利用基于 uy-Chapman模型的离子有效电荷定量表征离子特异性效应

高晓丹 李航 田锐 刘新敏 朱华玲

引用本文: 高晓丹, 李航, 田锐, 刘新敏, 朱华玲. 利用基于 uy-Chapman模型的离子有效电荷定量表征离子特异性效应[J]. 物理化学学报, 2014, 30(12): 2272-2282. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410231 shu
Citation:  GAO Xiao-Dan, LI Hang, TIAN Rui, LIU Xin-Min, ZHU Hua-Ling. Quantitative Characterization of Specific Ion Effects Using an Effective Charge Number Based on the uy-Chapman Model[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(12): 2272-2282. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410231 shu

利用基于 uy-Chapman模型的离子有效电荷定量表征离子特异性效应

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(41371249, 41101223) (41371249, 41101223)

    西南大学研究生科技创新基金(ky2011009)资助项目 (ky2011009)

摘要:

离子特异性效应在固-液界面反应中是普遍存在的. 近期研究指出, 在较低电解质浓度的某些体系中, 离子特异性效应可能并非来源于色散力、经典诱导力、离子半径或水合半径的大小等, 而是界面附近强电场中的离子极化作用. 这种作用可使界面附近的吸附态反号离子被强烈极化(高达经典极化的104倍). 强烈极化的结果将导致离子在界面附近受到的库仑力远远超过离子电荷所能产生的库仑力, 这体现在离子的有效电荷将远大于离子的实际电荷. 因此胶体体系中基于这种强极化的离子有效电荷可以用来定量表征离子特异性效应的强度. 本研究在蒙脱石-胡敏酸混合悬液凝聚过程中发现了Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的离子特异性效应, 提出了基于激光散射技术测定离子有效电荷的方法, 并成功获得了被强烈极化后的离子有效电荷数值. 实验测得的Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的有效电荷值分别为: ZNa(effective)=1.46, ZK(effective)=1.86, ZCa(effective)=3.92, ZCu(effective)=6.48.该结果表明: (1) 离子在强电场中的极化将大大提高离子的有效电荷, 从而极大地增强离子所受的库仑作用力;(2) 离子的电子层数越多, 离子极化越强烈, 离子的有效电荷增加越多.

English

    1. [1]

      (1) Lo Nostro, P.; Ninham, B.W. Chem. Rev. 2012, 112, 2286. doi: 10.1021/cr200271j

      (1) Lo Nostro, P.; Ninham, B.W. Chem. Rev. 2012, 112, 2286. doi: 10.1021/cr200271j

    2. [2]

      (2) Hofmeister, F. Archiv für Experimentelle Pathologie und Pharmakologie 1888, 25, 1.(2) Hofmeister, F. Archiv für Experimentelle Pathologie und Pharmakologie 1888, 25, 1.

    3. [3]

      (3) Izutsu, K. I.; Aoyagi, N. Int. J. Pharm. 2005, 288, 101. doi: 10.1016/j.ijpharm.2004.09.015(3) Izutsu, K. I.; Aoyagi, N. Int. J. Pharm. 2005, 288, 101. doi: 10.1016/j.ijpharm.2004.09.015

    4. [4]

      (4) Parsons, D. F.; Boström, M.; Nostro, P. L.; Ninham, B.W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 12352. doi: 10.1039/c1cp20538b(4) Parsons, D. F.; Boström, M.; Nostro, P. L.; Ninham, B.W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 12352. doi: 10.1039/c1cp20538b

    5. [5]

      (5) Kunz,W.; Lo Nostro, P.; Ninham, B.W. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2004, 9, 1. doi: 10.1016/j.cocis.2004.05.004(5) Kunz,W.; Lo Nostro, P.; Ninham, B.W. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2004, 9, 1. doi: 10.1016/j.cocis.2004.05.004

    6. [6]

      (6) Ninham, B.W. Lipid. Polym. -Lipid. Syst. 2002, 120, 1. doi: 10.1007/3-540-45291-5(6) Ninham, B.W. Lipid. Polym. -Lipid. Syst. 2002, 120, 1. doi: 10.1007/3-540-45291-5

