是指体系的分散度是否随时间而变。 是指体系的分散度是否随时间而变 聚沉作用： 聚沉作用：无机电解质使胶体沉淀的作用 絮凝作用： 絮凝作用：高分子化合物使胶体沉淀的作用 聚集作用：不知何种药剂， 聚集作用：不知何种药剂，使胶体沉淀时的笼统称呼
e NA∑c z κ = ε kT
1/ 2
（自修内容） 自修内容） 胶粒间引力位能的公式推导 胶粒间斥力位能的公式推导 公式推导、 公式推导、各种近似的讨论 溶胶、 溶胶、凝胶转变法制备单分散溶胶 粘度的测量 由电渗速度数据计算ζ电位 由电渗速度数据计算 电位 扩散双电导模型的完整公式
4、胶粒间的总相互作用能 、
综合考虑颗粒间的范德华引 力和静电斥力， 力和静电斥力，可以解释静 电稳定胶体的稳定机制。 电稳定胶体的稳定机制。总 位能为： 位能为：
双电层和静电稳定胶体
48 双电层和静电稳定胶体华东理工大学 胡 英48.1引 言《物理化学》17.11已对扩散双电层的理论作了较全面的介绍，阐述了亥姆霍兹模型、古艾-恰普曼模型、斯特恩模型和格拉哈姆模型。
在此基础上，在18.2.1中，对静电稳定胶体的稳定机制进行了初步的讨论，对胶体颗粒间的范德华引力和静电斥力列出了理论计算的结果，由此得出DLVO 理论。
但由于篇幅限制，省略了一些重要的推导过程，这些推导不仅对于理解那些理论成果有所助益，也是在这方面进行研究的基本训练。
另一方面，虽然许多实验事实从定性上支持DLVO 理论，但自1980年代以来，Ise N 及其同事提出，与DLVO 理论预测相反，在同种电荷的颗粒间存在着长程的静电引力，引起广泛关注。
在本章中，我们首先对古艾-恰普曼的扩散双电层模型进行推导，因为它是所有现代双电层理论的基础；然后对DLVO 理论所涉及的静电斥力和范德华力作较深入的讨论；最后对长程静电引力作简要介绍。
48.2 古艾-恰普曼的扩散双电层模型古艾(Gouy G)在1910年以及恰普曼(Chapman D L)在1913年分别提出扩散双电层模型。
设电极上有正的或负的过剩电荷，溶液中的水化反离子受之吸引，向表面靠近；但热运动又使它趋于均匀。
两者共同作用形成扩散双电层。
按静电学原理，电荷密度ρ与电势ψ间遵从泊松方程，ερψ/2−=∇，2∇是拉普拉斯算符，ε是介电常数或电容率。
对于一个平面，如其法线为x 方向，有ερψ)(d )(d 22x xx −= (48-1) 进一步设离子在溶液中遵从玻耳兹曼分布，电荷密度可表达为 ∑−=i i i i kT x e e z C x ])(z exp[)(0ψρ (48-2)式中0i C 为第i 种离子的平均数密度，它是当0=ψ时的数密度，i z 为第i 种离子的电荷数。
上面两个式子即《物理化学》的式(17-93)和(17-92)。
48–248 双电层和静电稳定胶体将式(48-2)代入(48-1)，∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=i i i i kT x e e z C x x )(z exp 1d )(d 022ψεψ (48-3) 这是一个二阶微分方程，其边界条件为：0)0(0ψψ==，x ，即表面电势；0)d /d (,0)(==∞∞=∞x x ψψ， (48-4) 求解是一个微分方程边值问题。
胶体的稳定性
0
exp
exp
2
ze kT ze kT
0
1 1
2
2
exp H
0
胶粒间距离减小，静电斥力 指数增大。 胶体稳定状态要求ER增加： 提高胶粒的表面电位 ψ 0 增大扩散双电层厚度 κ-1
e N A ci zi kT
3、胶粒间的静电斥力
当颗粒表面带有电荷，在颗粒-溶液界面上即产生扩散双 电层。当它们互相接近，两个双电层相互重叠，即产 生静电斥力
颗粒间的静电斥力使颗粒互相远离，有利于稳定
H
R a
O1
h
dh
H0 O2
ER
64 n0kT
2 0
exp D
0
ER
6 4 a n0 k T
2 0
E EA ER
