介电性质与离子极化耦合对离子-矿物相互作用的影响机制

An important hypothesis in the theories of ion-particle interactions is the continuous uniform medium at the particle/water interface. The nonuniform strong electric field with several hundred million Volts per meter near the particle/water interface, changes the energy and quantum state of ions and water molecule that lead to they are strongly nonclassical polarized, which results in the heterogeneous distribution of dielectric properties at the particle/water interface. In the previous theory of interfacial reactions based on the continuous uniform medium hypothesis overestimated the contributions of ion polarization in ion-particle interactions. Therefore, the nonuniform dielectric properties of medium at the interfaces strongly affect the intensity of ion polarization and the structure and properties of interfaces. This project will establish the interfacial reactions theory taking into account both dielectric saturation and ion polarization, and then establish the theory and method of evaluating interfacial electricchemical properties, quantify the intensity of coupling between dielectric saturation and ion polarization as well the polarizability of water molecule at the particle surface. Based on these researches, this project will reveal the effects of dielectric properties on the ion polarization, and the effects of coupling between dielectric properties and ion polarization on the ion-mineral interactions and surface hydration, clarify the detail processes of ion-mineral interactions based on the dielectric properties and ion polarization, will enrich and develop the theories of soil colloid and interface chemistry.

离子-颗粒相互作用的经典理论有一个重要假设，即颗粒/水界面是连续均匀介质。颗粒/水界面附近上亿伏特每米的非均匀强电场，改变了离子和水分子的能量和量子状态而使其发生强烈的非经典极化作用，从而导致界面中的介电性质呈现非均匀分布。但是前期基于连续均匀介质假设的界面反应理论高估了极化效应在离子-颗粒相互作用中的贡献。因此界面中介质的非均匀介电性质对离子极化强度以及界面结构与性质有着重要影响。本项目将构建同时考虑介电饱和度与离子极化的固/液界面反应理论；进而建立评估界面电化学性质的理论和方法；定量表征介电饱和度与离子极化的耦合作用强度以及颗粒表面水分子极化强度；明确介电性质对离子极化的影响；阐明介电性质与离子极化对离子-矿物相互作用以及矿物颗粒表面水化的影响，揭示基于介电性质与离子极化的离子-矿物相互作用机制，将丰富和发展土壤胶体与界面化学基础理论。

土壤颗粒/水界面存在非均匀强电场的高度非理想体系，界面中的介电性质存在强烈的非均匀变化，因此土壤固/液界面反应经典理论均是基于连续均匀水介质难以准确描述土壤表面反应过程与性质。本项目从介电性质与离子极化耦合效应的视角重新认识离子-矿物相互作用，建立考虑介电性质与离子极化耦合效应的离子-矿物相互作用理论模型，探索该效应对矿物界面性质与结构的影响，是离子界面反应以及颗粒间相互作用理论的基础。围绕研究目标，本项目取得了如下进展：（1）建立了考虑介电性质与离子极化的界面反应理论以及界面电位评估方法。建立了评估不同电解质体系下考虑介电性质的带电颗粒表面电位的理论和方法，并获得离子吸附的实验验证，进一步建立了考虑介电性质和离子极化耦合的表面电位评估方法。基于该方法建立的纳微米颗粒表面电位、比表面积、表面电场强度、表面电荷数量以及表面电荷密度等参数实现了仪器自动分析。（2）实现了基于离子极化与介电性质耦合的离子-表面相互作用能的定量表征。比较了离子经典诱导效应与极化诱导效应对介电性质的影响强度。并定量区分库伦效应、极化效应以及极化诱导共价效应对离子总吸附能的贡献。（3）阐明了介电性质与离子极化耦合作用对表面水分子极化强度的影响，建立了评估颗粒间水合斥力的方法。定量评估了考虑介电性质与离子极化耦合的颗粒间静电排斥压，该排斥压与经典理论的静电排斥压之差即为表面水分子极化引起的附加排斥力，即水合排斥力。（4）定量表征了介电性质与离子极化耦合对矿物颗粒间相互作用的影响。土壤水分运动等宏观过程受到土壤颗粒间相互作用的控制，本研究所建立的颗粒间相互作用的理论评估方法能够正确预测和解释土壤中这些宏观现象，从而验证了理论的正确性。以上研究成果有助于从理论上阐释土壤颗粒相互作用及其对土壤中宏观表现的内在联系，同时为进一步调控土壤水分运动、土壤侵蚀以及农田面源污染等问题提供理论依据，丰富和发展土壤胶体与界面化学基础理论。