Коллоидная химия
Лекция № 7.
Оптические свойства дисперсных систем
План:
1.Оптические свойства дисперсных систем. 2.Оптическая плотность.
3.Оптические методы анализа. 4.Устойчивость дисперсных систем. 5.Седиментация в дисперсных системах.
2
Оптические свойства дисперсных систем.
Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств определяются природой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.
В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсную систему определяются законами геометрической оптики.
Дисперсные системы способны к рассеянию света, если размеры частиц
(а) намного меньше длины волны света (λ).
3
Оптические свойства дисперсных систем.
СХЕМА РАССЕЯНИЯ СВЕТА
Падающий свет + Молекулы →Поляризация молекул→Возникновение диполей→Излучение кванта света
Световая волна вызывает поляризацию молекул , не проводящих и не поглощающих свет частиц, возникающий при этом дипольный момент определяется по уравнению:
В результате рассеяния интенсивность падающего света (I0) изменяется и будет характеризоваться величиной Iр, которая рассчитывается поформуле Рэлея:
Оптические свойства дисперсных систем.
Красный свет имеет |
Длина волны фиолетового цвета 380- |
наибольшую в видимой части |
450 нм, он рассеивается гораздо |
спектра длину волны (620 -780 |
интенсивнее красного. Не случайно во |
нм) и рассеивается в меньшей |
время войны для освещения |
степени. Поэтому запрещающие |
затемненных объектов использовали |
сигналы светофора имеют |
синие лампочки, свет которых трудно |
красный цвет. |
заметить даже с небольшого |
|
расстояния. |
Интенсивность рассеянного света зависит также от показателей преломления.
В неоднородных средах световые волны под действием большого числа частиц меняют свое направление и не гасятся. Возникает дифракция света, то есть огибание световой волной частиц и нарушение прямолинейности распространения света. Такой вид рассеяния называется опалесценцией.
5
Оптическая плотность
По мере увеличения размеров частиц интенсивность рассеянного света перестает возрастать в зависимости от объемов частиц и рассеяние становится неравномерным.
Если размер частиц соизмерим с длиной волны, то основной причиной рассеяния света становится дифракция.
Оптические свойства дисперсных систем, способных к поглощению света, можно характеризовать по изменению интенсивности света, прошедшего через эту систему. Интенсивность прошедшего света (Iпр) определяется на основе закона
Ламберта-Бугера:
Для оценки соотношения интенсивности прошедшего и падающего света можно воспользоваться:
Величину Э называютэкстинцией или оптической плотностью. Экстинция
6
характеризует ослабление луча света при его распространении в веществе.
Оптическая плотность
В отношении дисперсной системы экстинция может отражать не только поглощение, но и рассеяние света.
Коэффициент“к” зависитотмассовойконцентрации дисперсной фазы νМ
и может быть представлена следующим образом:
к = к1νМ, где к1 - коэффициент пропорциональности, называемый мутностью.
Зависимость интенсивности рассеяния света от концентрации была впервые показанаБером. Интенсивность рассеянного света , прошедшего через раствор определенной концентрации определяетсязаконом Ламберта-Бугера-Бера:
Iпр = I0е-к1νа
где а - толщина слоя дисперсной системы.
В реальных полидисперсных системах свойства частиц дисперсной фазы могут быть различны. Например, часть частиц будут рассеивать
свет, а часть поглощать. |
7 |
Оптические методы анализа
Оптические свойства дисперсных систем используют для определения размеров и концентрации частиц дисперсной фазы.
Нижний уровень частиц, ощущаемый глазом человека 10-20 мкм. Точно определить размеры частиц можно с помощью оптического микроскопа. Оптические методы анализа, основанные на законе Рэлея, позволяют определить концентрацию и размер частиц в диапазоне 0,01 - 0,2 мкм. К этим методам относятся ультрамикроскопия и нефелометрия.
С помощью ультрамикроскопа регистрируют не сами частицы, а рассеянный свет этих частиц. По яркости рассеянного света определяют размер частиц.
Нефелометрия позволяет определить размер частиц и их концентрацию. Метод основан на способности дисперсных систем рассеивать свет согласно закону Рэлея. Принцип действия нефелометра основан на уравнивании интенсивностей рассеянного света исследуемой дисперсной системы и эталонного образца с известной концентрацией или размерами частиц.
Устойчивость дисперсных систем
Проблема устойчивости - одна из центральных проблем коллоидной химии. Устойчивость определяется свойствами дисперсной фазы, в частности размерами частиц дисперсионной среды, ее агрегатным состоянием и присутствием примесей.
Устойчивость означает способность дисперсных систем сохранять свой состав неизменным.
Различают два вида устойчивости: седиментационную и агрегативную
Седиментация в дисперсных системах
Определяет способность системы противодействовать оседанию частиц. Седиментация или оседание приводит к разрушению систем. На частицу дисперсной фазы действует гравитационная сила Р, которой противодействует сила трения Fтр, возникающая при движении частиц в дисперсионной среде.
Кроме того, частицы испытывают воздействие молекул среды.
При седиментации численная концентрация высокодисперсных частиц в вышележащем слое чн превышает концентрацию в тех слоях, которые расположены
ниже чо. Создается разность концентраций , которая является движущей силой
диффузии частиц, направленной обратно седиментации. При равенстве диффузионного и седиментационного потоков создается седиментационно-диффузионное равновесие, которое и обуславливает устойчивость высокодисперсных систем9.
Седиментация в дисперсных системах
В условиях равновесия система характеризуется постоянством суммы химического и гравитационного Еi потенциалов:
10