对平板粒子：
E 64 n0kT
2 0
exp D
粒子：
E 6 4 a n 0 k T 0
2
2
exp H
0
Aa 12 H
0
典型的位能曲线
1、当能垒高度超过15kT以上， 则可阻止由热运动碰撞而产 生的聚沉。此能垒相当于化 学反应的活化能。 2、并非所有胶体均由第二最小 值。它与表面电位、粒子大 小及对称性有关。 3、在第二最小值发生的聚沉称 为“可逆聚沉”或“临时聚 沉”。
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（自修内容） 胶粒间引力位能的公式推导 胶粒间斥力位能的公式推导 公式推导、各种近似的讨论 溶胶、凝胶转变法制备单分散溶胶 粘度的测量 由电渗速度数据计算ζ电位 扩散双电导模型的完整公式
胶体双电层
胶体双电层
双电层胶体（DLC）是一种类似于纳米结构的结构，由两个电荷分布不均匀的电层组成。
这两层分别由具有正电荷和负电荷的分子组成，这些分子之间以电子键相互连接，形成一个稳定的结构。
双电层胶体具有优异的物理性能，如极高的抗拉强度和抗撞击性能，可以有效抵御外部环境的冲击，并且具有均匀的电磁屏蔽性能。
双电层胶体的应用广泛，可以用于防护、绝缘、屏蔽和密封等。
由于其良好的热稳定性，可以用于汽车、航空、工业等高温环境的防护，如汽车制动系统、汽车底盘、火花塞等。
此外，双电层胶体还可以用于电子设备的绝缘，如电路板的发热、静电防护、电磁屏蔽等。
当用于电子设备的密封时，双电层胶体可以提供良好的密封性能，以便防止外部环境中的潮湿、油污等入侵。
双电层胶体具有许多优点，可以有效抵御外部环境的冲击，具有优异的抗拉强度和抗撞击性能，而且具有均匀的电磁屏蔽性能，可以有效保护电子设备免受外界的干扰。
双电层胶体在汽车、航空、工业、电子设备以及其他领域的应用越来越广泛，是当今技术发展的一个重要因素。
胶体双电层技术可以有效地提高电池的安全性，并可以提高电池的性能。
这种技术使用高分子材料来形成一个由两个可逆电极层组成的电池，每一层由一层电解质的胶体包裹。
这种双层结构可以降低电池的温度，防止过放电和过充电。
此外，由于它的可逆电极可以有效地降低电池的热量损失，因此可以提高电池的能量密度和充电效率。
此外，它还可以提高电池的稳定性，减少电池的消耗，使电池具有更长的使用寿命。
土壤胶体的双电层名词解释
土壤胶体的双电层名词解释土壤是地球上最重要的自然资源之一，它是植物生长的基础，也是维持生态平衡的重要组成部分。
而土壤胶体作为土壤颗粒中的重要组分，在土壤中起着承载营养、保持水分、吸附污染物等多种重要功能。
而土壤胶体的双电层则是解释土壤胶体性质和功能的关键之一。
首先，什么是土壤胶体？土壤胶体指的是土壤中直径在0.001-0.1微米之间的颗粒，它们主要由黏土矿物、有机质和氧化铁等组成。
这些颗粒表面带有负电荷，形成了一个极为重要的结构，即土壤胶体的双电层。
双电层是指位于胶体颗粒表面上的一层正负离子的电荷分布区。
具体来说，当土壤胶体表面带有负电荷时，周围的阳离子（如铵、钠、钙等）会与胶体表面的负电荷相互吸引形成一层紧密排列的阳离子。
这层阳离子和胶体颗粒内部的负离子构成了第一电层，也称为吸附带。
而第二电层则是相对较稀释的区域，其中的阳离子活动性较高，它们也可以通过扩散等方式与胶体颗粒表面的负电荷形成吸附。
为了更好地理解双电层的作用，我们可以将其比喻成电容器的两极板。
负电荷的一极板是土壤胶体颗粒表面，阳离子的吸附则相当于另一极板上的电荷。
这种电荷分布使得土壤胶体具有很强的吸附能力。
例如，阳离子可以吸附到土壤胶体表面，从而使土壤胶体具有吸附能力，可以吸附一些污染物质，如重金属离子、有机化合物等。
这对于土壤的环境修复和保护具有重要意义。
除了吸附功能外，双电层还对土壤胶体的其他性质产生重要影响。
例如，双电层的形成增加了土壤胶体颗粒之间的排斥作用，使得土壤更加稳定。
双电层的存在还影响土壤颗粒的表面电荷变化和解离的动态平衡。
