7.4. Оптические свойства дисперсных систем

В коллоидных растворах мицеллы очень малы, и в проходящем свете такие дисперсные системы кажутся абсолютно прозрачными. В отражённом же свете можно обнаружить слабую опалесценцию.

Осветив сбоку коллоидный раствор сфокусированным лучом, мы сможем увидеть луч света в нём (рис. 7.3), так же как в запылённом помещении мы видим лучи света, падающие из окна.

Появление светящегося конуса на более тёмном фоне при рассеянии света с длиной волны  в дисперсной системе с размерами частиц дисперсной фазы  0,1  называют эффектом Тиндаля (по имени первооткрывателя английского физика Дж. Тиндаля), а сам конус — конусом Тиндаля.

Явление рассеяния света коллоидными мицеллами было использовано при разработке ультрамикроскопа для изучения движения частиц, рассеивающих свет. В поле зрения ультрамикроскопа (с увеличением ~ 200^× ) можно наблюдать непрерывное броуновское движение светящихся точек. Впервые оптический метод для подсчёта коллоидных частиц применил Перрен. Этим способом можно обнаружить золи, так как молекулярные и ионные растворы не способны рассеивать свет. Также эффект Тиндаля используется для определения размера и концентрации частиц и макромолекул в дисперсных системах. Большие частицы лучше рассеивают длинноволновую часть спектра, а с уменьшением размера мицелл улучшается рассеяние коротковолнового света. Такое явление можно наблюдать при закате солнца: окраска неба постепенно переходит от оранжевых тонов к красным. При отражении от коллоидных частиц рассеянный свет поляризуется. В этом можно легко убедиться, наблюдая небо сквозь поляризационный фильтр (поляроид).

Отклонение лучей коллоидными мицеллами

зависит от размера частиц и длины волны

цветового спектра света.

7.5. Области использования дисперсных систем

Дисперсные системы широко используются в промышленности в качестве смазывающих и охлаждающих жидкостей. Например, при обработке металлов резанием на токарных и фрезерных станках применяют фрезол — эмульсию из масла и воды, стабилизированную ионами гидроксида.

В виде эмульсии получают битумные материалы, пропиточные композиции, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства, пищевые продукты, светочувствительный слой фотоплёнки и т.д.

Аэрозоли применяются в медицине, косметике, при нанесении лакокрасочных покрытий, распылении топлива и выработке сухих молочных продуктов.

Суспензиями абразивных материалов в жидкостях или в виде паст очищают и полируют металлические поверхности.

Гели кремниевой кислоты используют в сварочном и литейном деле для производства электродных покрытий, керамических флюсов и литейных форм различного типа и назначения.

Обезвоженными селикагелем и алюмогелем осушают различные газы (например, атмосферный воздух, водород, аргон).

Лаки и краски широко используются для окраски тканей, металлоконструкций, различных строительных и отделочных материалов: дерева, бетона, технических ситаллов и шлакоситаллов, стекла, пластмасс и т.п.

Промышленность выпускает разнообразные композиционные материалы, представляющие собой дисперсные системы. Композиционные материалы получают с заданными прочностью, упругостью, эластичностью, пластичностью, электропроводностью, химической стойкостью и другими необходимыми потребителю физико-химическими или механическими свойствами.

Итак, вы ознакомились с основными явлениями, возникающими на границах раздела фаз,

и с разнообразными дисперсными системами, имеющими важное практическое значение. Полученные знания будут полезны в инженерной деятельности.

Лабораторная работа 7

Изучение способов получения

дисперсных систем и их устойчивости

Цель работы: изучить способы получения дисперсных систем методом диспергирования; иссле­довать устойчивость дисперсных систем; сравнить устойчивость дисперсных систем, полученных разными способами.

Приборы, оборудование и растворы: механическая ме­шалка; ультразвуковой диспергатор; фотоколориметр KF-5; стакан (100 см³ ); самопишущий потенциометр КСП-4; диспергируемое вещество (например, азокраситель); дистиллированная вода.

Теоретическое введение

Дисперсной называется система, состоящая из мелких частиц вещества, распределённых в другом веществе.

Процесс размельчения и равномерного распределения частиц одного вещества в другом называется диспергированием.

Все способы получения дисперсных систем делятся на две группы: диспергирование и конденсация.

Методы диспергирования чаще всего используют для получения микро- и макродисперсных систем. Диспергирование проводят в коллоидных мельницах и дезинтеграторах.

