5. Свойства дисперсных систем

5.1. Оптические свойства дисперсных систем

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

– прохождение света;

– преломление света частицами дисперсной фазы;

– рассеяние света;

– поглощение света (абсорбция) дисперсной фазой.

Какое из явлений преобладает зависит от соотношения размеров частиц дисперсной фазы и длины волны падающего света.

Ограничимся рассмотрением видимой области спектра, длина световой волны которого колеблется от 400 (фиолетовый свет) до 700 – 750 нм (красный свет).

Прохождение света характерно для прозрачных систем (истинных растворов, чистых жидкостей). Размер частиц таких систем намного меньше длины волны падающего света, поэтому частицы не создают препятствий для прохождения лучей видимого света.

Преломление и отражение света характерно для систем, содержащих частицы дисперсной фазы, размер которых намного превышает длину волны падающего света. Это средне- и грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии. Проходящие через грубодисперсную систему световые лучи не могут обойти частицу, вследствие чего они беспорядочно преломляются и отражаются на границе раздела частиц и дисперсионной среды. Это обусловливает мутность таких систем, видимую невооруженным глазом.

Рассеяние света во всех направлениях наблюдается для систем, в которых размер частиц дисперсной фазы меньше, но соизмерим с длиной волны падающего света. Такое соотношение выполняется для коллоидных систем (золей), размер частиц дисперсной фазы которых составляет 10^–9 – 10^–7 м.

Поглощение света характерно для окрашенных коллоидных растворов (золей).

5.1.1. Рассеяние света

Рассеяние света является характерным свойством коллоидных растворов, отличающим их от истинных.

П ри пропускании светового луча через коллоидную систему, сбоку освещаемого сосуда можно наблюдать путь прохождения луча в виде светящегося конуса (эффект Тиндаля) (рис. 58). Это свечение было названо опалесценцией. Подобное явление наблюдается при прохождении луча света через темное запыленное помещение, при свете автомобильных фар в туманную погоду.

Поскольку в истинных растворах эффекта Тиндаля не наблюдается, на основе данного явления решают вопрос: относится ли данная система к коллоидным растворам. По внешнему виду иногда коллоидный раствор трудно отличить от истинного.

В случае средне- и грубодисперсных систем вместо равномерного свечения наблюдается блестки, обусловленные отражением света от крупных частиц (снег под фонарем).

Теорию светорассеяния создал английский ученый Рэлей.

Теория светорассеяния Рэлея

Световая волна представляет собой переменное электромагнитное поле, которое при прохождении через коллоидную систему вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи являются вторичными источниками излучения света.

В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями, вследствие интерференции распространяется только в первоначальном направлении. (Интерференция – это сложение в пространстве 2-х или нескольких волн, при котором происходит усиление или ослабление результирующей волны)

Если в среде имеются неоднородности с различными показателями преломления, например, коллоидные частицы, то диполи излучают нескомпенсированное излучение во всех направлениях, т.е. рассеивают свет.

Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света с интенсивностью падающего света :

, (70)

где , – показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;

– частичная концентрация;

– объем частицы;

Уравнение Рэлея справедливо при условиях:

1. частицы дисперсной фазы имеют сферическую форму;

2. частицы не проводят электрический ток;

3. частицы не поглощают свет, т.е. являются бесцветными;

4. коллоидный раствор разбавлен до такой степени, что расстояние между коллоидными частицами > .

Проанализируем уравнение Рэлея.

1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды ( ). Если , то светорассеяние отсутствует и в неоднородной среде.

2. Интенсивность рассеянного света пропорциональна . Следовательно, 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. Голубой цвет неба обусловлен рассеянием света мельчайшими капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе солнца объясняется тем, что утром и вечером (при расположении солнца вблизи горизонта) наблюдается, главным образом, свет, проходящий через атмосферу.

Зависимость интенсивности рассеянного света от имеет практическое значение. Красный цвет выбран сигналом опасности, так как он виден в туманную погоду на большие расстояния вследствие малого рассеяния. Лампы синего цвета применяются для светомаскировки, например, когда необходимо, чтобы они остались незамеченными с самолетов. Синие лучи при прохождении через толстый слой атмосферы, особенно если в ней содержатся частицы пыли или воды, полностью рассеиваются.

3. Интенсивность рассеянного света пропорциональна частичной концентрации . Взаимосвязь между частичной и массовой концентрацией:

,

где – плотность частицы.

Тогда

.

Подставим в уравнение Рэлея (63):

. (71)

Из уравнение следует, что . Объем сферической частицы равен:

Следовательно, измерив интенсивность рассеянного света, можно определить размер коллоидных частиц. Эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц, когда . Для видимой части спектра нм, тогда размер частиц, который можно определить в области видимого спектра составляет 85 – 40 нм.