双电层对土壤中的离子交换、离子迁移和水分运移等过程也具有重要影响。
同时，土壤胶体的双电层还参与了植物养分的吸收和释放过程，对土壤肥力和植物生长发育起着重要作用。
综上所述，土壤胶体的双电层是土壤中重要的组成部分，它由负电荷表面和与之吸附的阳离子构成的层次结构，具有强大的吸附能力和稳定性。
双电层的形成和存在对土壤性质和功能有着重要影响，包括土壤环境修复、植物营养吸收等。
土壤胶体的双电层
土壤胶体的双电层
土壤胶体的双电层是一种使用电场受控技术开发的新型胶体，它可以产生一种稳定的、可控的电场，来帮助改善土壤属性和营养状况，促进作物的生长发育。
双电层技术是利用一种有机无机复合材料的活性物质，组装形成保护层来围绕底土的沉积物，建立一个稳定的电场，用于保护和调节地表土壤。
双电层可以吸收和分布地表土壤中的重金属，有效阻隔重金属对于植物以及其他生物的危害；
双电层可以改善土壤结构，减少土壤表面的乳化垃圾和其他污染，有利于土壤的酸碱度调节，增加土壤水分和供氧能力；
双电层可以把植物有益的元素散布于土壤中，从而改善养分的吸收和利用，提高作物的根系系统的开发和植物的抗病力；
双电层还可以提高地表土壤的有机物含量，增加土壤中有机物的稳定性和生物活性，有利于通过土壤中对人体有益的微生物和植物抗旱属性的传播。
通过土壤胶体双电层精心设计及制造，可以有效地调节和改善土壤环境，促进大地植物育苗，而双电层作为土壤改良技术的重要组成部分，被视为土壤可持续发展的有力工具。
胶粒的双电层结构
胶粒的双电层结构胶粒是一种常见的物质，具有双电层结构。
双电层是指在胶粒表面附近形成的两层电荷分布，分别为静电吸附层和扩散层。
这两层电荷分布使胶粒具有特殊的电化学性质和应用价值。
我们来了解一下胶粒的基本概念。
胶粒是由聚合物或胶体颗粒组成的微细颗粒，其直径通常在1微米至1毫米之间。
胶粒可以悬浮在水或其他溶液中，形成胶体溶液。
胶粒的双电层结构是由胶粒表面吸附的离子和溶液中的离子共同组成的。
胶粒的双电层结构主要是由离子吸附引起的。
在溶液中，胶粒表面的一层离子会与溶液中的离子发生吸附作用，形成静电吸附层。
这一层离子的种类和数量取决于溶液的性质和胶粒表面的化学性质。
静电吸附层的存在使胶粒表面带有电荷。
除了静电吸附层，胶粒表面还存在一层扩散层。
扩散层是由溶液中的离子扩散到胶粒表面形成的。
在静电吸附层的基础上，溶液中的离子会进一步扩散到胶粒表面，形成扩散层。
扩散层的离子浓度随着距离表面的增加而逐渐减小，直到与溶液中的离子浓度相等。
胶粒的双电层结构使其具有特殊的电化学性质。
首先，双电层结构使胶粒表面带有电荷，从而具有静电吸附能力。
这种吸附能力使得胶粒能够吸附溶液中的离子、分子和颗粒，从而发挥吸附、交换和分离等功能。
双电层结构还影响了胶粒的电导率和电荷传递性能。
由于胶粒表面带有电荷，离子在双电层中的扩散速率受到限制，从而影响了胶粒的电导率。
此外，胶粒的双电层结构还影响了电荷在胶粒中的传递速率，从而对胶粒的电化学反应和电化学性能产生影响。
胶粒的双电层结构在许多领域具有广泛的应用价值。
在材料科学中，胶粒的双电层结构可以用于制备电极材料、电池材料和超级电容器等。
在环境科学中，胶粒的双电层结构可以用于水处理、废水处理和污染物吸附等。
在生物医学领域，胶粒的双电层结构可以用于制备药物载体、生物传感器和组织工程材料等。
胶粒具有双电层结构，这种结构使其具有特殊的电化学性质和应用价值。
胶粒的双电层结构是由胶粒表面的静电吸附层和扩散层组成的，这两层电荷分布使胶粒具有吸附、交换和分离等功能。
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48 双电层和静电稳定胶体华东理工大学 胡 英48.1引 言《物理化学》17.11已对扩散双电层的理论作了较全面的介绍，阐述了亥姆霍兹模型、古艾-恰普曼模型、斯特恩模型和格拉哈姆模型。
