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什么是德拜屏蔽?为什么要知道德拜长度?

更新时间:2022-04-13      点击次数:2408

在胶体体系中颗粒间的运动和力通常相邻颗粒的电荷影响。当我们测量zeta电位时,颗粒的有效电荷的测定才是真正要探讨的问题。换言之:zeta电位是衡量一个颗粒/分子的电荷是如何影响另一个颗粒/分子的运动的。全电位描述了(探针)颗粒受电荷影响的程度作为距离的函数当然会随着距离的变化而变化:当一个带正电的探针颗粒靠近另一个带正电的颗粒时,它会非常“注意"另一个带正电的颗粒的电荷——然而,当它离另一个粒子较远时,它不会太“注意"它。物理学将其描述为静电势随1/r或探针与颗粒之间距离的变化而下降。

当样品通过在分散液中添加额外的离子而改变时,如盐NaCl的存在,会发生一个有趣的效果盐的离子(也会有正的[Na+]和负的[Cl-]离子)会在带正电荷的颗粒周围排列。当存在大量盐时,许多离子将倾向于在颗粒周围形成一团离子,这将产生屏蔽或减弱颗粒净电荷的净效应。这种效应以德拜命名,这种屏蔽的一个特征长度量度称作德拜长度,它是与静电力显著减小(到1/e)的颗粒的距离。高浓度盐的缓冲液或溶液的德拜长度很小,只有少量额外离子的溶液的德拜长度很长。

对于25℃水溶液中的单价离子,Debye-Hückel德拜长度1/以纳米为单位(最终可从DLVO理论推导)。作为水缓冲液中典型德拜长度的一个例子

100mM的盐:~1nm德拜长度

10mM的盐:~3nm德拜长度

1mM的盐:~10nm德拜长度

 

德拜屏蔽与zeta电位

因为离子对静电势的影响,这种影响在zeta电位的测量中可以观察到。Zeta电位测量是一种测量在胶体双电层滑动面上静电势影响强度的方法。当向胶体样品中加入更多的离子时,有效zeta电位将降低,因为它被Debye-Hückel屏蔽云中的反离子所“屏蔽"。当减少样品中离子的存在时,情况正好相反:电荷现在到达更远的地方,其净效应更强,从而产生更强的zeta电位。

在不同离子强度的硝酸锂LiNO3中制备的氧化铝颗粒数据中可以观察到这种效应:较低的盐浓度显示出较强的zeta电位,而较高的盐浓度抑制了观测值,使zeta电位更接近于零。

 

德拜长度和价态

离子的价态Z德拜长度有影响:价态越大,德拜长度越小,即离子屏蔽静电力的效率越高。有趣的是,当进行电解质聚沉时,且“目标"zeta电位接近于零时,具有较大价态的离子能够更早地影响聚沉,即聚沉发生在较低浓度下。

多价态离子尤其重要。它们对表面电荷屏蔽的影响与反离子价态有关。二价反离子的聚沉浓度平均比一价离子低100倍左右,三价离子的聚沉浓度平均比一价离子低1000倍左右。这被称为Schulze-Hardy法则,是对在水处理厂中使用铝[Al3+]或铁[Fe3+]离子导致具有负zeta电位的颗粒聚沉的解释。

因此,盐或其他离子的存在对胶体样品中的静电力的到达有很大的影响。

国分散科技公司(DTI)专注于非均相体系表征的科学仪器业务。 DTI开发的基于超声法原理的仪器主要应用于在原浓的分散体系中表征粒径分布、 zeta电位、流变学、固体含量、孔隙率,包括CMP浆料,纳米分散体,陶瓷浆料,电池浆料,水泥家族,药物乳剂等,并可应用于多孔固体。

除了zeta电位和电导率测定外还能同时给出胶体颗粒的德拜长度杜坎数表面电荷密度等微观电学性质信息。

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