双电层及其结构模型

电化学
双电层
双电层
1.自发形成的双电层种类 2.人为可控的双电层结构 3.双电层模型理论 4.双电层结构的意义
双电层
自发形成的双电层种类
过剩离子双电层
水化作用
Zn2+ Zn
Zn2+
静电引力
水化作用＞静电引力
水化作用
Cu2+ Cu
Cu2+
静电引力
静电引力＞水化作用
额外电场E
电子 锌离子
-+ -+
阻碍Zn2+进一步从晶格中转移
双电层
双电层模型理论
紧密/分散层模型（Stern理论)：认为双电层由内层的紧密层和外层的分散层 两部分组成
双电层
双电层结构的意义
为什么要研究双电层？
双电层是电子导体和电解质溶液的界面区，是电化学反应和电化学现象发生 的场所。
双电层
双电层结构的意义
为什么要研究双电层？
双电层是电子导体和电解质溶液的界面区，是电化学反应和电化学现象发生 的场所。
自发形成的双电层种类
偶极分子定向排列形成的双电层
+-
+-
Me
+-
+-
+-
+-
阻碍偶极分子在电极表面的定向排 列----最终形成了稳定的双电层结构
双电层
人为可控的双电层结构
双电层
双电层模型理论
紧密层模型（Helmgoltz理论)：双电层两层电荷趋向于紧贴电极表面排列
双电层
双电层模型理论
分散层模型（Gouy-Chapman理论)：考虑溶液相中离子的热运动，离子分 布符合玻尔兹曼分布，完全忽略紧密层的存在

组织工程
双电层结构在组织工程领 域的应用主要涉及仿生细 胞外基质的设计，以促进 细胞生长和功能化。
生物传感器
双电层理论在生物传感器 设计中发挥关键作用，能 够提高传感器的灵敏度和 选择性。
06
结论与展望
研究结论
总结了双电层的形成机制和影响因素，包括电解质 浓度、表面活性剂和胶体颗粒的存在等。
分析了双电层的结构和性质，包括电位分布、电荷 密度和电导率等，揭示了其与物质传递和化学反应 过程的关系。
实验与理论相结合
应用导向的研究
双电层的研究将更加注重实际应用， 解决能源、环境、生物医学等领域中 的实际问题，推动科技成果转化和应 用。
未来的研究将更加注重实验与理论的 结合，通过实验验证理论预测，同时 通过理论指导实验设计和解释。
双电层研究的挑战与机遇
挑战
双电层的行为和性质受到多种因素的影响，如表面电荷分布、溶液组成、离子 浓度等，如何全面理解和掌握这些因素对双电层的影响是当前研究的难点。
03
双电层的结构模型
结构模型的种类
物理模型
通过物理手段模拟双电层的形成和结构，如电泳、 电聚焦等。
数学模型
通过建立数学方程来描述双电层的性质和行为，如 电位分布、离子浓度等。
计算机模拟模型
利用计算机技术模拟双电层的结构和行为，如分子 动力学模拟、蒙特卡洛模拟等。
结构模型的建立方法
80%
实验测量
深入研究双电层在生物医学领 域的应用，如药物传递、基因 治疗和组织工程等，以提高治 疗效果和降低副作用。
深入研究双电层在生物医学领 域的应用，如药物传递、基因 治疗和组织工程等，以提高治 疗效果和降低副作用。
THANK YOU
感谢聆听

