37 Оптические свойства коллоидных систем. Теория светорассеяния Рэлея. Нефелометрия, турбидиметрия, ультрамикроскопия.

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

• 
  прохождение света через систему;
  
• 
  преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы прозрачны);
  
• 
  отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны);
  
• 
  рассеяние света;
  
• 
  абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с пре­вращением световой энергии в тепловую.
  

Преобладающий характер наблюдаемых явлений за­висит от размеров частиц дисперсной фазы, от их соотно­шения с длиной волны падающего света. Прохождение света наблюдается для прозрачных сис­тем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это имеет место в случае истинных растворов (молекулярно-ионная дисперсия) и большин­ства индивидуальных жидких веществ. Преломление и отражение света наблюдаются для систем, в которых частицы дисперсной фазы значительно боль­ше длины волны падающего света, что характерно для микрогетерогенных и грубодисперсных систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы соизмеримы с длиной волны падающего света. Именно такое соотношение выполняется для коллоидных растворов, размеры частиц дисперсной фазы в которых находится в пределах –10^-5–10^-7 см).

Итак, наиболее типичное оптическое явление в колло­идных растворах – это светорассеяние.

5.1.1. Рассеяние света

Светорассеяние описывается уравнением Рэлея, которое справедливо при условии, что частицы имеют сферическую форму, частицы не проводят электрический ток, частицы не поглощают свет, коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше дли­ны волны падающего света.

,

где V – объем одной частицы; ν – частичная концентра­ция; λ – длина волны; n₁ – показатель преломления частицы; n₀ – показатель преломления среды.

Из уравнения Рэлея следует, что^

1. 
   Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (n₁ – n₀). Таким образом, если показатели прелом­ления n₁ и n₀ одинаковы, то светорассеяние будет отсут­ствовать и в неоднородной среде.
   
2. 
   Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная концентрация . Следует отметить, что эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц. Для видимой части спектра это условие соответствует значениям . С увеличением r рост I замедляется, а при рассеяние заменяется отражением.
   
3. 
   Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны – синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете – красноватую (явление опалесценции).
   

---

УЛЬТРАМИКРОСКОПИЯ

Разрешающая способность микроскопа составляет около половины длины световой волны. Таким образом, при использовании обычного света (длина волны 400–700 нм) даже в наилучший микроскоп видимы частицы, размеры которых не менее 2 · 10^–5 см, т. е. коллоидные частицы лежат за пределами видимости в обычном микроскопе.

Ультрамикроскоп основан на наблюдении светорассеяния в обычном оптическом микроскопе. При этом сплошная опалесценция, видимая невооруженным глазом, разрешается в отблески отдельных частиц. Каждый отблеск – это свечение светового пучка волн, рассеянных одной частицей под разными углами, оно значительно больше, чем проекция самой частицы и доступно для микроскопической регистрации. Прямая регистрация не позволяет судить о размерах частиц, так как мы наблюдаем не сами частицы, а их отблески, но эти параметры могут быть определены косвенно.

Для этого выделяют определенный объем V₃, подсчитывают число содержащихся в нем частиц и находят частичную концентрацию . Если известна массовая концентрация золя с и плотность золя ρ, то по формуле можно найти средний объем частицы V:

.

Если частицы имеют сферическую форму, можно рас­считать средний радиус частицы:

, .

Наблюдая коллоидную систему в ультрамикроскоп, можно не только определить средний размер частиц, но и получить некоторое представление об их форме. Сферические частицы «светятся» ровным светом, частицы неправильной формы «мерцают».

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В последние годы для наблюдения размеров и формы коллоидных частиц чаще всего пользуются электронным микроскопом, в котором вместо световых лучей приме­няются пучки электронов с длиной волны всего 0,02–0,05 Ǻ. Это резко увеличивает разрешающую способность микроскопа и дает возможность непосредственно видеть или фотографировать коллоидные частицы.

НЕФЕЛОМЕТРИЯ

Нефелометрия основана на способности коллоидных систем рассеивать свет. Определяя светорассеяние данной системы, можно определять размер частиц или концентрацию дисперсной фазы, изучать различные процессы, происходящие в растворе. В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея:

---

,

где I₀ – интенсивность падающего света; I – интенсивность рассеянного света; V– объем одной частицы; c – концентрация золя.

Зная концентрацию золя и измерив абсолютные значения интенсивностей падающего и рассеянного света, можно вычислить средний объем частицы. Нетрудно увидеть, что нефелометр можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы в системе.

ТУРБИДИМЕТРИЯ

Турбидиметрия – метод исследования, основанный на измерении ослабления проходящего через коллоидную систему света в результате светорассеяния. Изме­рения производят с помощью обычных колориметров или спектрофотометров, позволяющих определять мутность.

Если интенсивность пучка света уменьшается от I₀ для падающего света до I прошедшего света, то мутность определяется уравнением:

,

где l – расстояние, пройденное светом в оптически неоднородной среде.

