胶粒的双电层理论
2.5 双电层理论和电势
分子层的厚度，后被称为
Stern层； 由反号离子电性中心
构成的平面称为Stern平面。
Stern模型
由于离子的溶剂化作
用，胶粒在移动时，紧密
层会结合一定数量的溶剂 分子一起移动，所以滑移 的切动面由比Stern层略右 的曲线表示。 从固体表面到Stern平面， 电位从0直线下降为 。
电势
§2.5 双电层理论和 电势
当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择
性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作
用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同 符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。 早在1879年，Helmholz提出了平板型模型； 1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型， 提出了扩散双电层模型； 后来Stern又提出了Stern模型。
带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液
体本体之间的电位差称为 电势。 在扩散双电层模型中，切动面AB与溶液本体之间
的电位差为 电势； 在Stern模型中，带有溶剂化层的滑移界面与溶液 之间的电位差称为
电势。
电势总是比热力学电势低，外加电解质会使
电势变小甚至改变符号。
只有在带电质点移动时才显示出
又被称为电动电势。
电势，所以它
扩散双电层模型 吸附离子 胶粒表面 紧密层 (离子和溶剂化分子） 反号离子 扩散层
ζ电势： 胶粒表面滑移界面处的电势。 胶粒表面热力学电势φ和电动电势（ζ电势） 的区别： ① 发生在不同的部位； ② 大小不同，一般情况下ζ电势只是热力学 电势的一部分，其绝对值小于φ。
电势
a
d '' d' d
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
双电层模型(精)
2. 胶体粒子的双电层结构
粒子的相反电荷离子是由紧密层 和扩散层两部分组成。
电 势
+ +
+++++++++
（设粒子荷负电）
+Leabharlann +扩散层紧密层中的反号离子被束缚在胶
体粒子周围， 扩散层中的反号离子虽受胶体粒 子的静电引力的影响，但可脱离 胶体粒子而移动。
紧密层
双电层示意图
电 势
+ +
+
+++++++++
+
0
0 ：固体表面和液体内部的总
的电位差
紧密层
扩散层
动电位（电势）: 紧密层的外界面与本体溶液之间的电 势差。 电势决定着胶体粒子在电场中的运动速度。
d
电势对其它离子十分敏
感，外加电解质的变化会引起 电势的显著变化。因为外加 电解质浓度加大时，会使进入 紧密层的反号离子增加，使得 粒子外界面与溶液本体的电 势差减小，即 电势下降， 从而使双电层变薄。
AgI
碘化银胶团示意图（KI过量）
(AgI) m nI (n x)K xK 扩散层 紧密层 胶核
胶粒 胶团
x
（1）整个胶团是电中性的。 （2）胶粒电荷的符号取决于被吸附离子的符号，胶粒带电 的多少由被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差（n - x）来决 定。
d
0 ´
b'
b
电解质对电势的影响
当电解质浓度增加到一定程度时，扩散厚度变零， 电势 也变为零。这就是胶体电泳的速度会随着电解质浓度的加大而 变小，甚至变为零的原因。
胶体部分
1.胶粒的扩散双电层结构先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核。
胶核是固相，有很大的表面积，具有选择吸附离子的能力。
胶核选择吸附某一种离子(决定电势离子)，形成紧密吸附层；未被吸附的异电离子由于由于静电引力的作用聚集在胶核的周围，但由于热运动的结果，它们是逐渐向外扩散的分为固定层和扩散层，从而形成了一个电中性的胶团。
固定层(也叫吸附层)由于吸附紧密，所以固定层是永远和胶核一起运动的。
扩散层，在电场中它和胶粒取相反的方向运动，固定层和扩散层合起来叫做双电层。
胶核、紧密吸附层与固定层中的反号离子，形成带有与紧密层电性相同的一定电荷数的胶粒3. DLVO 理论由此可得，两胶粒间总相互作用势能为：U A +U R；当粒子相距较大时，主要为吸力，总势能为负值；当靠近到一定距离，双电层重叠，排斥力起主要作用，势能升高；在越过能峰后，势能迅速下降。
要使粒子聚结必须克服这个能峰，因此，促成了溶胶具有动力稳定性。
DLVO理论成功地解释了电解质聚沉能力间的规律，也较好解释了溶胶具有聚结不稳定作用的实质1949年由 W.C.Griffin 率先提出LB值论点，说明表面活性剂分子中的亲水基团与亲油基团的平衡关系。
在HLB中H"Hydrophile" 表示亲水性，L为"Lipophilic"表示亲油性，B是"Balance"表示平衡的意思。
表面活性剂的亲油或亲水程度可以用HLB值的大小判别，HLB值越大代表亲水性越强，HLB值越小代表亲油性越强，一般而言HLB值从1 ~ 40之间。
