谁能帮忙具体讲解一下Hofmeister效应,谢谢O∩
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发布时间：2022-05-01 08:08
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热心网友
时间：2022-06-26 13:05
一棵苹果，掉在牛顿头上，就产生了万有引力，和现代力学；
正是因为牛顿发现并精准定义了这种模式：重物向“下”落，而不向上飞；
才导致这种模式背后规律，万有引力的发现。
科学发展史上也有很多这种“苹果”，
孟德尔看到了红花，白花，粉花的开花的统计规律，开创了遗传统计学，并导致了后来DNA的发现；
门捷列夫把元素和化学性质排成表格，发现了元素周期律；
路易斯发现了稳定化合物中元素成键的8电子配对律，并发展出了价键理论；
此外，把一些复杂的现象总结成为简单的模式或者概念，可以大大帮助我们理解一些规律，
比如，化学基团的亲电性和亲核性，物质的亲水性和疏水性。
所以，发现一种模式，就像发现了科学的矿井一样，可能挖掘出重大的理论或概念。
不过，还有很多模式或者现象还尚未被理解或解释，
比如，最近科学网上讨论的热水比冷水先结冰的现象，还有，这里要谈的物理化学发展史上的霍夫梅斯特序列。
100多年前，葡萄牙科学家Hofmeister发现了一个与蛋白质变性剂有关的规律。
我们知道，煎鸡蛋时，蛋清会成为蛋白，就是因为煎锅热使蛋白质失去它的天然结构，转变成为了不透明的肽链聚合物。这种转变就称为蛋白质变性。此时蛋白质失去特有的结构和功能。不仅加热可以使蛋白质变性，加某些盐、糖、或者有机小分子比如尿素，也能使蛋白质变性，称为化学变性。你说通常往鸡蛋清里加食盐(NaCl)并没有看到蛋清变浑浊啊？是的，不同的盐有不同的变性效果。有的盐，加一点就可以使蛋白质变性，比如硫*(NaSCN)，盐酸胍(GdmCl)， 有的盐，则需要加很多才能起效，或者在达到最大溶解度时也不能使蛋白质变性，比如NaCl， Na2SO4。
我们也知道，盐溶解于水会成为离子，因此，加盐使蛋白变性的过程必然是离子起的作用，那么，把这些离子按照它们变性能力，或者说起变性作用时的浓度，按照大小排个序，这就是Hofmeister Series，霍夫梅斯特序列。
霍夫梅斯特发现的序列是这样的，SO42- > Cl- > NO3- > Br- > I- > ClO4- > SCN-
为什么只有阴离子呢？阳离子序列也是存在的，只不过，Hofmeister发现起变性作用的，主要是阴离子的功劳。
随后发现，Hofmeister发现的这个序列，对涉及离子的很多现象适用，比如，盐离子不仅影响蛋白质胶体的稳定性，而且影响其溶解度，即稀的盐溶液可以增加或减小蛋白质的溶解度。那么在同等浓度下，按照对蛋白质的溶解度大小的改变排列，可以发现相同的离子序列。
除了蛋白质溶液，离子对其它大分子胶体溶液的稳定性和溶解度，也有类似的序列；
除了胶体溶液，盐离子对纯的盐溶液的性质，也有相同序列。比如，加盐可以改变水的粘度和表面张力，对离子的这种能力列表，可以发现类似的Hofmeister序列。
在过去的100年中发现的数十种序列中，虽然有小部分反例，但大多数序列中离子的位置是一致的。这说明在此序列背后，存在类似的规律决定了离子对液体水的性质的改变，和对蛋白质，多肽和DNA等对胶体溶液的性质的改变。当然，正如有的人反驳的那样，这些序列存在不能说明这些性质都是有相同的规律支配的。但是，至少可以肯定，在与离子有关的一些热力学和动力学规律中，离子某种性质起了主要或大部分作用。毕竟，静电作用（指离子-离子，离子-偶极）是离子溶液中所有分子间作用中最强的作用，其它作用包括溶剂水分子之间的偶极-偶极作用，所有种类之间的短程排斥，和色散、诱导作用。在水溶液中，后面这些作用相比静电作用要弱的多。
