Оптичні властивості колоїдних розчинів

Лекція № 5

Тема: Оптичні властивості колоїдних розчинів

План.

1. Світлорозсіювання. Зв'язок світлорозсіювання з концентрацією золю та розміром частинок.
2. Розсіювання світла - Рівняння Релея,
3. Поглинання світла колоїдними розчинами - закон Бугера-Ламберта-Бера:
4. Оптичні методи дослідження
5. Турбодиметрія.

При проходженні світла крізь дисперсну систему можуть спостерігатися такі явища: проходження світла через систему;

• заломлення світла частинками дисперсної фази (якщо ці частинки прозорі);

• відбивання світла частинками дисперсної фази (якщо частки непрозорі);

• розсіювання світла;

• абсорбція (поглинання) світла дисперсною фазою з претворенням світлової енергії в теплову.

Переважаючий характер спостережуваних явищ залежить від розмірів частинок дисперсної фази, від їх співвідношення з довжиною хвилі падаючого світла. Світло, проходячи через дисперсну систему, може відбиватися, переломлюватися, розсіюватися і поглинатися. Для колоїдних систем з частками співрозмірними з довжиною хвилі падаючого світла, характерне поглинання (абсорбція) і розсіювання світла. Для сферичних колоїдних частинок, що не поглинанають світло, не проводять електричний струм, а перебувають в розведеній системі, Дж. У. Релей створив теорію світлорозсіювання та вивів рівняння, що зв'язує інтенсивність падаючого світла з інтенсивністю світла, розсіяного системою

                       

Де V – об’єм одної частинки; n - часткова концентрація;  l - довжина хвилі; n₁ – показник заломлення частинки;  n₀ – показник заломлення середовища.

з якого випливає, що для частинок даного розміру інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна масової концентрації золю. Це положення лежить в основі нефелометрії - оптичного методу визначення концентрації дисперсної фази за допомогою вимірювання світлорозсіювання золю.

Розглянемо залежність світлорозсіювання від різних параметрів системи.

1. Інтенсивність розсіяного світла тим більше, чим більше різняться показники заломлення частки і середовища. Таким чином, якщо показники заломлення (n₁ n₀) однакові, то світлорозсіювання буде відсутнім навіть і в  неоднорідному середовищі.

2. Інтенсивність розсіяного світла тим більше, чим більше часткова концентрація v. Масова концентрація с, г/дм³, якою зазвичай користуються при приготуванні розчинів, пов'язана з частковою концентрацією виразом:

, де r - густина частинки. Якщо замінити часткову концентрацію масовою, а коефіцієнт К враховує показники заломлення тоді

                  

Таким чином інтенсивність розсіювання світла буде залежати від об’єму частинки , а отже від її розмірів.

Слід зазначити , що така залежність виконується лише в області малих значень розмірів частинок коли

 де r – радіус частинки.

Із збільшенням радіуса збільшення світлорозсіювання зменшується , а при  радіусі частинки, що наближається або більше довжини хвилі світла, розсіювання замінюється відбиванням.

Рівняння Релея виведено для незабарвлених золів, тобто тих, що не поглинають світло. Однак багато колоїдних розчинів мають певне забарвлення, тобто поглинають світло у відповідній області спектра - золь завжди забарвлений в колір, протилежний до того, що поглинає. Так, поглинаючи синю частину спектру (435-480 нм), золь виявляється жовтим; при поглинанні синювато-зеленої частини (490-500 нм) він приймає червоне забарвлення. При зміні розмірів частинок змінюється довжина хвилі світла, що поглинається.

Так, високодисперсні золі золота (= 20 нм), які поглинають переважно зелену частину спектру, мають інтенсивно червоне забарвлення; при збільшенні розмірів часток до 50 нм забарвлення золів стає синім.

 Зі збільшенням дисперсності золів метали змінюється також інтенсивність їх забарвлення, вона максимальна при середніх розмірах частинок і слабшає як при збільшенні, так і при зменшенні дисперсності. Так, найбільша інтенсивність забарвлення гідрозолі золота при розмірах часток від 20 до 37 нм.

Якщо промені всього видимого спектру проходять крізь прозоре тіло або відбиваються від непрозорого, то прозоре тіло здається безбарвним, а непрозоре - білим. Якщо тіло поглинає випромінювання всього видимого спектру, воно здається чорним.

Оптичні властивості колоїдних розчинів, здатних до поглинання світла, можна характеризувати за вимірюванням інтенсивності світла при проходженні через систему. Для цього використовують закон Бугера-Ламберта-Бера:

 де I₀ - інтенсивність падаючого світла; t - каламутність; I_n - інтенсивність світла, що пройшло через систему; l - товщина шару; D = lg (I₀/In) – оптична густина.

ОПТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

В даний час оптичні методи є найбільш поширеними методами визначення розмірів, форми і структури колоїдних частинок. Це поясняється не тільки швидкістю і зручністю цих методів, але і точністю одержуваних результатів.

Найбільш часто для дослідження колоїдних розчинів застосовуються:

• ультрамікроскопія;

• електронна мікроскопія;

• нефелометрія;

• Мутномір.