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三、电毛细曲线法和微分电容法比较
求q ：电毛细曲线法利用σ~φ曲线的斜率求q
d/dq
微分电容法是利用Cd~φ 曲线下方的面积求q，
微分电容法：根据微分电容曲线所提供的 信息来研究界面结构与性质的实验方法。
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微 分 电 容 曲 线
图4-6滴汞电极在不同浓度氯化钾溶液中的微分电容曲线
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微分电容曲线的应用：
利用 判断0 q正负 ；
研究界面吸附 ；
求剩余电荷q、积分电容Ci (从φ0到某一电位φ之间
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2
第一节 概述
一、研究电极/溶液界面性质的意义
界面的结构和性质对电极反应的影响： （1）界面电场对电极反应速度的影响
通过控制电极电位有效地、连续地改变电 极反应速度 （2）电解液性质和电极材料及其表面状态的 影响
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3
二、研究界面结构的基本方法
1、电极/溶液界面、界面结构和性质
恒定一个电位，通过
调节贮汞瓶高度使弯月
面保持不变，从而求
得。
Hale Waihona Puke 图4-2 毛细管静电计示意图
2021/3/10
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思考：电极电位变化怎么能导致界面张力发生变化呢？
电毛细曲线:
图4-3电毛细曲线（Ⅰ）与表面电荷剩余电荷密度与电位曲线（Ⅱ）
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3、电毛细曲线微分方程
理想极化电极表面电毛细曲线的微分方程：
根据一定的界面结构模型来推算界面参数 ， 根据实验测量数据来检验模型。
研究的基本方法：充电曲线法 、微分电容曲线 法、电毛细曲线法

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。

13
结论：
（1）不论电极表面存在正剩余电荷还是负剩余 电荷，界面张力都将随剩余电荷数量的增加而 降低。 （2）根据电毛细曲线的微分方程 ，可以直接通 过电毛细曲线的斜率求出某一电极电位下的电 极表面剩余电荷密度q，也可以方便地判断电 极的零电荷电位值和表面剩余电荷密度的符号。
14
二、双电层的微分电容
4
2、研究电极/溶液界面的思路：
通过使用一些可测的界面参数来研究电极/溶 液界面； 根据一定的界面结构模型来推算界面参数 ， 根据实验测量数据来检验模型。 研究的基本方法：充电曲线法 、微分电容曲线 法、电毛细曲线法
5
3、研究电极/溶液界面对研究电极的要求
直流电通过一个电极时，可能 起到以下两种作用：
d /d q
微分电容法是利用Cd~φ 曲线下方的面积求q，
q dq C d 微分电容法更精确和灵敏。 0 d
0
q

微分电容法的应用更广泛 微分电容法和电毛细曲线法都是研究界面结构 与性质的重要实验方法，二者不可偏废。
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四、零电荷电位
1、零电布和电位分布
双电层的金属一侧，剩 余电荷集中在电极表面。 在双电层的溶液一侧， 剩余电荷的分布有一定 的分散性。 d为紧贴电极表面排列的 水化离子的电荷中心与 电极表面的距。
图4-11金属/溶液界面剩余电荷与电位的分布
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（1）紧密层电位分布：从x=0点到x=d的范围内 不存在剩余电荷，这一范围即为紧密层。紧密 层厚度为d。如果紧密层内的介电常数是恒定 的，则该层内的电位分布是线性变化的。
34
图4-9 考虑了热运动干扰时的电极/溶液界面双电层结构
35
在金属相中：金属中全部剩余电荷都是紧密 分布，金属内部各点的电位均相等。 在溶液相中： （a）当溶液总浓度较高、电极表面电荷密度较 大时，溶液中剩余电荷倾向于紧密分布，形 成图4-8的紧密双电层。

+
+
电
e
化
n e-
e
大
学
eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e
e
浙
江
Me
e
e
e
e
e
e
n 1 e-
n1+n2=n
O+n2 e-→R
化
学
2.3双电层模型理论
江
大
学
电
（1）紧密层模型（Helmgoltz理论）：双电层两侧电荷趋向于紧贴电极表面排列
ф
浙
Δф
过剩离子双电层
离子特性吸附双电层
偶极分子定向排列双电层
d
双电层厚度
x
浙
江
大
学
电
化
符合玻尔兹曼分布，完全忽略紧密层的存在。
学
（2）分散层模型（Gouy-Chapman理论）：考虑溶液相中离子的热运动，离子分布
金属
溶液
（3）紧密/分散层模型（Stern理论）：认为双电层是由内层的紧密层
浙
江
大
学
电
化
学
和外层的分散层两部分组成的。
金属
溶液
2.4 双电层结构的意义
学
（1）双电层是电子导体/电解质溶液的界面区，是电化学反应和电化学现象发生的场所。
将d=0.5nm代入，C ≈10 μF/cm2
其中Δ ≈1nm
化
=