那么，有没有理论能解释这个某个现象的Hofmeister序列呢？还没有。比如，预测经典稀溶液活度系数的德拜-休克而离子强度理论，描述胶体稳定性的DLVO理论，均认为溶液性质只与离子的电荷和浓度有关，却并不包括“同种电荷离子具有不同Hofmeister效应”的参数项。把离子的大小考虑进来，能够显著改进现有理论，这就是所谓的“电荷密度解释”。但是，只考虑“电荷密度”也不能完全解释Hofmeister序列，毕竟，水在其中的作用不可忽视。
目前，理论界关注的焦点是离子的溶剂化效应，即关注离子-水之间的作用。当前的一些现有理论，不管是离子强度理论，还是电荷密度理论，都把溶剂水看成连续的，均匀的，不变的。但是，我们早就知道，离子溶于水以后，会和水分子结合形成溶剂壳层(Hydration shell)。这种壳层结合会减少自由活动的水分子，或者减少可供大分子表面结合的溶剂分子数量。此外，离子在水中运动，会带着自己的溶剂壳层一起运动。当然，溶剂壳层中的水分子，并不是固定不变的，它们以一定的频率与外界的自由水分子进行交换。溶剂化效应至少从密度和扩散两个方面影响着整个液体水的性质，即含离子的水不再是均匀的，连续的。要想构造一个理论，来考虑这种不均匀性，至少要搞明白离子对溶剂壳层的水分子有什么影响，对壳层之外的水分子有什么影响，这种影响能够持续多远。
目前，对于离子-蛋白质稳定性/溶解度序列的解释，主要有两种粗糙的观点，一种观点认为，离子对溶剂水的影响局限在壳层内，对壳层外的水分子没有任何影响，因此离子对蛋白质等胶体大分子稳定性的影响，通过与胶体分子直接接触起作用；这种观点称为“直接作用模型”；另外一种观点认为，离子不仅影响壳层内的水分子，而且影响壳层外的水分子，所以无需直接接触大分子，即可影响胶体大分子的溶解度或者稳定性。这种观点称为“间接作用模型”。支持直接作用模型的，主要是Bakker等发展的介电响应光谱发现壳层外的水分子的重取向运动（转动周期）与离子的存在没有任何关系。支持“间接作用模型”的实验主要是一些红外光谱，发现了水的氢键网络模型受到离子的影响，尽管这种影响的幅度有争议。
在这个领域，要想提出一个合理解释和一个理论模型，就要尽可能搜集所有实验事实，然后进一步设计实验验证。但是，在分子尺度上研究其结构和动力学很难，因为水分子太小了，氢原子的量子效应也比较强；此外，要想解释已有的实验现象也很难，因为很多实验现象本身也很有争议。比如，绝大多数实验都是在阴阳离子共存的溶液中做的，在分解贡献时都难免采用含混不清的近似理论。最近几年，UC Berkeley的Evan R. Williams课题组用质谱打出只包含一个离子的水分子簇并结合红外光谱(IRPD)进行研究，能够排除这个问题，但是红外光谱能够获取的信息还是很有限的。
按说，使用分子模拟方法应该很容易研究溶剂化效应，在实际中的确如此，比如用中子散射确定溶剂壳层中的水分子个数，一般要和模拟得到的结果做对比，因为实验本身的分辨率很低。不过，能够用来模拟水溶液的适用理论的准确度都不高：用经典力场吧，它们的参数都是拟合宏观实验值的，不保证微观结构的准确性；用密度泛函理论(DFT)吧，色散成很大问题，导致熔点、沸点跟实验值差100K以上，还不如经典力场。
毫无疑问，Hofmeister series背后，隐藏着离子-溶剂二元体系，和离子-水-胶体大分子三元体系热力学的一些秘密。这些秘密能够帮助我们建立一个可预测性质的理论。然而，鉴于其中的物理和数学的复杂性，这个领域仍然在期待着天才的降临。