HLB=7+11.7 lgM W /M 0式中M W 和 M 0 分别为表面活性剂分子中亲水基团和亲油基团的分子量。
3~6作W/O型乳化剂；7~9作润湿剂；8~18作O/W型乳化剂；13~15作去污剂；15~18作增溶剂。
胶团micelles 又称胶束。
表面活性剂的溶液，在其化学计量浓度大至某一数值（严格地说是一个很窄的浓度范围）时，溶液的各种宏观性质就发生突变。
弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识（一）
弄懂锂电池浆料必须了解的理论知识（一）1-2，双电层理论双电层理论可用以解释胶体中带电离子的分布情形，以及粒子表面所产生的电位问题。
19 世纪Helmholtz 提出平行电容器模型以描述双电层结构，简单的假设粒子带负电，且表面如同电容器中的电极，溶液中带正电的反离子因异电荷相吸而吸附在粒子表面。
然而这个理论却忽略了带电离子会因热运动产生扩散行为。
因此，在20世纪初Gouy与Chapman 提出扩散双电层模型，在溶液中的反离子会因静电作用吸附于带电粒子表面，同时受热运动影响而在粒子周围扩散。
因此，反离子在溶液中的分布浓度将随粒子表面的距离增加而下降。
1924 年，史特恩(Stern)将平行电容器与扩散双电层两种模型加以结合，以描述双电层结构。
Stern认为反离子会在粒子表面形成紧密的吸附层，亦称Stern layer，随着与粒子表面距离增加，粒子的电位会呈现线性下降，同时Stern layer外亦有扩散层的存在，并且粒子于扩散层中的电位会随距离增加而指数下降。
下图为Stern双电层模型，zeta电位(ξ,Zeta potential)为双电层模型中极重要的参数，实际测量时并无法直接测得粒子的表面电位，但可由声波法或是电泳法计算出粒子的zeta电位。
双电层模型中Stern 层与扩散层间的剪切平面上存在zeta电位。
zeta电位与胶体的分散稳定性有密切的关系，当zeta电位愈大时，胶体粒子表面上的静电荷愈多，当粒子于水溶液中的zeta电位达到±25~30mV 以上时，胶体有足够的静电排斥力克服粒子间的范德华力以维持胶体稳定性。
Stern 双电层模型而胶体粒子表面的电荷来源有：1）离子解离(Dissolution)离子结晶型胶体粒子，组成离子具有不同的分解速率，产生表面电荷。
离子与粒子表面和液相间的亲和性不同，也是粒子表面带电的原因之一。
2）离子化(Ionization)当胶体表面具有额外的强酸碱、弱酸碱等官能基，如：羧酸或胺基等时，这此表面活性基会与溶液中的氢离子或氢氧根离子反应，产生如COO-、NH3+ 等使粒子表面带负电或正电。
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。
双电层模型
AgI
碘化银胶团示意图（KI过量）
(AgI) m ⋅ nI − ⋅ (n − x)K + ⋅xK + 胶核 扩散层 紧密层
胶粒 胶团
x−
（1）整个胶团是电中性的。 ） （2）胶粒电荷的符号取决于被吸附离子的符号，胶粒带电 ）胶粒电荷的符号取决于被吸附离子的符号， 的多少由被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差（ 被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差 的多少由被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差（n - x）来决 ） 定。
对于双电层的具体结构， 对于双电层的具体结构， 最早于1879年Helmholtz提出平板模型； 年 提出平板模型 最早于 提出平板模型； 1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板模型，提出 年 修正了平板模型， 和 年 修正了平板模型 了扩散双电层模型； 扩散双电层模型； 后来1924年Stern又提出了 年 又提出了Stern模型。 模型。 后来 又提出了 模型
1. 溶胶粒子的结构
以AgI的水溶胶为例。 固体粒子AgI称为“胶 核”。若稳定剂是 KI ，则胶核 吸附I－带负电，反号离子 K+一部分进入紧密层，另 一部分在扩散层。胶核与 紧密层的反号离子构成 “ 胶粒 ”。溶胶中的独立运 溶胶中的独立运 动单位是胶粒，胶粒与扩 动单位是胶粒 散层离子构成“胶团”。可用下式 表示：
胶体微粒受电解质的影响使双电层变薄的理论称为 双电层压缩理论。 双电层压缩理论。 根据这一理论， 根据这一理论，可以解释为何在河流与海洋交界的 河口地区有大量的泥沙沉积。 河口地区有大量的泥沙沉积。
甚至胶体粒子有时会由于某种电 解质的加入而改变电泳方向， 解质的加入而改变电泳方向，即ζ 电 势改变符号。此时， 势改变符号。此时，进入紧密层的 反号离子电荷除中和固体表面的电 荷外还有剩余。 荷外还有剩余。
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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。
Thank you !
