Investigation of the Limits of the Linearized Poisson–Boltzmann Equation

泊松-玻尔兹曼方程 泊松分布 玻尔兹曼方程 统计物理学 数学 物理 应用数学 环境科学 统计 热力学 量子力学 离子
作者
Gabriel M. Silva,Xiaodong Liang,Georgios M. Kontogeorgis
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (22): 4112-4131 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c02758
摘要

This work presents a comparison between a numerical solution of the Poisson-Boltzmann equation and the analytical solution of its linearized version through the Debye-Hückel equations considering both size-dissimilar and common ion diameters approaches. In order to verify the limits in which the linearized Poisson-Boltzmann equation is capable to satisfactorily reproduce the nonlinear version of Poisson-Boltzmann, we calculate mean ionic activity coefficients for different types of electrolytes as various temperatures. The divergence between the linearized and full Poisson-Boltzmann equations is higher for lower molalities, and both solutions tend to converge toward higher molalities. For electrolytes of lower valencies (1:1, 1:2, 2:1, and 1:3) and higher distances of closest approach, the full version of the Debye-Hückel equation is capable of representing the activity coefficients with a low divergence from the nonlinear Poisson-Boltzmann. The size-dissimilar full version of Debye-Hückel represents a clear improvement over the extended version that uses only common ion diameters when compared to the numerical solution of the Poisson-Boltzmann equation. We have derived a salt-specific index (Θ) to gradually classify electrolytes in order of increasing influence of nonlinear ion-ion interactions, which differentiate the Debye-Hückel equations from the nonlinear Poisson-Boltzmann equation.
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