電解質溶液的表面張力-蒙地卡羅模擬法

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Title:	電解質溶液的表面張力-蒙地卡羅模擬法
Authors:	何慶浤;Ching-Hung Hu
Contributors:	化學工程與材料工程研究所
Keywords:	電解質;蒙地卡羅模擬法;表面張力
Date:	2003-05-15
Issue Date:	2009-09-21 12:22:31 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	無機鹽類溶於溶液中常會導致氣-液或油-水界面的表面張力上升；此現象恰與加入界面活性劑使得表面張力下降的情況相反。依據Gibbs-Adsorption isotherm和熱力學的限制（化學勢能隨濃度的增加而上升），表面張力的增加代表溶質在界面呈現負吸附的現象，這個現象指出溶液內部溶質的濃度會高於界面溶質的濃度。 Wagner（1924）及Onsager ﹠Samaras（1934）認為由於界面兩側的物質（例如：空氣/水之界面）有不同的介電係數，造成電場極化並在界面累積電荷，界面電荷會與接近的離子產生靜電斥力將離子推離界面。O-S假設電荷與電位之間遵守Boltzmann分佈，透過線性化的卜松-波滋曼方程來解算靜電斥力，在卜松-波滋曼方程並不考慮體積排斥效應（excluded volume effect）。雖然可由解算靜電斥力得到溶液的濃度分佈及表面濃度，但O-S在濃度逐漸升高時會低估表面濃度，使得代入吉布斯等溫方程所求得的表面張力，只能與實驗的結果在極稀薄（~0.01M）的濃度下相符合。本論文主要的目地是以蒙地卡羅模擬（Monte Carlo Simulation）來探討強電解質溶液之表面張力。在MC的系統我們取微小的液滴（液滴大小約4-24nm，周圍視為被油所包覆，並且液滴內部含有大小為0.4nm的正、負離子）進行模擬，與O-S不同的是MC採用restricted primitive model來解算卜松方程式以求得液滴內部離子間的靜電作用力，restricted primitive model不但考慮了體積排斥效應而且能在不做任何假設的情況下解算卜松方程式。在MC中可獲得的表面濃度（surface excess）和化學勢能（chemical potential），若將上面兩個參數代入吉布斯等溫吸附方程式即可求得到表面張力。在極稀薄的濃度時蒙地卡羅結果與O-S極限定律是相符的。在較高鹽類濃度時O-S低估表面濃度而導致低估表面張力上升量，但蒙地卡羅模擬方法中卻可以成功的描述較高濃度（~1.0M）下的表面張力。由MC結果我們也發現除靜電作用外，離子週遭與水分子的強水合作用，對於表面張力的增加佔了非常重要的貢獻。
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