雙電層

雙電層（double layer，縮寫DL）模型是膠體化學中有關膠體結構的一個模型，是一種在物體暴露於流體時出現在物體表面的結構。物體可能是固體顆粒，氣泡，液滴或多孔介質。雙電層是指圍繞物體的兩個平行電荷層。第一層表面電荷由因化學相互作用而吸附到物體上的離子組成。第二層由受到表面電荷的庫侖力吸引的離子組成，第二層對第一層有電場屏蔽作用。第二層由自由離子組成，與物體本身的聯繫很鬆散，這些自由離子在電吸引和熱運動的影響下在流體中移動，而不是被牢固地錨定。因此，第二層被稱為「擴散層」。

雙電層中液體與帶負電荷的固體接觸的示意圖。根據固體的性質，在固體內可能有另一個雙電荷層（未標記在圖上）。

界面雙電層在表面積與體積之比較大的系統中最為明顯，例如微米尺度上的膠體或帶有納米尺度的微粒或孔的多孔體。但是，雙電層對其他現象（例如電極的電化學行為）同樣起重要的影響。

雙電層在許多日常物質中起著基本作用。例如，存在均質的牛奶僅是因為脂肪滴被雙電層覆蓋，阻止了其凝結成奶油。雙電層實際上存在於所有基於異質流體的系統中，例如血液，油漆，油墨，陶瓷和水泥漿。

雙電層與動電現象和電聲現象密切相關。

歷史

一般認為亥姆霍茲（1879）是最早提出雙電層結構模型的。他用簡單的平行板電容器來模擬膠粒的外層結構，電容的兩板平行且電性相反，一板位於質點表面上，另一板則在液體中。該模型過於簡單，無法對電動現象做出解釋。

Gouy 和 Chapman 於1910-1913年間對亥姆霍茲模型進行修正，他們認為溶液中的反離子並非平行地被束縛在與質點表面相鄰的液相中，而是擴散分布在質點周圍的空間內，其濃度隨與質點的距離增大而減小。電泳時發生固-液滑動處的電位與溶液內部的電位之差稱 Zeta 電位，它是表面電位的一部分。Gouy-Chapman 模型可以解釋電動現象與電解質對 Zeta 電位的影響，但無法解釋 Zeta 電位的變號。

Stern (1924) 進一步對 Gouy-Chapman 模型進行修正，他將上述模型中的擴散雙電層分為兩層，一層是緊靠質點表面的緊密層（Stern層），該層中電勢變化情況與 亥姆霍茲 模型中類似；另一層則類似 Gouy-Chapman 模型中的擴散層(diffuse layer)，該層包含了電泳時固-液相的滑動面。1947年 Grahame 對 Stern 模型再作修正，將 Stern 模型中的緊密層與擴散層中滑動面以內的部分結合為內層，將滑動面以外視為擴散層，強調質點表面電荷分布的不均勻性。

計算

基於雙電層模型的計算主要在於對擴散雙電層厚度、電位-距離關係及表面電荷密度-表面電位關係的研究，一般是以 Gouy-Chapman 模型作為基礎。有關電位的最基本方程是Poisson-Boltzmann 方程。電位不高時可對Poisson-Boltzmann 方程中的指數項作近似，得到 Debye-Hückel 方程，並引出 Debye-Huckel 參數 κ 的概念。1/κ 具有長度的量綱，被視為擴散雙電層的厚度。

參考

• Robert J. Hunter (1981), Zeta Potential in Colloid Science – Principles and Applications, Academic Press (London), in: Colloid Science (edited by R. H. Ottewill and R. L. Rowell). ISBN 0-12-361960-2.