Ультрамикродисперсные системы получают за счёт объединения атомов или молекул в агрегаты с образованием микро- и субмикрокристаллов или аморфных частиц.

Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. Они возникают вблизи критической температуры смешения двух жидких фаз.

Лиофобные эмульсии получают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании, а также при конденсационном образовании капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах.

Дуговой метод получения дисперсных систем заключается в возбуждении в воде электрического разряда между двумя проволоками из серебра, золота или железа. При этом возникает электрическая дуга, и металл испаряется. Пары металла конденсируются в микро- или субмикрокристаллы, которые сорбируют на своей поверхности ионы гидроксида. Возникшие частицы приобретают отрицательный заряд, и коллоидный раствор стабилизируется.

Метод подбора растворителя состоит в выборе растворителя, который даёт с диспергированным веществом истинный раствор и сам растворяется в дисперсионной среде. Так получают коллоидные растворы высокомолекулярных веществ в воде.

Метод образования труднорастворимых веществ основан на получении дисперсной фазы в дисперсионной среде за счёт химических реакций (гидролиза, окисления, восстановления, обмена). Этим методом получают высокодисперсные однородные по степени дисперсности системы. Гидролизом можно получить коллоидный раствор гидроксида железа.

Приготовление коллоидных растворов требует повышенной чистоты — малейшие загрязнения могут его разрушить.

Для увеличения их устойчивости применяют методы диализа и электродиализа с целью уменьшения концентрации ионов в растворе. Такие коллоидные системы сохраняются в течение десятков лет.

Методика выполнения работы

1. Получение дисперсной системы с помощью

механической мешалки

1.1. В чистый стакан вместимостью 100 см³ налейте 50 мл дистиллированной воды.

1.2. Насыпьте 0,5 г диспергируемого вещества, например азокрасителя.

1.3. Поставьте стакан с диспергируемым веществом и водой на магнитную мешалку.

1.4. Включите магнитную мешалку на 10 мин.

1.5. Налейте полученную дисперсную систему в кювету фотоколориметра и запишите зависимость светопропускания от времени (по методике, изложенной в лабораторной работе 1).

1.6. Включите магнитную мешалку ещё на 10 мин.

1.7. Налейте полученную дисперсную систему в кювету фотоколориметра и запишите зависимость светопропускания от времени. Вымойте кювету. Выключите приборы.

2. Получение дисперсной системы с помощью

ультразвукового диспергатора

2.1. Приготовьте исходную смесь воды с диспергируемым веществом (пп. 1.1 и 1.2).

2.2. Установите стакан в ультразвукой диспергатор.

2.3. Включите ультразвуковой диспергатор на 10 мин.

2.4. Налейте полученную дисперсную систему в кювету фотоколориметра и запишите зависимость светопропускания от времени.

2.5. Включите ультразвуковой диспергатор на 20 мин.

2.6. Налейте полученную дисперсную систему в кювету фотоколориметра и запишите зависимость светопропускания от времени.

2.7. Вымойте кювету и выключите приборы.

Обработка экспериментальных данных

1. Рассчитайте скорости осаждения твёрдой фазы для всех исследованных дисперсных систем при одинаковом времени от начала осаждения.

Для расчётов используйте формулу

V_тв.ф. = b (lgT₂ – lgT₁) / (t₂ – t₁) ,

где b = c₀ / lgT₀, T₀ — светопропускание (%) исходной дисперсной системы с концентрацией c₀ (г ^ л ^–1); T₁ и T₂ — светопропускание (%) в моменты времени: t₁ = 0 с и t₂ = 30 с; t₁ = 30 с и t₂ = 60 с; t₁ = 60 с и t₂ = 90 с; t₁ = 90 с и t₂ = 120 с.

2. Постройте графики зависимости осаждения твёрдой фазы от времени.

3. Сравните значения скорости осаждения твёрдой фазы в дисперсных системах, полученных разными способами (сравнение следует проводить при одинаковом времени от начала записи зависимости светопропускания от времени).

4. Сделайте выводы о влиянии способа и времени диспергирования на устойчивость дисперсной системы.

Задачи с решениями и ответами

• В чём заключается дуговой метод получения дисперсных систем?

Ответ. Дуговой метод получения дисперсных систем заключается в возбуждении в воде электрического разряда между двумя проволоками из серебра, золота или железа. Металл, испарившийся в зоне электрической дуги, конденсируется в микро- или субмикрокристаллы, которые сорбируют на своей поверхности ионы гидроксида. Частицы приобретают отрицательный заряд, и коллоидный раствор стабилизируется.