Между мутностью τ коллоидного раствора и интенсивностью рэлеевского рассеяния света под углом 90° R₉₀ существует соотношение:

.

Из этих уравнений следует, что чем больше рассеяние, тем выше мутность и тем меньше интенсивность прошедшего через раствор света.

Метод турбидиметрии подробно изучается в курсе аналитической химии.

38 Электрические свойства коллоидных систем. Электрокинетические явления.

Электроосмос – это явление переноса дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля (рис 6.1.).

Электрофорез – это явление переноса частиц дис­персной фазы под действием внешнего электрического поля (рис 6.2.).




Рис. 6.1. Схема электроосмоса



Рис. 6.2. Схема электрофореза



Рис. 6.4. Схема возникновения
потенциала седиментации

---

Рис. 6.3. Схема возникновения
потенциала течения


Потенциал течения – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной капиллярно-пористой перегородки при продавливании через нее жидкости (рис 6.3.).

Потенциал седиментации – это явление возникно­вения потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы (рис 6.4.).

Электроосмос, электрофо­рез, потенциал течения и потенциал седиментации объе­диняют под общим названием электрокинетические яв­ления, поскольку они связаны с электрическим полем и полем скоростей (кинетическим полем).

Эти явления находят широкое применение: электро­осмос – для ускорения сушки торфа, древесины и пр., дубления кожи, очистки дисперсионной среды золей, а также воды, пропитки материалов различными компози­циями, в электрохимических приборах и т. д.; электро­форез – для получения чистого каолина из глинистой суспензии, нанесения покрытий на поверхности слож­ных конфигураций, например, грунтовки кузовов авто­мобилей, для обезвоживания, в медицине как метод вве­дения лекарственных средств в организм человека и т. д.

С явлениями потенциала течения и потенциала седиментации приходится считаться в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей, осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз и т. д. На концах трубопроводов и аппаратов могут возникать высокие разности потенциалов, которые являются причиной искровых разрядов, вызывающих по­жары и взрывы.

Очевидно, что причина электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков зарядов твердой частицы и жидкой дисперсионной среды. С современной точки зрения на поверхности твердой фазы существует двойной электрический слой (ДЭС).

39 Коагуляция коллоидных систем. Коагуляция коллоидных систем электролитами. Правило Шульце-Гарди.

---

1.      Все сильные электролиты, добавленные к золю в достаточном количестве, вызывают его коагуляцию.

Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию золя за определённый короткий промежуток времени, называется порогом коагуляции.

Порог коагуляции можно рассчитать, зная концентрацию электролита-коагулятора С, объём добавленного электролита V,  и объём золя V_золя (обычно 10 мл):                                Величина, обратная порогу коагуляции , называется коагулирующей способностьюэлектролита.  Значит, чем  меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая способность электролита.

2.      Коагулирующим действием обладает не весь электролит,  а только тот ион, заряд которого совпадает по знаку с зарядом противоионов мицеллы лиофобного золя (заряд коагулирующего иона противоположен заряду коллоидной частицы). Этот ион  называютионом – коагулянтом.

3.      Коагулирующая способность иона – коагулянта тем больше, чем больше заряд иона.  Количественно эта закономерность описывается эмпирическим правилом Шульце – Гарди, а теоретически обоснованную связь между зарядом коагулирующего иона и порогом коагуляции дает теория Дерягина – Ландау.

Соотношение  порогов коагуляции для одно -, двух -   и трёхвалентных ионов равно (правило значности):

γ₁ : γ₂ : γ₃  = 729 : 11 : 1

Следовательно, коагулирующая способность трёхзарядного иона в 729 раз выше коагулирующей способности однозарядного иона.

В настоящее время установлены отклонения от правила Шульце – Гарди – Дерягина – Ландау (правило значности). На порог коагуляции кроме заряда оказывают влияние радиус коагулирующего иона, способность к адсорбции и гидратации, а также и природа иона, сопутствующего коагулирующему.

В случае многозарядных ионов возможен и такой эффект, как перезарядка частиц, т.е. изменение знака заряда и потенциала коллоидной частицы. Добавляемые ионы могут обмениваться  с противоионами, замещая их и в диффузном и в адсорбционном слоях. При этом, если многозарядный ион является достаточно маленьким (например, Al³⁺,  Th⁴⁺  и др.), он замещает на поверхности частиц (в адсорбционном слое)неэквивалентное по заряду

---

Смотрите также файлы

• Император ГоНидзё родился как принц Рёфуку в 1288 году в Японии. Он был вторым сыном императора Фукимия и его жены, императрицы Фукико.docx

• Анимационная деятельность на примере гостиницы .docx

• Доклад на тему Проблема человеческой свободы Выполнил(а) студент(ка) группы лд13 Гасанова Лейла Абакан, 2023.docx

• Исследование современных направлений развития в области разработки интерфейса цифрового продукта.docx

• Контрольная работа по дисциплине Выполнение работ по профессии Оператор по исследованию скважин.docx