    7. [7]

      (7) Tobias, D. J.; Hemminger, J. C. Science 2008, 319, 1197. doi: 10.1126/science.1152799(7) Tobias, D. J.; Hemminger, J. C. Science 2008, 319, 1197. doi: 10.1126/science.1152799

    8. [8]

      (8) Yu, Y. X.; Fujimoto, S. Sci. China Chem. 2013, 56, 1735. doi: 10.1007/s11426-013-4959-9(8) Yu, Y. X.; Fujimoto, S. Sci. China Chem. 2013, 56, 1735. doi: 10.1007/s11426-013-4959-9

    9. [9]

      (9) Tielrooij, K.; Garcia-Araez, N.; Bonn, M.; Bakker, H. Science 2010, 328, 1006. doi: 10.1126/science.1183512(9) Tielrooij, K.; Garcia-Araez, N.; Bonn, M.; Bakker, H. Science 2010, 328, 1006. doi: 10.1126/science.1183512

    10. [10]

      (10) Nucci, N. V.; Vanderkooi, J. M. J. Mol. Liq. 2008, 143, 160. doi: 10.1016/j.molliq.2008.07.010(10) Nucci, N. V.; Vanderkooi, J. M. J. Mol. Liq. 2008, 143, 160. doi: 10.1016/j.molliq.2008.07.010

    11. [11]

      (11) Yu, Y. X.; Gao, G. H.; Li, Y. G. Fluid Phase Equilib. 2000, 173, 23.(11) Yu, Y. X.; Gao, G. H.; Li, Y. G. Fluid Phase Equilib. 2000, 173, 23.

    12. [12]

      (12) Lu, J. F.; Yu, Y. X.; Li, Y. G. Fluid Phase Equilib. 1993, 85, 81. doi: 10.1016/0378-3812(93)80006-9(12) Lu, J. F.; Yu, Y. X.; Li, Y. G. Fluid Phase Equilib. 1993, 85, 81. doi: 10.1016/0378-3812(93)80006-9

    13. [13]

      (13) Peula-García, J. M.; Ortega-Vinuesa, J. L.; Bastos- nzález, D. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 11133.(13) Peula-García, J. M.; Ortega-Vinuesa, J. L.; Bastos- nzález, D. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 11133.

    14. [14]

      (14) Boström, M.;Williams, D. R. M.; Ninham, B.W. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 168103. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.168103(14) Boström, M.;Williams, D. R. M.; Ninham, B.W. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 168103. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.168103

    15. [15]

      (15) Ninham, B.W.; Duignan, T. T.; Parsons, D. F. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2011, 16, 612. doi: 10.1016/j. cocis.2011.04.006(15) Ninham, B.W.; Duignan, T. T.; Parsons, D. F. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2011, 16, 612. doi: 10.1016/j. cocis.2011.04.006

    16. [16]

      (16) Hu, J. H.; Yang, Z. X.; Zheng, Z. Colloid and Interface Chemistry; South China University of Technology Press: Guangzhou, 1997; pp 254-330. [胡纪华, 杨兆禧, 郑忠. 胶体与界面化学. 广州: 华南理工大学出版社, 1997: 254-330.](16) Hu, J. H.; Yang, Z. X.; Zheng, Z. Colloid and Interface Chemistry; South China University of Technology Press: Guangzhou, 1997; pp 254-330. [胡纪华, 杨兆禧, 郑忠. 胶体与界面化学. 广州: 华南理工大学出版社, 1997: 254-330.]

    17. [17]

      (17) Jin, L.; Yu, Y. X.; Gao, G. H. J. Colloid Interface Sci. 2006, 304, 77. doi: 10.1016/j.jcis.2006.08.046(17) Jin, L.; Yu, Y. X.; Gao, G. H. J. Colloid Interface Sci. 2006, 304, 77. doi: 10.1016/j.jcis.2006.08.046

    18. [18]

      (18) Liu, X. M.; Li, H.; Du,W.; Tian, R.; Li, R.; Jiang, X. J. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 6245. doi: 10.1021/jp312682u(18) Liu, X. M.; Li, H.; Du,W.; Tian, R.; Li, R.; Jiang, X. J. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 6245. doi: 10.1021/jp312682u

    19. [19]

      (19) Liu, X. M.; Li, H.; Li, R.; Xie, D. T.; Ni, J. P.;Wu, L. S. Sci. Rep. 2014, 4, 5047.(19) Liu, X. M.; Li, H.; Li, R.; Xie, D. T.; Ni, J. P.;Wu, L. S. Sci. Rep. 2014, 4, 5047.