在此基础上，在18.2.1中，对静电稳定胶体的稳定机制进行了初步的讨论，对胶体颗粒间的范德华引力和静电斥力列出了理论计算的结果，由此得出DLVO 理论。
但由于篇幅限制，省略了一些重要的推导过程，这些推导不仅对于理解那些理论成果有所助益，也是在这方面进行研究的基本训练。
另一方面，虽然许多实验事实从定性上支持DLVO 理论，但自1980年代以来，Ise N 及其同事提出，与DLVO 理论预测相反，在同种电荷的颗粒间存在着长程的静电引力，引起广泛关注。
在本章中，我们首先对古艾-恰普曼的扩散双电层模型进行推导，因为它是所有现代双电层理论的基础；然后对DLVO 理论所涉及的静电斥力和范德华力作较深入的讨论；最后对长程静电引力作简要介绍。
48.2 古艾-恰普曼的扩散双电层模型古艾(Gouy G)在1910年以及恰普曼(Chapman D L)在1913年分别提出扩散双电层模型。
设电极上有正的或负的过剩电荷，溶液中的水化反离子受之吸引，向表面靠近；但热运动又使它趋于均匀。
两者共同作用形成扩散双电层。
按静电学原理，电荷密度ρ与电势ψ间遵从泊松方程，ερψ/2−=∇，2∇是拉普拉斯算符，ε是介电常数或电容率。
对于一个平面，如其法线为x 方向，有ερψ)(d )(d 22x xx −= (48-1) 进一步设离子在溶液中遵从玻耳兹曼分布，电荷密度可表达为 ∑−=i i i i kT x e e z C x ])(z exp[)(0ψρ (48-2)式中0i C 为第i 种离子的平均数密度，它是当0=ψ时的数密度，i z 为第i 种离子的电荷数。
上面两个式子即《物理化学》的式(17-93)和(17-92)。
48–248 双电层和静电稳定胶体将式(48-2)代入(48-1)，∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=i i i i kT x e e z C x x )(z exp 1d )(d 022ψεψ (48-3) 这是一个二阶微分方程，其边界条件为：0)0(0ψψ==，x ，即表面电势；0)d /d (,0)(==∞∞=∞x x ψψ， (48-4) 求解是一个微分方程边值问题。
1．第一次积分在式(48-3)的两边各乘以x x d /)(d 2ψ，积分并应用边界条件得∑⎭⎬⎫⎩⎨⎧−⎦⎤⎢⎣⎡−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛i i i kT x e z C kT x x 1)(exp 2d )(d 02ψεψ (48-5) 如果是对称型单电解质，设离子电荷数的绝对值为z ，上式可化为⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎦⎤⎢⎣⎡−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=kT x ze kT x ze kT C x x 2)(exp 2)(exp 2d )(d 0ψψεψkTx ze kTC 2)(sinh220ψε−= (48-6) 上式在推导中用到：22/2/)e e (2e e y y y y −−−=−+，2)e e (sinh y y y −−=，开方时正负号选择已为z 取绝对值而确定，当电极带正电，0>ψ，0d /d <x ψ；电极带负电，0<ψ，0d /d >x ψ。
对于非对称型单电解质，由于反离子的0<ψ反z ，同离子的0>ψ同z ，)/exp()/exp(kT e z kT e z ψψ同反−>>−。
因此，在式(48-6)中，令z 代表反离子的电荷数的绝对值，该式即可应用于非对称型单电解质。
在扩散双电层中，反离子起着决定性作用。
2．表面过剩电荷表面过剩电荷Q 的数量应等于溶液中的电荷量，但符号相反，∫∞−= 0 s d )(/x x A Q ρ (48-7)式中s A 是表面积。
