
【化】 Stern's theory of double layer
this
【化】 geepound
especially; special; spy; unusual; very
【化】 tex
favour; grace; kindness
【化】 electric double layer
frame of reference; theoretics; theorization; theory
【化】 Rice-Ramsperger-Kassel theoryRRK; theory
【医】 rationale; theory
斯特恩双电层理论(Stern Double Layer Theory)是描述固液界面电荷分布的核心电化学模型,由德国化学家奥托·斯特恩(Otto Stern)于1924年提出。该理论将电极表面附近的电荷分布分为两个区域:紧密层(Stern layer)和扩散层(diffuse layer)。
理论结构
在固液界面处,溶液中的反离子通过静电作用吸附于电极表面,形成紧密层(Stern layer)。此层厚度约为分子直径级别(约1-2纳米),电势随距离线性衰减。外层为扩散层(diffuse layer),离子分布受热运动与静电力的动态平衡影响,电势呈指数衰减,可用古依-查普曼方程(Gouy-Chapman equation)描述:
$$ psi(x) = psi_0 e^{-kappa x} $$
其中$psi_0$为表面电势,$kappa$为德拜参数(Debye parameter)。
物理意义与修正
斯特恩模型修正了早期古依-查普曼理论忽略离子尺寸的缺陷,引入离子有限体积效应。紧密层中的离子被限制在斯特恩平面(Stern plane)内,而扩散层符合玻尔兹曼分布。这一分层模型更贴近实际体系的电毛细现象和电泳行为。
应用领域
该理论广泛应用于电化学电容器设计、胶体稳定性分析及生物膜电势模拟。例如,在锂离子电池中,双电层结构影响电极-电解液界面的电荷传输效率。
参考文献
斯特恩双电层理论是描述带电胶体颗粒在电解质溶液中界面电荷分布的重要模型,其核心在于修正了早期赫姆霍尔兹和高伊-查普曼理论的不足,具体内容如下:
斯特恩(Stern)于1924年提出该理论,主要结合了赫姆霍尔兹(Helmholtz)的紧密双电层与高伊-查普曼(Gouy-Chapman)扩散层的特点,并引入离子吸附的物理限制。他认为双电层应分为两部分:
扩散层电势随距离(x)的变化公式为: $$ Ψ = Ψ_d cdot e^{-κx} $$ 其中,双电层厚度(1/κ)与溶液离子浓度及价态相关: $$ κ = sqrt{frac{2e sum Z_i n_i}{εkT}} $$ ($Z_i$为离子价数,$n_i$为离子浓度,$ε$为介电常数,$k$为玻尔兹曼常数,$T$为温度)。
综合自:智汇三农、搜狗问答及电容理论解析。
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