    20. [20]

      (20) Tian, R.; Yang, G.; Li, H.; Gao, X. D.; Liu, X. M.; Zhu, H. L.; Tang, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 8828. doi: 10.1039/c3cp54813a(20) Tian, R.; Yang, G.; Li, H.; Gao, X. D.; Liu, X. M.; Zhu, H. L.; Tang, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 8828. doi: 10.1039/c3cp54813a

    21. [21]

      (21) Borukhov, I.; Andelman, D.; Orland, H. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 435. doi: 10.1103/PhysRevLett.79.435(21) Borukhov, I.; Andelman, D.; Orland, H. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 435. doi: 10.1103/PhysRevLett.79.435

    22. [22]

      (22) Kim, H. K.; Tuite, E.; Nordén, B.; Ninham, B.W. Eur. Phys. J. E 2001, 4, 411. doi: 10.1007/s101890170096(22) Kim, H. K.; Tuite, E.; Nordén, B.; Ninham, B.W. Eur. Phys. J. E 2001, 4, 411. doi: 10.1007/s101890170096

    23. [23]

      (23) Kanda, Y.; Yamamoto, T.; Higashitani, K. Adv. Powder Technol. 2002, 13, 149. doi: 10.1163/156855202760166505(23) Kanda, Y.; Yamamoto, T.; Higashitani, K. Adv. Powder Technol. 2002, 13, 149. doi: 10.1163/156855202760166505

    24. [24]

      (24) Sheng, N.; Boyce, M. C.; Parks, D. M.; Rutledge, G. C.; Abes, J. I.; Cohen, R. E. Polymer 2004, 45, 487. doi: 10.1016/j.polymer.2003.10.100(24) Sheng, N.; Boyce, M. C.; Parks, D. M.; Rutledge, G. C.; Abes, J. I.; Cohen, R. E. Polymer 2004, 45, 487. doi: 10.1016/j.polymer.2003.10.100

    25. [25]

      (25) Zhu, H. L.; Li, B.; Xiong, H. L.; Li, H.; Jia, M. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 1225. [朱华玲, 李兵, 熊海灵, 李航, 贾明云. 物理化学学报, 2009, 25, 1225.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090631(25) Zhu, H. L.; Li, B.; Xiong, H. L.; Li, H.; Jia, M. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 1225. [朱华玲, 李兵, 熊海灵, 李航, 贾明云. 物理化学学报, 2009, 25, 1225.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090631

    26. [26]

      (26) Li, S.; Li, H.; Xu, C. Y.; Huang, X. R.; Xie, D. T.; Ni, J. P. Soil Sci. Soc. Am. J. 2013, 77, 1563. doi: 10.2136/sssaj2013.01.0009(26) Li, S.; Li, H.; Xu, C. Y.; Huang, X. R.; Xie, D. T.; Ni, J. P. Soil Sci. Soc. Am. J. 2013, 77, 1563. doi: 10.2136/sssaj2013.01.0009

    27. [27]

      (27) Xiong, Y. Soil Colloid, 2nd ed.; Science Press: Beijing, 1985; pp 10-14. [熊毅. 土壤胶体(第二册). 北京: 科学出版社, 1985: 10-14.](27) Xiong, Y. Soil Colloid, 2nd ed.; Science Press: Beijing, 1985; pp 10-14. [熊毅. 土壤胶体(第二册). 北京: 科学出版社, 1985: 10-14.]