电
=


学
③双电层内电场的大小
Δ(Δ)
Δ
= 1 × 109 Τ
江
改变值将为Δ =
大
学
虽然ΔV 未知，但如果双电层两侧电压变化1V时（即Δ(Δ) =1V），则双电层内电场的

调节贮汞瓶高度使弯月
面保持不变，从而求
得。
图4-2 毛细管静电计示意图
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思考：电极电位变化怎么能导致界面张力发生变化呢？
电毛细曲线:
图4-3电毛细曲线（Ⅰ）与表面电荷剩余电荷密度与电位曲线（Ⅱ）
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3、电毛细曲线微分方程
理想极化电极表面电毛细曲线的微分方程：
双电层及其结构模型
➢主要内容：
研究界面电化学的意义，电毛细曲线及双电层电容， 双电层结构及理论模型。
➢教学要求：
1．了解研究界面电化学的意义，平板电容器的双电 层模型，分散双电层模型。
2．理解电毛细曲线的测定，微分电容法，GCS分散 型双电层模型。
3．掌握理想极化电极、零电荷电势的定义，双电层 结构。
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第二节 电毛细现象 和双电层微分电容
一、电毛细曲线
1、电毛细现象和电毛细曲线概念
视频1
视频2
电毛细现象：界面张力σ随电极电位变化的 现象。
电毛细曲线：界面张力与电极电位的关系曲 线。
2020/11/13
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2、 电毛细曲线的测定
体系平衡时：
gh 2cos
r
∴
gr K h 2cos
恒定一个电位，通过
的平均电容称为积分电容 Ci 积分电容Ci和微分电容Cd的关系：
q
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2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”

双电层及其结构模型课件
• 双电层概述 • 双电层的结构模型 • 双电层的应用 • 双电层的实验研究方法 • 双电层研究的挑战与展望 • 双电层理论在实践中的应用案例
01
双电层概述
双电层的定义
总结词
双电层是指吸附在固体颗粒表面的带电薄层。
详细描述
双电层是由固体颗粒、水和电解质组成的系统中的静电作用力所形成的带电薄 层。这个薄层分为紧密层和扩散层两部分，其中紧密层吸附在固体颗粒表面， 而扩散层则与紧密层保持一定的距离。
唐南模型
总结词
唐南模型引入了唐南势的概念，描述了双电层中离子与溶剂分子间的相互作用。
详细描述
唐南模型认为，双电层中的离子与溶剂分子之间存在相互作用，这种作用会影响离子的分布。唐南模 型通过引入唐南势的概念，描述了这种相互作用及其对离子分布的影响。该模型进一步深化了人们对 双电层结构的理解。
萨尔瓦托雷模型
粒子电泳法
总结词
利用粒子在电场中的移动行为，研究双电层的结构和性质。
详细描述
粒子电泳法是一种实验方法，通过测量粒子在电场中的移动行为，分析双电层的结构和 性质。该方法可以用于研究粒子在双电层中的吸附和脱附行为，以及双电层的结构和电
化学性质。
表面张力法
总结词
通过测量表面张力随溶液离子浓度的变化，分析双电层 的结构和性质。
03
双电层的应用
在电化学中的应用
电池
双电层理论在电池领域的应用主要涉 及电极过程动力学和电化学反应机制。 通过研究双电层的形成和演化，可以 优化电池的充放电性能，提高电池的 能量密度和寿命。
电镀和电化学抛光
在电镀和电化学抛光过程中，双电层 理论有助于理解金属离子的沉积和溶 解过程，从而优化工艺参数，提高镀 层质量和抛光效果。

