4.Оптичні методи досліджень колоїдних систем

Явище дифракційного розсіювання світла в колоїдних системах використовують у двох важливих методах: ультрамікроскопії та нефелометрії.

Колоїдні частинки за розмірами менші, ніж довжина півхвилі видимого світла, і тому їх не можна побачити в звичайний оптичний мікроскоп, скільки б не підвищувати роздільну здатність його оптичної системи. В 1903р. Зігмонді та Зідентонф (австр.) запропонували використати ефект Тиндаля в ультрамікроскопі, основаному на спостереженні світлорозсіювання в звичайному мікроскопі. При освітлені колоїдної системи збоку світлим і тонким променем світла розсіяне окремими колоїдними частинками світло видно в мікроскопі як світлі точки на темному фоні. Для того, щоб були чітко видні окремі частинки, необхідно застосувати дуже сильне джерело світла. Золь повинен бути дуже розбавленим, інакше в мікроскопі буде видно суцільну яскраву полоску, а не окремі точки.

Ультрамікроскоп дозволяє спостерігати частинки розміром до 3 нм, тобто охоплюються практично всі колоїдні системи.

У першій половині ХХст. ультрамікроскопи застосовувались досить широко. За їх допомогою одержали багато відомостей про будову і властивості дисперсних систем. За останні десятиріччя значення ультрамікроскопів значно знизились у зв’язку зі створенням електронних мікроскопів.

Розміри і форму колоїдних частин можна визначити методом електронної мікроскопії. В електронному мікроскопі замість світлових променів використовується пучок швидко рухомих електронів. Для фокусування електронного пучка застосовуються електронні лінзи - електромагнітні котушки, що створюють електричні і магнітні поля. Збільшення зображення об'єкта проектується на екран, що світиться. Для електронного мікроскопа здатність розрізняти дрібні деталі об'єкта складає 0,2 - 0,3 нм; для оптичних мікроскопів - 200 нм. Електронний мікроскоп дозволяє спостерігати і фотографувати збільшенні в 10⁶ разів зображення молекул білків, віруси, групи атомів.

Так за допомогою цього приладу було отримано фотографію молекули бензолу, розміри якої становлять 0,5-0,6 нм. Електронна мікроскопія - це дуже цікава галузь науки, але вона дуже складна як в методичному, так і в апаратурному оснащені та до того ж дуже дорога. Обмеженість методу електронної мікроскопії полягає лише в тому, що об’єкт спостерігають при надто низькій температурі у твердому стані і в дуже тонкому шарі. Властивості системи при цьому можуть суттєво змінитися.

Другий оптичний метод досліджень колоїдних систем, що базується на порівнянні інтенсивності розсіяного світла, називається нефелометричним.

Нефелометр – прилад для визначення концентрації колоїдних розчинів.

За своєю конструкцією він дуже схожий на фотокалориметр, тому їх часто поєднують в одному приладі. Принципова різниця цих двох споріднених приладів полягає в тому, що в калориметрі промінь світла проходить безпосередньо через кювету з розчином і попадає в оптичний або в фотоелектричний приймач світла, де він кількісно реєструється. У нефелометрі кювета освітлюється збоку і в приймач попадає розсіяне світло.

Рис.9. Двокюветний нефелометр:

1 – окуляр; 2 – оптичні призми; 3 – циліндр оптичного скла; 4 – кювети з розчинами;

5 – шторки; 6 – світлові промені.

Широке застосування отримали також двокюветні прилади (рис.9). В одну із кювет заливають розчин з відомою концентрацією, у другу – розчин, який досліджується. За допомогою діафрагм чи іншим способом об’єми розчинів, що освітлюються, змінюють доти, доки інтенсивності світла, розсіяного в обох кюветах, не співпадуть. Співвідношення об’ємів розчинів чи висот h₁ , h₂ освітлених частин кювет з розчинами обернено пропорційне концентраціям розчинів, які порівнюють:

С₂ = С₁(h₁/ h₂)

Аналогічно можна визначити ступінь дисперсності, якщо для одного золю, що є еталоном, радіус частинок відомий.

 Контрольні запитання

1. Що таке броунівський рух, чим він породжується?

2. Яке значення мало вивчення цього явища для розвитку фізики і хімії?

3. Дайте визначення дифузії з точки зору молекулярно-кінетичної теорії.

4. Які сили діють на колоїдну частинку в колоїдному розчині?

5. Що таке седиментація?

6. Чим забезпечується седиментаційна стійкість колоїдних систем?

7. Поясніть оптичні властивості колоїдних систем.

8. Що таке ефект Тиндаля?

9. Що називається опалесценцією?

10. Поясніть суть методу нефелометрії?

11. Що досліджують за допомогою ультрамікроскопії?

12. Творче завдання: Скласти таблицю молекулярно-кінетичних та оптичних властивостей 5 зразків (на вибір) колоїдних систем