1.2.4. Оптические свойства золей и гелей

При падении луча света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

Рисунок 1.3. Эффект Тендаля

1) прохождение света через систему;

2) преломление света частицами дисперсной фазы;

3) отражение света частицами дисперсной фазы;

4) рассеяние света;

5) абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой [2].

Для рассматриваемых нами коллоидных систем наиболее характерны рассеяние (дифракция) и абсорбция света.

Явление рассеяния света, или опалесценции, было выявлено на гидрозолях золота еще М. Фарадеем, а также изучалось Дж. Тиндалем, который установил, что при наблюдении сбоку коллоидных растворов, освещенных в темноте проекционным фонарем, возникает мутная световая полоса (конус «Тиндаля»).

Среди методов изучения оптических свойств коллоидных систем, которые основаны на рассеянии света, выделяют:

1) ультрамикроскопию;

При рассматривании в ультрамикроскопе золя видны беспрерывно движущиеся, разного цвета частицы, из которых наиболее мелкие выглядят как светящиеся точки. Интенсивность рассеяния света зависит от концентрации частиц, от их размера и формы.

Ультрамикроскопия позволяет косвенно судить о массе, размерах и форме коллоидных частиц.

2) нефелометрию;

Нефелометрический метод основан на измерении интенсивности рассеянного света. Измеряется интенсивность рассеяния света под одним углом.

I_р = = I₀×k×c_υ×υ, (1.6)

где с_υ— объемная концентрация; k — константа, объединяющая все параметры, принимаемые постоянными при измерении, кроме с_υ и υ.

Интенсивности света, рассеянного двумя золями с частицами одинаковой формы и размеров, относятся как частичные концентрации определяемого вещества. Если в сравниваемых золях одинаковы объемные концентрации, то интенсивности относятся как объемы частиц или кубы их диаметров:

при υ = const: I₁/I₂ = ν₁/ν₂,

при c_υ = const: I₁/I₂ = υ₁/υ₂ = d₁³/d₂³ (1.7)

То есть, имея стандартные золи, можно определить размер частиц и концентрацию исследуемого золя.

3) трурбидиметрию;

Турбидиметрия основана на измерении интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему. Закономерности рассеяния света аналогичны закономерностям поглощения света молекулярными растворами и подчиняются закону Бугера–– Ламберта––Бера.

Нужно отметить, что оптические плотности двух золей с частицами одинаковых объемов относятся как частичные концентрации сравниваемых дисперсных систем. При одной и той объемной концентрации систем оптические плотности относятся как объемы частиц или кубы их диаметров:

при υ = const А₁/А₂ = ν₁/ν₂

при c_υ = const А₁/А2 = = υ₁/υ₂ = d₁³/d₂³ (1.8)

Таким образом, в турбидиметрии, имея стандартные золи, по интенсивности прошедшего света можно определить размер частиц и концентрацию исследуемого золя.

Коллоидные системы, в частности золи, могут быть бесцветными или же иметь окраску, интенсивность которой изменяется в зависимости от концентрации дисперсной фазы или размера частиц. Например, гидрозоли кремнезема, глинозема, оксида олова бесцветны; они могут только рассеивать свет. Золи сульфида мышьяка имеют желтую окраску различного оттенка, сульфида сурьмы — оранжево-красную, берлинской лазури — синюю. В проходящем свете золи кажутся гомогенными и очень похожими на истинные растворы. Поэтому поглощение света (абсорбция) в них подчиняется закону Бугера — Ламберта — Бера, аналогично поглощению в окрашенных истинных растворах

I_п = I_o e ^–klc, (1.9)

где I_п — интенсивность прошедшего через золь света; I_o — интенсивность падающего света; k — коэффициент поглощения; l — толщина слоя золя; с — концентрация золя.

Золи с металлическими частицами очень сильно поглощают свет, что обусловлено генерацией в частицах электрического тока, большая часть энергии которого превращается в теплоту.

Установлено, что для золей металлов характерна селективность поглощения, зависящая от дисперсности. С ростом дисперсности максиму поглощения сдвигается в область коротких волн. Эффект влияния дисперсности связан с изменением как спектра поглощения, так и спектра рассеяния (фиктивного поглощения). Например, золи золота, радиус частиц которых составляет ~20 нм, поглощают зеленую часть спектра (~530 нм), поэтому они имеют ярко-красную окраску, при радиусе частиц 40—50 нм максимум поглощения приходится на желтую часть спектра (590—600 нм) и такой золь золота кажется синим. Очень высокодисперсный золь золота, поглощая синюю часть спектра (440—450 нм), имеет желтую окраску, как и истинный раствор соли, например хлорида золота АuСl₃. Кривые световой абсорбции золей серы по мере увеличения дисперсности также постепенно приближаются к кривой абсорбции молекулярных растворов серы. Это подтверждает непрерывность некоторых свойств при переходе от дисперсных систем к истинным растворам.

Как уже отмечалось, с изменением дисперсности золей меняется интенсивность их окраски. Она максимальна при средних размерах частиц ультрамикрогетерогенных систем и уменьшается как при увеличении, так и при уменьшении дисперсности. Например, наибольшая интенсивность окраски гидрозоля золота соответствует размерам частиц от 20 до 37 нм. Интересно, что золи с металлическими частицами обладают чрезвычайно высокой интенсивностью окраски, превышающей иногда в сотни раз интенсивность окраски некоторых красителей [10].