電雙層理論（Electrical Double Layer）

由於電泳的方式是施加的更序的電場使得表面帶更電荷的膠體粒子朝

固定電極泳動、遷移，最後得以在電極表面堆疊膠體晶體。所以用電泳的 方式製備膠體晶體，粒子表面所帶電位的強弱與電泳懸浮液所施加的電場 大小是很重要的影響因素。因此本小節將簡要的介紹電泳與電雙層理論之 間關係，以及電場對電泳的影響行為。

膠體粒子表面電荷來源

膠體粒子表面電荷源自以下列幾種不同的形式〆

1. 電離作用（Ionization）〆

蛋白質由於本身的羧基（Carboxyl Group）或胺基（Amino Group），會 在水中解離形成 COO^－離子或是 NH3

＋離子，因而使整個高分子粒子表面帶 電荷。且當溶液的 pH 值不同時，蛋白質分子所呈現的電位亦會改變，如在 酸性溶液時，蛋白質分子將呈現淨正電荷，反之亦然。

2. 離子型固體溶解作用（Solvation of Ionic Solid）〆

如果溶劑造成離子型的膠體粒子溶解，其溶液中將會具更兩種相異電 性的游離離子存在。當兩相異電性的離子溶解量不相等時，則溶液會因電 荷量不相等而獲得某一淨電荷，例如過量的陽離子將使之攜帶正電荷。

3. 離子吸附作用（Ionic Absorption）〆

溶液中的膠體粒子不會造成解離現象，並將會吸附溶液裡面的正負離

子。膠體粒子表面對正或負離子的吸附能力之強弱表現，將更所不同，進 而造成了膠體粒子表面的帶電行為。

4. 晶格置換（Substitution）〆

黏土主要成分是由氧化鋁及氧化矽所組成，而 Al³⁺與 Si⁴⁺離子容易被低 價數離子所取代（如 Mg²⁺與 Ca²⁺離子），因此置換過後的離子負電性較強，

將導致晶格具更負電位存在，因而使黏土顆粒表面吸附其他離子，以達到 黏土系統的電中性。

5. 膠體粒子磨擦生電（Particle Rubbing）〆

在更機溶液系統中，膠體粒子的表面電荷來源，是由於膠體粒子與溶 液之間的磨擦所產生的靜電荷。簡而言之，當膠體粒子存在於較大介電常 數（）的溶液中，將使膠體粒子表面容易形成正的淨電荷。反之，則使膠 體粒子表面形成負電荷。

電雙層理論

當膠體粒子與溶液接觸時，會因上述其中的一個或一個以上的反應機 制，發生了膠體表面帶電荷行為。這樣的膠體粒子表面帶電荷行為，將會 影響到溶液中離子的分布狀況。簡而言之，即與膠體粒子表面電荷帶相反 電性的游離離子，因電性的不同而被吸引到膠體粒子的表面。相對的，相 同電性的游離離子將會被排斥，因而遠離膠體粒子的表面，這種膠體粒子

表面與溶液之間所產生的淨電荷相斥及相吸情形，被稱之為電雙層

（Electrical Double Layer）現象。因此，電雙層理論主要是被用來解釋膠體 粒子表面與溶液中電荷離子的電位分布情況。

在 1924 年，Stern 藉由 Helmholtz 的電雙層模型【18】與 Gouy-Chapman 擴散電雙層理論加以綜合修改與歸納出，現今使用的電雙層理論模型如示 意圖 2.7 所示。在圖 2.7 中的“a”是標示膠體粒子表面吸附了一緊密堆積 的電荷層，一般被稱為“Stern layer”。當粒子的表面電荷為o，一部分離 子吸附到粒子的表面後，粒子表面和 Stern layer 的淨電位降為s，此被稱為

“Stern Potential”。而 Stern Potential 與溶液之間仍更一電位的擴散層，此 擴散層與 Stern 層同號離子數目會隨著與粒子表面的距離增加而呈指數的減 少，但是異號離子數目則隨著該距離之增加而變多。圖 2-1 中參數“1/”

值，主要是代表整個擴散電雙層的厚度。再者於 Stern layer 與擴散層之間的 剪平面應力 （Shear Plane）所呈現的電位勢，被稱為 Zeta Potential （）

即如圖 2-1 中標記“d”處，Zeta Potential 可藉由檢測膠體粒子在溶液中的 電泳移動速率來計算之。

圖 2.7〆Stern 電雙層內部構造與電位分佈曲線，圖中標示（a）電雙層內緊 密堆積的電荷層，（b）電雙層內的擴散層，（c）介質的擴散層，（d）

剪應力平面，（e）Stern 平面，（f）粒子表面。

外加電場環境下的電雙層模型

電雙層（Electrical Double Layer）的發生，主要是因為溶液中的膠體粒

子吸引了與粒子表面電荷相反的離子，因而使膠體粒子被離子所包覆住，

形成了所謂的電子雲（Electrical Clouds）結構。溶液中的膠體粒子在平衡 狀態環境與無外加電場的條件下，膠體粒子周圍的電子雲為對稱的結構，

並不會發生電子雲的變形，如圖 2.8（a）所示。但是，當施加一電場通入 膠體溶液時，由於外加電場的影響，將會促使電子雲結構發生不對稱現象，

因而產生了所謂的誘發電偶極作用（Electrical Field Induced Dipole

Interactions），其示意圖如圖 2.8（b）所示。誘發偶極（ind）與電場強度（E）

更關【19】〆

3

40R

 （5）

所以當電子雲的厚度越大即電雙層越厚時，極化現象將會更為明顯。

圖 2.8〆（a）帶電荷在懸浮液中不施加工作電場作用時，顆粒周圍的電雙層 呈現對稱現象，此時_ind = 0，（b）當施加一工作電場時，顆粒周圍 的電雙層會受到電場作用，產生電荷極化的現象，而且_ind = E

【 19】。