以式(48-1)代入，0 0 22s d d d d d d d d )(d =∞==∞⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==∫x x x x x x x x x A Q ψεψεψεψε (48-8)48.2 古艾-恰普曼的扩散双电层模型 48–3以式(48-6)代入，)2sinh(8/00s kT ze C kT A Q ψε= (48-9)0ψ是表面电势，此式即《物理化学》的式(17-96)。
如0ψ较小，由于⋅⋅⋅++=!3/sinh 3y y y ，仅取首项，得kT ze C kT A Q 2 8/00s ψε= (48-10)按《物理化学》的式(16-52)定义参数κ，kT e z C kT e z C i i i εεκ22022022 ≈=∑ (48-11)因此0s / ψκε≈A Q (48-12)由此可见，表面过剩电荷量与表面电势成正比，因而可近似地将双电层看作是一个宽度为1−κ的平板电容器，所以通常就将1−κ近似当作双电层的厚度。
由式(48-9)还可得微分电容d C ，εκψεεψ≈⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=∂∂=kTze kT e z C Q A C 2cosh2102/12200s d (48-13) 上式最后一步是由于⋅⋅⋅++= !2/1cosh 2y y ，如仅取首项，即得近似式。
它就是《物理化学》的式(17-97)。
3．第二次积分将式(48-6)移项后积分， ∫∫∫−=−=−−==x x x x x kTe z C kT ze kT ze kT ze 0 0 220)( d d 2)2/exp()2/exp()2/(d 20κεψψψψψψψ]1)2/][exp(1)2/[exp(]1)2/][exp(1)2/[exp(ln 00+−−+=kT ze kT ze kT ze kT ze x ψψψψκ (48-14)由于)1e /()1e ()e e /()e e (tanh 22+−=+−=−−y y y y y y y ，上式化为kTx ze kT ze x 4)(tanhln 4tanhln 0ψψκ−= (48-15) 或 )exp(4tanh 4)(tanh0x kTze kT x ze κψψ−= (48-16) 此即《物理化学》的式(17-94)，其中的DL x 即现在的1−κ。
如ψ较小，由于⋅⋅⋅+−=3/tanh 3y y y ，取首项可得近似式，)exp()(0x x κψψ−= (48-17)图48-1画出当8,4,2,1/0=kT ze ψ时kT x ze /)(ψ随x κ的变化，即双电层中的电势分布。
图中实线按式(48-16)求得，虚线则按近似简化式48–448 双电层和静电稳定胶体(48-17)画出。
48.3溶液中两带电平板间的电势分布为了讨论胶体颗粒间的相互作用，先从最简单的两块带电平板开始，它们间的电势分布见图48-2左，右面是单板的电势分布，即上节的结果。
设两板间的距离为d 2，式(48-3)仍适用，但边界条件变为：0)d /d ( ,)( , ;)0(,00=====d d x d d x x ψψψψψ (48-18) 如果是单电解质，式(48-3)可写为⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+−−=−−−+++kT x e z e z C kT x e z e z C x x )(exp )(exp 1d )(d 0022ψψεψ (48-19) 对此式积分一次，得×−=εψkT x x 2d )(d kTe z C kT e z C kT e z C kT e z C dd ψψψψ−−++−−++−−−−−+−exp exp exp exp0000 (48-20)如0<ψ，式右应取+号。
