第六讲、胶体的电学性质

例如，蛋白质溶于纯水中几乎是电中性的，可是在酸性溶液中它却带正 电荷，而在碱性溶液中它却带负电荷。这是因为蛋白质同时含有羧基和氨 基，是两性电解质，既可看作弱酸，也可看作弱戚。它在酸性介质或碱性 介质中发生如下的电离反应：
4．当固体具有N型(空穴型)或P型(电子过剩型)缺陷时，
它具有俘获带负电粒子或带正电粒子的能力
1924年，Stern提出双电层结构的一种新理论: 两个观点:


1)、考虑到固体表面上的吸附作用，尤其是持殊吸附作用； 2）、考虑到了离子具有一定大小。
Stern双电层模型
4.1 电泳的极限方程
UE
表尔单位电场强度下粒子的运动速度，这一速度称为粒子的移动 速率 ζ —-电位是滑动面上的电位
2．电渗速度的测量

为了能够观察电渗速度，可以在一密闭他中引入一些起标记作用的 微粒。这样可以直接用显微镜观察在外电场作用下粒子移动的速度， 从而确定其电渗速度。如果密闭的电渗池采用圆柱形，在外电场作用 下，带电粒子在他中向一电极方向移动；同时，靠近池壁的液体则向 另一方向流动，这就是电渗流。由于电渗他是封闭的，故液体必然在 他的中心产生回流。如图4—18所示。
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式中，c为依赖于旧数值的常数。 (1)、当κα＜o．1时，C＝1／1.5； （2）当κα ＞100时，C＝1．o
4.5、电渗与流动电位

．4.5.1
定义:
电
渗
电渗是指在外电场作用下液体相对于带电表面的移动现象
电渗速度方程:
4.5.2 流动电位

定义:
流动电位现象是电渗的逆过程。当液体受压力作 用通过毛 细管时，靠近毛细管壁双电层中的扩散层带着反电荷也跟着向管的一 端流动，这样便形成了流动电流Is。由于扩散层的流动使电荷积聚， 并因此而建立起一个电场。这个电场会导致液体体相中出现反向电 流——电导电流IC, 当Ic＝Is时，即建立稳态平衡。此时在毛纫管的 两端产生一个静电电位，这就是流动电位，它是液体所受外压力的函 数。
(2)从科学的发展来看．双电层结构有三种不同 的模型，一是最古老的Helmoltz双电层学说。这 是一种双电层的电容器模型，把固体表面电荷看 作电容器的一面，而把被它吸引的反号离子看作 是电客器的另一面； 二是(Gouy双电层模型。它把被固体表面电荷吸 引的反号离于看成是由扩散状分布而形成的扩散 层； 三是Stern双电层模型。它认为部分反亏离子会由 于特殊吸附而在固体表面上形成一层相对稳定的 固定层，这一固定层会随着固体表面的移动而移 动、，其余的反号离子列以扩散层的形式存在。
T1，T2两管的尺寸必须满足下列条件：
2．电泳光散射技术
电泳光散射是将激光光散射与显微电泳技术结合起来的



新技术。 由于显微电泳不容易精确测定粒子的位移，而激光光散 射正好弥补丁这一点，所以这种新技术实际上是用激光光 散射测定粒子在外电场作用下的位移，以获得其精确的电 泳速度。 它具有测量速度快、分辨率高和适应范围宽等优点。 它分为两种情况：
6．2 电泳参数的测量

1、显微电泳技术
它是利用超显微镜或者一般光学显微镜直接观察粒子在外电场作用下 的移动速度。这种方法不但能直接观察粒子的运动情况，而且可以任意 选择不同大小粒子进行测量；可以研究极稀的溶胶；测量的时间短且灵 敏度较高。 为避免由于池壁液体出现电渗流而引起速度 误差：设计下列装臵：
第三讲、胶体的电学性质
内容提要

在固—液界面处，固体表面上与其附近的液体 内通常会分别带有电性相反、电量相等的两层离 子，形成双电层。研究双电层结构及其理论就构 成本章第一部分内容。界面带电以后具有特殊性 质，它可在外电场作用下，使固—液界面发生相 对位移；相反，固—液界面的相对位移可以导致 电位或电流的产生，这就是电动现象。研究电动 现象及其理论，包括一些电动参数的测定就构成 本章的第二部分内容。
求解这一方程得:

若令:
则Gouy-Chapman方程式可以简化为:
Gouy-Chapman方程讨论


(1)当双电层的电位很低时:
应用函数幂级数展开式，并取一级近似，则有:
↓
↓
将此式代入则得:

Gouy—Chapmm方程与Deby-Hukel近似式比较

球面双电层:
3 Stern双电层理论


(4)随着科学的发展，新的模型代替旧的模型，新的理论 代替旧的理论。但是新的理论是在原来较粗糙、较简单的 旧理论基础上发展起来的。它不同于旧理论，它将更为完 善，更接近于实际情况。但是处理必然更为灸杂。从双电 层模型的发展可以看到，stern模型仍然含有Hclmh(11魔 模型及rduy模型的成分，但是与它们又有本质上的区别。 电动理论从H6chcl方程和加顺1uchoM入i方程的极限处理 形成到Men四方程及其校正形式都是按照这一规律发展的。 由于考虑的影响参数增多，如电导效应、松弛效应、阻滞 效应等．因而使问题变得更复杂，建立起来的一姐微分方 程只好借助电子计算机给予解决。 理论从H6chcl方程和加顺1uchoM入i方程的极限处理形成 到Men四方程及其校正形式都是按照这一规律发展的。由 于考虑的影响参数增多，如电导效应、松弛效应、阻滞效 应等．因而使问题变得更复杂，建立起来的一姐微分方程 只好借助电子计算机给予解决。


(3)人们对自然界的认识过程是逐步深入，从简到繁，从 粗到精，由表及里的过程。对双电层结构的认识也是这样 逐步深入、发展起来的。从1879年Hel60J施的“平板双电 层模型”到t9lo年出uy及1913年ChaPnmn的“扩散模型”， 再到1924年Stern的“扩散双电层模型”，整个过程是对 双电层结构认识逐步深化的过程。1947年D C Lm比肥近一 步改进了S比m模型。他认为固定层是由“内Helmh01施面 (IHP)”和“外H2tmh01吃面(O叩)”所组成。如下图所示，负 离子不水化或至少在靠近固体表面方向不水化；正离于则 发生水化。若固体表面上吸附负离子及一定程度定向排列 的极性水分子。吸附负离子中心线所构成的平面就是 Iw(小)，所有特殊吸附离子都落在1Ey层内。水化正离子 别在其外面，它们中心线所构成的平面就是OHP(久)。这 就相当于Stem模型中的stem面、水化正高于的外层构成的 平面就是滑动面(C)。再外面就是扩散层。由此可见，C r； h删的双电层模型对固定层有史深入的研究。
4．6 电渗参数的测量
主要测量的电渗参数有两个: (1)、单位时间内由于电渗作用流出来的液体体积；

（2）、电渗速度。
1．电渗流出的波体体积的测量
1．电渗流出的液体体积的测量

电渗速度观察装臵下面的毛细管中气泡的移动速度。

电渗的体积流量可以用气泡移动速度乘上气泡的横截面积 表示。
确定气泡的模截面公式：
1、在无外电场作用下散射光的频诺方程式为：
2、在有外电场作用下的散射光的频谱方程式为
归纳与讨论

(1)如果从现象的角度归纳本章，则本章主要讨论了静电 现象和动电现象两部分。前者讨论在没有外电场或外力作 用下，固—液接触界面的电现象。后者讨论在外电场或外 力作用下的运动现象及电现象。如果从带电界面的角度束 归纳本章，则它主要讨论了带电界面的结构和性质。前者 指双电层的结构，后者指其电动性质。结构和性质将会构 成任何一个体系完整的整体。
4．1 固体表面带电的原因
1．两相的电子亲合能不同，当它们接触时产生 接触电位 2．两个不同相离子的亲合能不相同
这包括两个相之间正、负离子的不同分布、固体表面在电解质溶液中 对各种离子的不同吸附和晶格中离子的不同溶解度。下面讨沦遏得较多 的后两种情况。
第一种情况是：固体表面对离子的吸附。
如果固体是离子晶格，则它服从Fazans-Paneth规则，即若一种离子 与晶格上电荷符号相反的离子生成难溶或弱电离化合物，则此种离子能 强烈地被离子晶体所吸附。如果固体是非离子型晶体，则它对离子的吸 附符合
2 、 扩散双电层的经典理论

2.1 Helmholtz双电层模型
式中: ，
---表面电荷密度 Ψ 。 表面电位： ε r 为介质相对介电常数； ε ‘。 为真空介电常数：
正、负离子在扩散层中的分布服从
定律，故有:
在电位为ψ处的体积电荷密度为
应用Possion方程式来描述：
将上式代入得:
(5)一个理论的形成和发展往往首先建立起 模型，然后根据这一模型进行数学方法、 物理方法、化学方法以及其他方法的处理。 而模型的建立除了丰厚的知识和充实的实 验以外，还需要高度抽象思维。因此学习 一门学科除了学习其基本知识、基本理论 以外，迈应学习其处理问题的方法，包括 抽象思维方法。



第二种倩况是离子晶体的溶解。
当组成离子晶体的离子在溶液中有不同的溶解度时， 就会使晶体表面带电：如果正离子溶解度大于负离子，则 表面带负电；相反，则表面带正电。

3、固体表面的电离
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由于这种原因带电的倩况很多。原来中性的固体表面，在不同的PH条 件下，受到溶液中H+和OH-作用而发生不同形式的电离，最后导致其表面 带电。带电的情况将随溶液中pH值而变化。