物理學中摩擦起電中的得失電子與化學中氧化還原反應中的得失電子為什麼不是一碼事?

一個還是原物質,是物理變化;一個有新物質生成,是化學變化。所以我認為在化學氧化還原反應中說的得失電子就是指真正原子核外的電子,那麼物理摩擦起電中得失的電子本質究竟是什麼?


查閱了一下wikipedia:Triboelectric effect
摩擦起電的效應並非大多數人想像的那麼簡單:
1,實際上,摩擦起電並不需要「摩擦」,僅僅需要接觸-分離;
2,摩擦起電往往發生在絕緣體之間,因此並非自由電子的流動;
下面仔細說明摩擦起電的原因:
當某(並非任意)兩個絕緣體表面互相接觸後,其分子會因為親和形成化學鍵。因為不同絕緣體的價帶能量位置不同,化學勢不同。因此通過這一化學鍵,電子會在其間流動,以平衡電化學勢(也就是電子流動後,一端積累負電荷,一端積累正電荷,形成內建電場抵消原來的電勢差)。當分離時,部分移動後的電子會留下來,因此總體上產生了一個絕緣體帶電子顯負電,另一個絕緣體失電子顯正電的現象。日常生活中絕大部分靜電現象都是這個機制。
為什麼摩擦也能起電?因為一次摩擦中包含了多次接觸-分離,也就是化學鍵-電流的過程;此外,摩擦中產生的熱量梯度會引起電子動能的不均,導致熱電效應而產生電流。
此外,材料中如果本身就含有帶電的大分子片段,或者帶電的離子,接觸-分離時也會因為擴散交換而產生電流。最終的結果就是摩擦起電了。
因此我們可以看到,摩擦起電是化學和物理效應共同作用的結果,其最根本的效應是化學效應(親和化學鍵),物理的地位是從屬的,輔助的。摩擦起電是日常生活中絕大部分靜電放電效應的本因。

氧化還原(redox)反應是分子/原子得失電子,(舊鍵斷裂,)新鍵產生的化學過程。這一點應該沒有異議。


用Google檢索「mechanism triboelectric effect」,發現ResearchGate上有人也在討論
What is the mechanism of electrisation by friction?
在其中有人提到一篇2009年的文章
Electrification of granular systems of identical insulators, Phys. Rev. E 79, 051304 (2009)
其中提到,摩擦起電的物體間的電荷轉移涉及隧道效應,與材料的表面狀態(surface states)有關,更神奇的是摩擦帶的電的正負性還可以跟物體的尺寸相關,為此作者提出了一個新的模型。

按照自己的理解,摩擦起電是這麼個過程:兩個不同材料的物體接觸到足夠近的範圍時,因為化學勢的不同,其中一個物體的電子隧穿物體間的勢壘而跳躍到另一個物體上,而被束縛於那個物體的表面狀態中。那麼這是個化學反應么?化學反應的定義基於是否形成化學鍵;從這個角度來看,兩個互相摩擦的物體一般不足以使得表面的物質通過化學鍵相互結合,也就不涉及化學反應了,因為其只涉及電荷的隧道效應,如果發生原子層次的結合的話也就不需要這樣的隧道效應了。當然,如果摩擦的力度夠大,那就會發生 蘇展民 提到的力化學反應了,不過那個過程可能也就不是單純的摩擦起電了。

自己不是學物理的,由於文中涉及過多固體物理學背景知識,自己理解難免有偏差,還望相關物理學人士來指點。


化學反應的界定條件是:化學鍵的斷裂或生成。這個化學鍵包括共價鍵、離子鍵、配位鍵,或者廣義的包含氫鍵等超分子作用。
只有電阻超高的物質才能發生摩擦起電現象,即我們平時說的絕緣體。當兩個表面相接處,在微觀上會有電荷流動,以達到界面上的電平衡。在分子水平就是一些電子發生轉移。但不幸的是,把這兩個物體分離開時,照理說表面電荷應該重新分配,但由於電阻極大,此過程非常緩慢。以至於我們已經在物理上把兩個物體分開了,其電荷卻仍保持剛剛緊密接觸時的布局。於是物體就宏觀帶電了。
深究起來似乎應該算作特殊的化學過程,畢竟可能涉及分子間電子轉移。但從來沒有化學家把這個當回事。

其實有很多常見的現象依然缺少詳實的科學解釋。比如說冰的晶體結構、湍流的行為規律等等。


  1. 不同原子對電荷的吸引力不同(在化學上用電負性衡量其強弱,這也大概為什麼絲綢摩擦過的玻璃棒帶的電荷是正電荷,用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的電荷是負電荷)。
  2. 當兩物質接觸時,電荷就會從一物質向另一物質轉移達到平衡,當接觸分離時,這種平衡又被打破,因為分開,庫倫力產生的勢能就會增大,部分電荷返回到原物質,部分來不及返回,就產生所謂的靜電。摩擦只是增加產生接觸的次數。

問題一:只有絕緣體才會有上述過程嗎?

我的看法是不是的。任何接觸的物質都會產生上述過程。只是在導體中,由於能導電,電子是共有的,所以之前摩擦產生的電荷就會阻止新的電荷轉移。

即使是兩種相同的物質,也會發生上述過程,只是得到電荷和失去電荷的幾率差不多,所以很難磨出電來。但假如兩種物質所處的狀態不一樣(兩種狀態一樣才是不可能的),譬如其結構缺陷不一樣,又譬如其溫度不一樣,影響了化學勢,那也會摩擦出電來,不過應該也不會太多。

問題二:這是一個化學反應?

其實以我的觀點來講,化學反應只是一個定義的問題,所有一切的變化都是物理變化。

例如,就是上述過程發生了電荷轉移,算不算是化學反應呢?

又例如,一般只是摩擦不可能只是產生電荷轉移,就像wiki裡面說的,也可能產生帶電離子,帶電基團的轉移,那被轉移的離子,基團與物質發生相互作用了(應該就是鍵的概念,產生新鍵了)。那又算不算是化學反應呢?它的量這麼少,它的狀態這麼不穩定。

但是假如你不停地磨,不停地磨,努力地磨,那確實是很有可能產生化學反應的。

其中通過擠壓、剪切、摩擦可以使兩物質發生化學反應,那就是一個算是比較新的一個方向——「機械化學」

所以我認為假如在個別的原子分子討論它的舊鍵破壞,新鍵形成是沒有多大意義的。討論化學反應在宏觀上,多量上討論才有價值。


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