    28. [28]

      (28) Low, P. F. Soil Sci. Soc. Am. J. 1980, 44, 667. doi: 10.2136/sssaj1980.03615995004400040001x(28) Low, P. F. Soil Sci. Soc. Am. J. 1980, 44, 667. doi: 10.2136/sssaj1980.03615995004400040001x

    29. [29]

      (29) Liu, X. M.; Li, H.; Li, R.; Tian, R.; Xu, C. Y. Analyst 2013, 138, 1122.(29) Liu, X. M.; Li, H.; Li, R.; Tian, R.; Xu, C. Y. Analyst 2013, 138, 1122.

    30. [30]

      (30) Kuwatsuka, S.;Watanabe, A.; Itoh, K.; Arai, S. Soil Sci. Plant Nutr. 1992, 38, 23. doi: 10.1080/00380768.1992.10416948(30) Kuwatsuka, S.;Watanabe, A.; Itoh, K.; Arai, S. Soil Sci. Plant Nutr. 1992, 38, 23. doi: 10.1080/00380768.1992.10416948

    31. [31]

      (31) Wu, G. F.; Ren, Q.; Tao, Y.; Zhang, H. X. Chin. J. Colloid Polym. 2007, 2, 40. [吴广峰, 任群, 陶悦, 张会轩. 胶体与聚合物, 2007, 2, 40.](31) Wu, G. F.; Ren, Q.; Tao, Y.; Zhang, H. X. Chin. J. Colloid Polym. 2007, 2, 40. [吴广峰, 任群, 陶悦, 张会轩. 胶体与聚合物, 2007, 2, 40.]

    32. [32]

      (32) Jia, M. Y.; Li, H.; Zhu, H. L.; Tian, R.; Gao, X. D. J. Soils Sediments 2013, 13, 325. doi: 10.1007/s11368-012-0608-8(32) Jia, M. Y.; Li, H.; Zhu, H. L.; Tian, R.; Gao, X. D. J. Soils Sediments 2013, 13, 325. doi: 10.1007/s11368-012-0608-8

    33. [33]

      (33) Gao, X. D.; Li, H.; Zhu, H. L.; Tian, R. Acta Pedol. Sin. 2012, 49, 698. [高晓丹, 李航, 朱华玲, 田锐. 土壤学报, 2012, 49, 698.](33) Gao, X. D.; Li, H.; Zhu, H. L.; Tian, R. Acta Pedol. Sin. 2012, 49, 698. [高晓丹, 李航, 朱华玲, 田锐. 土壤学报, 2012, 49, 698.]

    34. [34]

      (34) Noah-Vanhoucke, J.; Geissler, P. L. Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 15125. doi: 10.1073/pnas.0905168106(34) Noah-Vanhoucke, J.; Geissler, P. L. Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 15125. doi: 10.1073/pnas.0905168106

    35. [35]

      (35) Boroudjerdi, H.; Kim, Y.W.; Naji, A.; Netz, R. R.; Schlagberger, X.; Serr, A. Phys. Rep. 2005, 416, 129. doi: 10.1016/j.physrep.2005.06.006(35) Boroudjerdi, H.; Kim, Y.W.; Naji, A.; Netz, R. R.; Schlagberger, X.; Serr, A. Phys. Rep. 2005, 416, 129. doi: 10.1016/j.physrep.2005.06.006

    36. [36]

      (36) Manning, G. S. J. Phys. Chem. 1981, 85, 1506. doi: 10.1021/j150611a011(36) Manning, G. S. J. Phys. Chem. 1981, 85, 1506. doi: 10.1021/j150611a011

    37. [37]

      (37) Stellwagen, E.; Stellwagen, N. C. Biophys. J. 2003, 84, 1855. doi: 10.1016/S0006-3495(03)74993-5(37) Stellwagen, E.; Stellwagen, N. C. Biophys. J. 2003, 84, 1855. doi: 10.1016/S0006-3495(03)74993-5

    38. [38]

      (38) Logan, E. M.; Pulford, I. D.; Cook, G. T.; Mackenzie, A. B. Eur. J. Soil Sci. 1997, 48, 685. doi: 10.1046/j.1365-2389.1997.00123.x(38) Logan, E. M.; Pulford, I. D.; Cook, G. T.; Mackenzie, A. B. Eur. J. Soil Sci. 1997, 48, 685. doi: 10.1046/j.1365-2389.1997.00123.x

