Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
Указанный недостаток отсутствует у оптических методов, основанных на рассеянии света (опалесценции). Ойи не" уступают электронной микроскопии и по чувствительности.
Светорассеяние, или опалесценция, принадлежит к дифракционным явлениям, обусловленным неоднородностями, размеры которых меньше длины волны падающего света. Такие неоднородности рассеивают свет во всех направлениях. Теория светорассеяния (опалесценции) впервые-была развита Рэлеем. В ее основе лежит уравнение для интенсивности света /р, рассеянного единицей объема дисперсной системы со сферическими диэлектрическими частицами, значительно меньшими длины
Ш
волны падающего света:
/Р = /о[^^2 (1+со529)] (IV. 1)
где /о — интенсивность падающего света; ,Р — функция показателей преломления; V — концентрация частиц в единице объема системы; V — объем частицы; X — длина волны падающего света; Л — расстояние частицы от источника света; 9 — угол между направлениями распространения рассеянного света и падающего света.
Функция F определяется соотношением
2 _
F = 24jt3 | —l--^ I (IV. 2)
где я, и По — соответственно показатель преломления вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Уравнение Рэлея лежит в основе оптических методов определения размеров частиц и концентрации дисперсной фазы: ультрамикроскопии, нефелометрии и турбидиметрии.
Ультрамикроскопия от обычной микроскопии отличается тем, что объект (дисперсная система) освещается сбоку, а наблюдают рассеянный свет. Вследствие этого частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, и разрешающая сила микроскопа резко возрастает, что позволяет наблюдать частицы с диаметром до 2—3 нм.
Нефелометрия — метод исследования, при котором измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на кювету с дисперсной системой. Обычно объемная концентрация с дисперсной фазы известна или легко определяется. Поэтому соотношение (IV. 1) при данной длине волны удобно записать в виде (8 = const)
/р = I0kw2 = I0kcv (IV. 3)
где k — константа; с — vv — объемная концентрация дисперсной фазы.
Из уравнения (IV. 3) следует, что, зная концентрацию или размер частиц в стандартной системе, можно рассчитать соответственно размер частиц или их концентрацию в исследуемой дисперсной системе.
Турбидиметрия основана на измерении интенсивности проходящего через дисперсную систему света. Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным, и поэтому есть все основания принять, что закономерности рассеяния света подчиняются уравнению Бугера — Ламберта—Бера:
In /0//п = 2.3Z) = xl (IV. 4)
где Ift— интенсивность света, прошедшего через систему; D = Ig /о//п — оптическая плотность; х-—мутность системы; / — толщина слоя системы.
Мутность т = /р//о, а отсюда и оптическая плотность D в соответствии с уравнением (IV. 1) пропорциональны концентрации и квадрату объема частиц. Это позволяет определять размеры частиц и их концентрацию по оптической плотности системы методом сравнения со стандартными системами с помощью фотоэлектроколориметра.
Ы2
Работа 17. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Цель работы: экспериментальное определение размеров частиц высокодисперсных систем.
Уравнение Рэлея может быть использовано для определения размеров частиц сферической формы, если их радиус г не превышает 1/20 длины волны X падающего света. При 0 = 90° согласно уравнению (IV. 1) радиус таких частиц равен
Необходимым условием использования уравнений (IV.!) и (IV. 5) является отсутствие поглощения света, а также вторичного светорассеяния. Поэтому уравнение Рэлея применимо только для так называемых «белых золей», т. е. не поглощающих свет дисперсных систем, и при очень малых концентрациях дисперсной фазы.
С увеличением размеров частиц закон Рэлея перестает соблюдаться и интенсивность рассеянного света становится обратно^-иропорциональ-ной длине волны в степени, меньшей чем четвертая. В этом случае пользуются либо уравнениями, вытекающими из общей теории светорассеяния, либо эмпирическими соотношениями. В__ частности, если размер (диаметр) частиц составляет от 1/10 до 1/3 длины световой волны и показатели преломления частиц и среды не сильно различаются, для описания светорассеяния в системе можно воспользоваться следующими эмпирическими уравнениями, предложенными Геллером:
?) = /гЯ-п и х = к'Х~п (IV. 6)
где к и к' — константы, не зависящие от длины волны.
Зависимости (или \%%) от ^Х в соответствии с уравнениями
(IV. 6) представляют собой прямую линию^ тангенс угла наклона которой равен показателю степени п с минусом. Значение показателя степени п в этих уравнениях зависит от соотношения между размером частицы и длиной волны падающего света, характеризуемого параметром 1:
1 = 8яг/Я (IV. 7)
С увеличением 1 значение п уменьшается, стремясь в пределе к 2 для частиц, радиус -которых больше длины волны. При малых значениях 1 соблюдается уравнение Рэлея и п = 4. Значения п для 1 от 2 до 8 приведены в табл. IV. 1.
Показатель степени п в уравнении (IV. 6) находят на основе тур-бидиметрических данных. Для этого экспериментально измеряют оптическую плотность системы при различных длинах волн (в достаточно узком интервале X) и строят график в координатах 1ц ?> — 1цХ. Показатель п определяют по тангенсу угла наклона полученной прямой. По значению п находят соответствующее значение параметра 1 (см. табл. IV.!), а затем но формуле (IV. 7) рассчитывают средний радиус частиц исследуемой дисперсной системы.