• В чём заключается метод подбора растворителя для получения дисперсных систем?

Ответ. Метод подбора растворителя состоит в выборе такого растворителя, который даёт с диспергированным веществом истинный раствор и сам растворяется в дисперсионной среде.

Этим методом получают коллоидные растворы высокомолекулярных веществ в воде.

• В чём заключается метод образования труднорастворимых веществ для получения дисперсных систем?

Ответ. Метод образования труднорастворимых веществ основан на получении дисперсной фазы в дисперсионной среде за счёт химических реакций (гидролиза, окисления, восстановления, обмена). Этим методом получают высокодисперсные однородные по степени дисперсности системы.

• Расскажите об эффекте Тиндаля.

Ответ. Появление светящегося конуса на более тёмном фоне при рассеянии света с длиной волны  в дисперсной системе с размерами частиц  0,1  называют эффектом Тиндаля (по имени первооткрывателя английского физика Дж. Тиндаля), а сам конус — конусом Тиндаля.

• Напишите уравнение Стокса для расчёта скорости седиментации крупных частиц.

Ответ. Изменение потенциала коллоидных частиц приводит к слипанию их. Этот процесс называют коагуляцией. Если коагуляция незначительна, то коллоидный раствор сохраняется.

В случае продолжения процесса коагуляции раствор мутнеет и частицы дисперсной фазы начинают осаждаться — наблюдается седиментация.

Скорость седиментации крупных частиц можно рассчитать по закону Стокса:

 = 0,222 r ² g (₁ – ₂)  ^–1 ,

где  — скорость осаждения (всплывания) частицы, м/с; r — радиус частицы, м; g — ускорение силы тяжести, м/с² ; ₁, ₂ — плотности частицы и среды, кг/м³ ;  — коэффициент вязкости, кг/(м · с).

• В чём состоит электродиализный метод очистки коллоидной системы с целью повышения её устойчивости?

Ответ. Если в коллоидной системе понизить концентрацию ионов, способных вызвать коагуляцию, то можно значительно повысить устойчивость данного коллоидного раствора.

Осуществляют понижение концентрации ионов в растворе с помощью электродиализа. Суть этого процесса состоит в том, что под действием электрического поля через ионообменные мембраны перемещаются ионы определённого знака и в средней зоне (камере обессоливания) их концентрация понижается.

• Нарисуйте схему установки для электродиализа.

Ответ. Схему электродиализной установки можно изобразить следующим образом:

1, 5 — электроды; 2, 4 — анодная и катодная камеры; 3 — камера обессоливания; 6 — источник постоянного тока; 7, 8 — ионообменные мембраны

• Укажите обязательное условие получения коллоидного раствора.

Ответ. Приготовление коллоидного раствора невозможно без соблюдения повышенной чистоты: малейшие загрязнения могут его разрушить.

Вопросы и задачи для самопроверки

  1. В чём заключается дуговой метод получения дисперсных систем?

  2. В чём заключается метод подбора растворителя для получения дисперсных систем?

  3. В чём заключается метод образования труднорастворимых веществ для получения дисперсных систем?

  4. Напишите уравнение Стокса для расчёта времени седиментации крупных частиц.

  5. Расскажите о строении мицелл.

  6. Расскажите об эффекте Тиндаля.

  7. В каких областях техники используются дисперсные системы?

  8. Нарисуйте структуру мицелл, образующихся при быстром гидролизе хлорида железа.

  9. Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции получения коллоидного раствора золота.

10. Каким образом можно получить коллоидный раствор сульфида мышьяка?

11. Рассчитайте скорость седиментации монодисперсных сферических частиц меди в воде, если:

r = 10 мкм; g = 9,8156 м/с² ; _Cu = 8,95 · 10³ кг/м³ ; _в. = 998,02 кг/м³ ; _в. = 1,002 мПа · с.

12. Из уравнения Стокса выведите формулу для расчёта отношения /g , называемого коэффициентом седиментации (S_сед.).

13. Рассчитайте коэффициент седиментации S_сед. для сферических частиц кварца в воде, если:

r = 15 мкм; _кв. = 2,7 · 10³ кг/м³ ; _в. = 998,02 кг/м³ ; _в. = 1,002 мПа · с.

14. Выведите формулу для расчёта среднего диаметра крупных частиц дисперсной фазы.