Podwójna warstwa

elektryczna

2

Podwójna warstwa elektryczna

Podwójna warstwa elektryczna

Przy granicy rozdziału dwóch faz powstaje

obszar, w którym natężenie pola

elektrycznego ma wartość różną od zera.

Źródłem tego pola jest nadmiarowy ładunek

elektrycznie naładowanych cząsteczek –

jonów, elektronów i zorientowanych dipoli.

Obszar, w którym występuje ładunek

nadmiarowy, nosi nazwę

podwójnej

warstwy elektrochemicznej

.

3

Podwójna warstwa elektryczna

Podwójna warstwa elektryczna

Powszechnie spotykamy się z warstwą na
granicy faz:

• ciecz / ciecz (dla niemieszających się
cieczy),

• ciecz / powietrze (zwana swobodną
powierzchnią roztworu),

• elektroda / gaz (w znikomym stopniu
dotyczy elektrochemii),

• elektroda / roztwór (zasadnicza grupa
zagadnień)

4

Poglądy na budowę podwójnej

Poglądy na budowę podwójnej

warstwy elektrycznej

warstwy elektrycznej

Istnieje kilka modeli podwójnej warstwy
elektrycznej:

• Model Helmholtza
• Model Gouy’a – Chapmana
• Model Sterna

5

Model Helmholtza

Model Helmholtza

Herman L. F. von

Helmholtz

(1821-1894),

profesor fizyki

Uniwersytetu w Berlinie.

Zaproponował model

warstwy

elektrochemicznej oparty

na budowie kondensatora

elektrycznego.

Rys. Herman L. F. von

Helmholtz

6

Model Helmholtza

Model Helmholtza

Helmholtz sądził, że ładunek elektryczny
dodatni lub ujemny znajdujący się na
powierzchni metalu jest neutralizowany przez
jony tworzące warstewkę ściśle przylegającą
do powierzchni metalu. Fizyczna podstawa
tego modelu to warstwa jonów
zaadsorbowanych na powierzchni.
Matematyczny opis polegał na porównaniu tej
warstwy do kondensatora, którego jedną z
okładek stanowi powierzchnia ciała stałego a
drugą otaczający je roztwór.

7

Model Helmholtza

Model Helmholtza

Rys. Model podwójnej warstwy

elektrycznej według propozycji

Helmholtza.

Rys. Zmiana potencjału

pola elektrycznego w

funkcji odległości od

powierzchni elektrycznej.

8

Model Gouy’a - Chapmana

Model Gouy’a - Chapmana

Louis - George Gouy

(1854-1926)

w dyskusji z

Helmholtzem rozwinął

teorię warstwy

podwójnej.

Dawid L. Chapman

(1869-1958) zajmował

się głównie teorią kinetyki

reakcji w fazie gazowej,

ale wniósł też poważny

wkład w teorię warstwy

podwójnej.

9

Model Gouy’a - Chapmana

Model Gouy’a - Chapmana

Gouy zwrócił uwagę na fakt, że termiczne ruchy
jonów w roztworze przeciwdziałają idealnemu
uporządkowaniu jonów w warstwie
elektrochemicznej, powodując jej rozmytą
strukturę.

Rys. Model podwójnej warstwy

elektrycznej według propozycji

Gouy’a

10

Model Gouy’a - Chapmana

Model Gouy’a - Chapmana

Rozkład potencjałów w funkcji odległości od metalu
przedstawia poniższy rysunek.

Spadek potencjału w zależności od odległości
obliczył Chapman uwzględniając jego hiperboliczną
zmianę φ = f(x).

Rys. Zmiana

potencjału pola

elektrycznego w

funkcji odległości od

powierzchni

elektrycznej.

11

Model Sterna

Model Sterna

Otto Stern

(1888-1969)

zajmował się badaniami

zderzeń molekularnych i

problemami dyfuzji. Jego

propozycja ułatwiła

rozwinięcie teorii

warstwy podwójnej.

Rys. Otto Stern

12

Model Sterna

Model Sterna

Połączeniem pomiędzy modelami Helmholtza i
Gouy’a - Chapmana była teoria Sterna obowiązująca
z modyfikacjami do dnia dzisiejszego. W myśl teorii
Sterna warstwa elektrochemiczna składa się z
dwóch części: sztywnej i rozmytej.

Warstwę sztywną

tworzą jony bezpośrednio

sąsiadujące z powierzchnią metalu,

warstwę

rozmytą (dyfuzyjną)

tworzą jony bardziej odległe

od metalu, wykonujące translacyjne, chaotyczne
ruchy cieplne, lecz będące równocześnie w stanie
swoistego uporządkowania oddziaływaniami
elektrostatycznymi z ładunkiem elektrycznym
znajdującym się na powierzchni metalu.

13

Model Sterna

Model Sterna

Rys. Model podwójnej warstwy elektrycznej zaproponowany

przez Sterna.

Zaadsorbowa

ne dipole

wody

Hydratowane

jony tworzące

warstwę

Helmholtza

(OHP)

Hydratowane jony

w warstwie

rozmytej

14

Model Sterna

Model Sterna

Zmiana

potencjału w

zależności od

grubości warstwy

granicznej ma

początkowo

charakter liniowy,

a później

eksponencjalny

.

Rys. Zmiana potencjału pola

elektrycznego w funkcji

odległości od powierzchni

elektrycznej.

15

Późniejsze prace pozwoliły na uzupełnienie teorii

Sterna i zaproponowanie modelu warstwy

elektrochemicznej, którego ogólną ilustrację

przedstawia poniższy rysunek.

Zaadsorbowa

ne dipole

wody

Specyficznie

zaadsorbow

ane aniony

Hydratowane jony

tworzące warstwę

Helmholtza (OHP)

Hydratowane

jony w

warstwie

rozmytej

16

Takie zjawisko możemy zaobserwować
zanurzając np. płytkę cynkową w roztworze
siarczanu (VI) cynku ZnSO

4

Rys. Podwójna warstwa elektryczna

17

Krótkie podsumowanie

Krótkie podsumowanie

Model Helmholtza

Model Gouy’a -

Chapmana

Model Sterna

Podwójna warstwa

traktowana jak

kondensator płaski

Podwójna warstwa

posiada charakter

rozmyty

Połączenie poprzednich

modeli.

Podzielenie warstwy na

dwie części:

adsorpcyjną

przylegającą

bezpośrednio do ciała

stałego (w której spadek

potencjału jest jak w

kondensatorze płaskim) i

drugą

dyfuzyjną

w

dalszej odległości od

ciała stałego, w której

spadek potencjału

zachodzi zgodnie z teorią

Gouy’a- Chapmana

18

Rola podwójnej warstwy

Rola podwójnej warstwy

elektrycznej

elektrycznej

Powstawanie podwójnej warstwy elektrycznej
odgrywa istotną rolę:

• w wielu procesach, np. adsorpcyjnych,
elektrochemicznych, przekazywania impulsów
elektrycznych przez błony komórkowe,

• w zjawiskach elektrokapilarnych,
• określa trwałość koloidów,
• wpływa na wiele właściwości granicy faz
(np. współczynniki tarcia, zwilżalność).

19

Bibliografia:

Bibliografia:

H. Scholl, T. Błaszczyk, P. Krzyczmonik,
Elektrochemia. Zarys teorii i praktyki, Łódź 1998

J. Kuryłowicz, Elektrochemia, Warszawa 1980

http://www.chemia.dami.pl
http://pl.wikipedia.org