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 度有关，离子强度越大，厚度越小，而高价离子对 扩散层厚度影响更大，当扩散厚度减小时，ξ电位也 随之降低，稳定性降低。 其原因：电解质对扩散层有压缩作用（直接压缩 ； 进一步把反离子压缩进紧密层，ξ电位降低，扩散层 厚度降低。） 离子强度：电解质的浓度，离子价数
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。 结果： 由于直接压缩，以及高价离子的离子交换和吸附作 用。扩散层减小，电动电位降低，直到使全部反离 子都由扩散层进入紧密层，电动电位降为零。 这时胶团的吸附层中正负电荷相等，胶团变为电中 性，达到等电状态（等电点），消除了水乳胶体系 的稳定性。
带相反电荷胶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。
带同种电荷胶体颗粒双电层相互作用
影响因素： 双电层之间的相互作用受胶体颗粒表面性质和胶体 颗粒周围溶液两方面因素的影响。
研究不同价态组合型电解质(如1价阳离子／1价阴离 子，1价阳离子／2价阴离子)对双电层相互作用的影 响时发现 ：
①同号离子比反号离子对双电层相互作用的影响要 大，尤其是高价态的同号离子在表面电位高时影响 更大。 ②相同价态的同号离子对双电层相互作用的影响差 异不大 ③双电层相互作用的程度随电解质浓度的增加而减 小。 ④随着两带正电荷平面之间距离的减小，双电层相 互作用力会急剧地持续增加，而且总是表现为相互 之间的排斥力。
ξ电位只有在固液两相发生相对移动时才能呈现出来. ξ电位的大小反映了胶粒带电的程度, 其值越高表明 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。
废水处理常用的絮凝剂： ① 无机盐类：硫酸铝、明矾、三氯化铁水合物 ② 无机盐类聚合物：聚合氯化铝(PAC) 、聚合硫酸 铁 ③ 有机类化合物：如高聚合的聚丙烯酸钠，聚乙烯 吡啶、聚丙烯亚胺，聚丙烯酰胺等
PS:絮凝过程是比较复杂的物理、化学过程，迄今 为止还没有一个统一的认识（电荷中和作用、吸附/ 架桥作用 ）。
带相反电荷胶体颗粒之间相互作用与胶体团聚行为 的关系是人们关注的热点。 机理：由于静电引力的作用，带相反电荷的胶体颗 粒相互靠近，导致胶体颗粒表面双电层的扩散层发 生部分重叠，从而降低胶体颗粒表面的有效电荷密 度。 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。
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。
胶核表面上的电位称为热力学电位，而在扩散层表 面处的电位称为ξ（zeta）电位。
稳定与絮凝
胶体的稳定因素：动力学稳定性、溶剂化稳定、表 面带电（双电层）。 高价电解质或电解质的浓度足够大，使胶粒扩散层 压缩， ξ电位降低，胶粒间排斥作用就减弱，这时 胶粒之间就会发生凝聚。 当ξ为零时（等电点），乳胶粒最不稳定，凝聚作用 最剧烈，这就是用絮凝剂对乳液进行絮凝的机理。
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。