第二次积分难以得解析式，如用数值积分涉及变量很多、很繁，因而需引入各种简化。
1．ψ较小时将式(48-20)中exp 项按⋅⋅⋅+++=!2/1e 2y y y展开并截至平方项，图48-1 双电层中的电势分布图48-2 两带电平板间的电势分布48.3溶液中两带电平板间的电势分布 48–5得22)(d )(d d x xx ψψκψ−−= (48-21) 积分此式，可得) cosh()](cosh[)(0d x d x κκψψ−=，)cosh(10d d κψψ= (48-22)这些式子形式很简洁，适用于稀溶液，但对理解胶体的稳定性却帮助不大。
这是因为κ中各种离子的电荷数i z 均以平方形式出现，因而不能反映出反离子的突出贡献。
2．ψ较高时式(48-20)能够反映出反离子的作用，这在前面对式(48-6)的讨论中已阐明。
对于对称型单电解质，采用离子电荷数的绝对值z ，式(48-20)可化为kTze kT x ze kT C x x d ψψεψcosh 2)(cosh 22d )(d 0−−= (48-23) 即使是不对称电解质，类似于式(48-6)，令反离子的电荷数的绝对值为z ，此式可同样适用。
进一步积分，先进行变量变换，令x kTze U kT ze Z kT ze Y d , , ,0κξψψψ====(48-24) 式(48-23)变为U Y Ycosh 2cosh 2d d −−=ξ(48-25)在0=ξ到d κξ=间积分，得 [])e arcsin ,e ()2,e (e 2)/2(Z /2U U U U F F d −−−−−−π/=κ (48-26)∫−=ϕααϕ 022 sin 1d ),(k k F (48-27)式(48-26)已由Verwey 和Overbeek 制成数值表格。
图48-3画出了U 与d κ的关系，即半宽时的电势与板间距的关系。
由图可见，d ψ随d 减小而升高，随z 增大而升高。
如板上过剩电荷为负，由图所得d ψ改为负号。
3．板距较大时这时，两板的扩散双电层可简单叠加，按式(48-16)，由于d ψ很小，将)4/tanh(kT ze d ψ展开取首项，并乘以2，得48–648 双电层和静电稳定胶体)exp(4tanh 80d kTze ze kTd κψψ−= (48-28) 4．表面过剩电荷以式(48-25)代入式(48-8),得)cosh (cosh 4/0U Z kT C A Q s −=ε (48-29)48.4溶液中两带电平板间的静电斥力和位能1．静电相互作用的吉氏函数设想相距为d κ的两板上原来电荷为零，然后逐步充电至具有表面过剩电荷Q ，所作之功，它对应于吉氏函数变化d G Δ(按一块板计算)，∫==−=Δ000 00d ψψψψQ G d (48-30)以式(48-29)代入，积分得⎩⎨⎧−+−−−=Δ−U Z d kT C A G U U dcosh 2cosh 22)e 2e 3(220s κκ[]})e arcsin ,e ()2/π,e (e 4)/2(Z /2U U U U E E −−−−−− (48-31)∫−=ϕααϕ 0 22d sin 1 ),(k k E (48-32)当∞→d ，0=U ，得单块平板的吉氏函数变化，⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=Δ∞=42cosh 420s Z kT C A G d κ(48-33)图48-3 半宽时的电势与板间距的关系48.4溶液中两带电平板间的静电斥力和位能 48–7式(48-31)与式(48-33)之差乘以2，即两带电平板的单位面积静电排斥位能s esA E 板板，s s es)(2A G G A E d d ∞=Δ−Δ=板板 (48-34)2．两板间的斥力设两板外的压力为0p ，两板间中点的压力为d p ，rep 0p p p d =−，即为排斥压力，在两板外必须施加同样大小方向相反的两个力，才能维持平衡，参见图48-4。