    39. [39]

      (39) Ducker,W. A.; Senden, T. J.; Pashley, R. M. Langmuir 1992, 8, 1831. doi: 10.1021/la00043a024(39) Ducker,W. A.; Senden, T. J.; Pashley, R. M. Langmuir 1992, 8, 1831. doi: 10.1021/la00043a024

    40. [40]

      (40) Verwey, E. J.W.; Overbeek, J. T. G.; Van Nes, K., Theory of the Stability of Lyophobic Colloids: The Interaction of Sol Particles Having an Electric Double Layer; Elsevier: New York, 1948.(40) Verwey, E. J.W.; Overbeek, J. T. G.; Van Nes, K., Theory of the Stability of Lyophobic Colloids: The Interaction of Sol Particles Having an Electric Double Layer; Elsevier: New York, 1948.

    41. [41]

      (41) Hou, J.; Li, H.; Zhu, H. L.;Wu, L. S. Soil Sci. Soc. Am. J. 2009, 73, 1658. doi: 10.2136/sssaj2008.0017(41) Hou, J.; Li, H.; Zhu, H. L.;Wu, L. S. Soil Sci. Soc. Am. J. 2009, 73, 1658. doi: 10.2136/sssaj2008.0017

    42. [42]

      (42) Li, H.; Qing, C. L.;Wei, S. Q.; Jiang, X. J. J. Colloid Interface Sci. 2004, 275, 172. doi: 10.1016/j.jcis.2003.12.055(42) Li, H.; Qing, C. L.;Wei, S. Q.; Jiang, X. J. J. Colloid Interface Sci. 2004, 275, 172. doi: 10.1016/j.jcis.2003.12.055

    43. [43]

      (43) Li, H.; Peng, X. H.;Wu, L. S.; Jia, M. Y.; Zhu, H. L. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4419. doi: 10.1021/jp808372r(43) Li, H.; Peng, X. H.;Wu, L. S.; Jia, M. Y.; Zhu, H. L. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4419. doi: 10.1021/jp808372r

    44. [44]

      (44) Amal, R.; Coury, J. R.; Raper, J. A.;Walsh,W. P.;Waite, T. D. Colloids Surf. 1990, 46, 1. doi: 10.1016/0166-6622(90)80045-6(44) Amal, R.; Coury, J. R.; Raper, J. A.;Walsh,W. P.;Waite, T. D. Colloids Surf. 1990, 46, 1. doi: 10.1016/0166-6622(90)80045-6

    45. [45]

      (45) Li, T. C.; Kheifets, S.; Medellin, D.; Raizen, M. G. Science 2010, 328, 1673. doi: 10.1126/science.1189403(45) Li, T. C.; Kheifets, S.; Medellin, D.; Raizen, M. G. Science 2010, 328, 1673. doi: 10.1126/science.1189403

    46. [46]

      (46) Uhlenbeck, G. E.; Ornstein, L. S. Phy. Rev. 1930, 36, 823. doi: 10.1103/PhysRev.36.823(46) Uhlenbeck, G. E.; Ornstein, L. S. Phy. Rev. 1930, 36, 823. doi: 10.1103/PhysRev.36.823

    47. [47]

      (47) Wang, K.; Yu, Y. X.; Gao, G. H. Phys. Rev. E 2004, 70, 011912. doi: 10.1103/PhysRevE.70.011912(47) Wang, K.; Yu, Y. X.; Gao, G. H. Phys. Rev. E 2004, 70, 011912. doi: 10.1103/PhysRevE.70.011912

    48. [48]

      (48) Peng, B.; Yu, Y. X. J. Chem.Phys. 2009, 131, 134703. doi: 10.1063/1.3243873

      (48) Peng, B.; Yu, Y. X. J. Chem.Phys. 2009, 131, 134703. doi: 10.1063/1.3243873

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  428
  • 文章访问数:  676
  • HTML全文浏览量:  30
文章相关
  • 发布日期:  2014-11-27
  • 收稿日期:  2014-07-22
  • 网络出版日期:  2014-10-23
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章