同种电荷相吸:溶剂化层的独特作用
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最近一篇论文发现了一个非常有趣的现象,就是在溶液中,同种电荷的粒子有时候会相互吸引,而不是像我们通常认为的那样相互排斥。而且,这种吸引力还取决于电荷的正负号和溶剂的性质。
我们都知道,电荷之间有两种基本的力,一种是库仑力,一种是范德华力。库仑力是电荷之间的静电力,它遵循库仑定律,即两个点电荷之间的力与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比,而且方向沿着它们的连线。库仑力的性质很简单,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。范德华力是分子之间的吸引力,它是由于分子的瞬时偶极矩引起的。范德华力的大小与分子的极化率有关,一般来说,范德华力比库仑力要弱得多,而且随着距离的增加很快衰减。 在溶液中,电荷之间的力还要考虑溶剂分子的影响。溶剂分子会在电荷周围形成一个层状的结构,称为溶剂化层。溶剂化层的性质取决于溶剂分子的极性,即它们是否有永久的偶极矩。如果溶剂分子是极性的,那么它们会倾向于靠近电荷,使得它们的偶极矩与电荷的方向一致。这样,溶剂化层就会产生一个与电荷相反的电势,称为溶剂化电势。溶剂化电势会减弱电荷之间的库仑力,使得同种电荷之间的排斥力变小,异种电荷之间的吸引力变大。如果溶剂分子是非极性的,比如苯,那么它们就不会受到电荷的影响,溶剂化层就不会产生电势,电荷之间的库仑力就不会改变。 除了溶剂化层,溶液中还有一些游离的离子,称为反离子。反离子是指与电荷符号相反的离子,比如在水中,正电荷周围会有一些氯离子,负电荷周围会有一些钠离子。反离子会被电荷吸引,形成一个叫做电双层的结构。电双层的内层是紧密吸附在电荷表面的反离子,外层是在溶剂中随机运动的反离子。电双层也会产生一个与电荷相反的电势,称为电动电势。电动电势会进一步减弱电荷之间的库仑力,甚至有可能使得同种电荷之间出现短程的吸引力,这就是所谓的电动力学吸引力。 |
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