克服
运动时固液相之间电势差（ζ 电势）
的缺
的区别；
陷
③没有考虑带电粒子的水化作用，明显 不符合实际情形
2.2 Gouy-Chapman 模型
• 1910 年和 1913 年，Gouy 和Chapman 分别对 Helmholtz 模型进行修正，提出了扩散双电层模型如 图所示： Gouy 和 Chapman 对该 模型作出了若干假设 （1）质点表面是无限 大的平面，且电荷分布 均匀； （2）扩散离子是点电 荷，其分布服从 Boltzmann定律； （3）溶液的介电常数 处处相同。
电泳 电动 流动电势 ห้องสมุดไป่ตู้降电势
颗粒在电场中 做定向移动的现象
若将颗粒固定，水会向负 极移动，该现象称为电渗
将液体压过多孔陶瓷片时， 在流动方向上会产生电势差
液体中的粒子发生沉降 时，也会产生电势差。
对电动现象的认识
上述事实表明：固、液两相 表面带有电荷。带有电荷的固 体表面必然吸引液体中电量相 等、电性相反的电荷环绕在其 周围，于是在固、液两相界面 之间形成电量相等、电性相反 的双电层。
2.双电层理论同时也是表面化学和 胶体化学的重要理论基础。
3.在电化学分析领域，利用双电层对电毛 细现象的成功解释，由此发展起的极谱法。
4 双电层理论的应用
如图 5 所示的“极谱法”测定技术。
海洛夫斯基与 Ilkovie 导出了极谱 基本方程式
(17)
式中，Ε1/2为半波电 势，Id为极限电流
双电层电容器
结语
谢谢大家！
电化学基础(Ⅲ)——双电层 模型
双电层模型描述了电极与溶液相界面 之间电荷层的结构，是电极平衡和电极 过程动力学在电化学过程中的具体表 现，是现代电化学的基础理论之一。双 电层理论对现代电化学的推动作用主 要体现在电化学分析方法与双电层电 容器等领域。

双电层及其结构模型课件
目 录
• 双电层概述 • 双电层的结构模型 • 双电层的应用 • 双电层研究的挑战与展望 • 实验操作与演示 • 习题与思考
01 双电层概述
双电层的定义
总结词
双电层是吸附在电极表面上的带电物质层。
详细描述
双电层是指吸附在电极表面上的带电物质层，通常由电解质溶液中的离子吸附 形成。在电极表面，带电物质层的电荷分布与体相溶液中的电荷分布不同，形 成一个具有特殊性质的界面层。
电层研究带来新的突破。
05 实验操作与演示
双电层实验操作
准备实验材料
配置电解质溶液
准备电解质溶液、电极、电导率计、离心 机等实验器材和试剂。
根据实验需要，配置不同浓度的电解质溶 液，确保溶液的纯净度和浓度符合实验要 求。
电极处理
实验操作
对电极进行预处理，如打磨、清洗等，以 提高电极表面的电导率和活性。
03 双电层的应用
在电化学中的应用
电池
双电层理论在电池领域的应用主要涉及电极过程动力学和电 化学反应机制。通过研究双电层的形成和变化，可以优化电 池的充放电性能，提高电池的能量密度和寿命。
电镀
电镀过程中，双电层理论用于解释金属离子在电极表面的吸 附和还原过程，从而指导电镀工艺的优化，提高镀层的质量 和均匀性。
结论总结
根据实验结果，总结双电层的形成机制、影响因素以及与物质吸附 和电化学反应的关系。
06 习题与思考
基础习题
01
02
03
04
1. 请简述双电层的概念。
2. 列举双电层的形成原 因。
3. 描述双电层的结构特 点。
4. 解释双电层对物质吸 附和分离的影响。
思考题