Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекції.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3.01 Mб
Скачать

2.2.5.2 Оптичні методи дослідження дисперсних систем

Рівняння Релея лежить в основі оптичних методів визначення розмірів частинок і концентрації дисперсної фази ультрамікрогетерогенних систем: ультрамікроскопії, нефелометрії і турбідиметрії.

Ультрамікроскопія від звичайної мікроскопії відрізняється тим, що дисперсна система, яка досліджується, освітлюється збоку, і спостерігають розсіяне світло. Внаслідок цього частинки здаються точками, які світяться на темному фоні, і розрізняльна здатність мікроскопу різко підвищується, що дозволяє спостерігати частинки з діаметром до 2 — 3 нм.

Схема ультрамікроскопа показана на рис. 2.9.

Кювету 1 з колоїдним розчином, закріплену на предметному столику мікроскопа, освітлюють збоку інтенсивним пучком світла від електричної дуги 2, який проходить крізь лінзи 3. Між лінзами поміщена діафрагма (щілина), яка дозволяє освітлювати в кюветі чітко визначений об'єм золю. Спостереження ведуть за допомогою мікроскопа 5. При цьому на темному фоні бачать точки, які світяться і безперервно рухаються.

За допомогою ультрамікроскопа не можна безпосередньо визначити розмір і форму частинок, бо спостерігають не частинки, а розсіяне ними світло. Але середній розмір частинок можна знайти таким чином.

За допомогою мікрометричної окулярної шкали ультрамікроскопа виділяють певний об'єм колоїдного розчину і підраховують число колоїдних частинок, які містяться в ньому.

Приймемо, що – густина частинок дисперсної фази; с – масова концентрація золю, V – виділений оптичний об'єм, v – число частинок в об'ємі V, п – число частинок в одиниці об’єму, п = v/V; т – маса окремої частинки, т = с/п =сV/v, V0 – об’єм окремої частинки, V0 = m/ = сV/v. Якщо частинка має форму сфери, то її об'єм V0 =4r3/3. Прирівнюючи об'єми, маємо 4r3/3=сV/v, звідки

(2.34) або . (2.35)

♦Нефелометрія основана на вимірюванні інтенсивності світла, розсіяного дисперсною системою. Рівнянню Релея (2.33) можна надати форму:

Іp = KvV2І0 = KcVІ0. (2.36)

де К — константа, яка включає всі параметри, що вважаються сталими при вимірюваннях, а с = v ·V об'ємна концентрація дисперсної фази. Для двох золів з однаковими частинками відношення інтенсивностей розсіяного світла дорівнює відношенню концентрацій золів

. (2.37)

При однакових концентраціях відношення інтенсивностей дорівнює відношенню об'ємів частинок:

. (2.38)

Приймаючи один із золів за стандартний, можна визначити концентрацію досліджуваного золю, або розмір його частинок. Вимірювання провадять за допомогою нефелометрів. Інтенсивності світла, розсіяного стандартним і досліджуваним розчинами, зрівнюють, піднімаючи або опускаючи кювети із золями. Відношення висот двох кювет обернено пропорційне відношенню концентрацій золів, або об'ємів їх частинок.

♦Турбідиметрія основана на вимірюванні інтенсивності світла, яке пройшло через розсіююче середовище.

Розсіяне світло можна вважати фіктивно поглиненим, тоді розсіяння світла буде підлягати закону Бугера—Ламберта—Бера:

ln I0/Iп=2,3D= l, (2.39)

де I0– інтенсивність падаючого світла, Іп – інтенсивність світла, яке пройшло через шар товщиною l, D – оптична густина, – мутність системи.

Мутність = Іp0, а звідси і оптична густина, згідно з рівнянням (2.36), пропорційні концентрації і квадрату об'єму частинки. Це дозволяє визначити розміри частинок і їх концентрацію за оптичною густиною методом порівняння із стандартними системами, користуючись фотоелектроколориметром.

Світлова і електронна мікроскопія. Найбільш інформативним методом визначення дисперсності і форми частинок є світлова та електронна мікроскопія. За допомогою цих методів можна безпосередньо спостерігати частинки і вимірювати їх розміри. Нижня межа світлової мікроскопії складає ~ 100 нм, електронної мікроскопії ~ 2–5 нм.

При дисперсійному аналізі, який проводиться за допомогою мікроскопа, найчастіше визначають статистичний діаметр (або радіус), який характеризує один лінійний розмір частинки. Причому при аналізі дисперсних частинок в системах його усереднюють і визначають середньочисельний або середньомасовий (об'ємний) радіус, умовно замінюючи реальну полідисперсну суміш системою частинок правильної форми і однакового розміру.

Для аналізу використовують лабораторний оптичний мікроскоп будь-якого типу, в окуляр якого вставляється мікрометрична сітка. Вона розбиває поле зору мікроскопа на квадрати, в яких ведеться підрахунок частинок за фракціями.

Для зручності обробки результатів частинки системи згруповують за фракціями, які відповідають певним інтервалам розмірів, і оформляють графічно у вигляді гістограм, інтегральних і диференціальних кривих розподілу (див. розд. 4.4).

При дисперсному аналізі, який виконується за допомогою електронного мікроскопа, одержують електронні мікрофотографії частинок дисперсних систем і визначають за ними розміри і гранулометричний склад.

Електронний мікроскоп є приладом, в якому освітлювачем служить пучок електронів. Це різко збільшує розрізняльну здатність мікроскопа і дозволяє безпосередньо бачити або фотографувати колоїдні частинки.

Електронні мікроскопи за електронно-оптичними системами розподіляються на електростатичні і електромагнітні. Принципова оптична схема електронних мікроскопів аналогічна схемам світлових мікроскопів з тією лише різницею, що оптичні елементи останніх замінені електричними елементами. Джерелом електронів є електронна гармата, яка складається із катода, управляючого електрода та анода. Електронна гармата створює пучок швидких електронів, який за допомогою конденсорної лінзи формується і спрямовується через конденсорну діафрагму на об'єкт дослідження. Проходячи крізь об'єкт, пучок попадає в об'єктивну лінзу, яка створює перше збільшення, потім через апертурну діафрагму і проекційні лінзи на флуоресцентний екран (при необхідності фіксується на фотоплівці), який під дією електронів починає світитися і створює зображення. Одержання контрастного зображення в електронному мікроскопі зумовлене тим, що різні ділянки зразка по-різному розсіюють електрони, що проходять через них. Для проходження електронів без перешкод в мікроскопі створюється вакуум порядку 10-2 — 10-3 Па. Електронна мікроскопія, незважаючи на деякі недоліки (дослідження сухих зразків і трудомісткість обслуговування), з успіхом застосовується для вивчення високодисперсних систем в біології, медицині і фармації.