§ 26. Оптические свойства коллоидных растворов

 

По оптическим свойствам коллоидные растворы су­щественно отличаются от истинных растворов низкомо­лекулярных веществ, а также и от грубодисперсных си­стем. Наиболее характерными оптическими свойствами коллоидных растворов являются опалесценция, эффект Фарадея — Тиндаля и окраска. В основе этих свойств лежит рассеяние и поглощение света коллоидными частицами.

В истинных растворах и чистых жидкостях светорас­сеяние ничтожно, так как растворенное вещество раз­дроблено до молекул или ионов, и нет препятствий для прохождения лучей видимого света (растворы оптиче­ски пусты). В грубодисперсных системах размер частиц больше длины волн видимого света. Поэтому проходя­щие через грубодисперсную систему световые лучи не могут обойти частицы суспензий или эмульсий. Они бес­порядочно отражаются и преломляются на границе раздела частиц со средой, обусловливая мутность суспензий и эмульсий, видимую невооруженным глазом.

Э ффект Фарадея — Тиндаля.

Если в темноте световой луч пропустить через прозрачный коллоидный раствор, то в золе будет заметен светящийся конус свето­вого пучка (рис. 36). Подобное явление наблюдается при прохождении луча света в темном запыленном по­мещении, при прохождении луча прожектора на ночном небе, при свете автомобильных фар в туманную погоду и во многих других случаях.

Впервые в 1857 г. явле­ние рассеивания света кол­лоидными частицами наблюдал М. Фарадей. Позднее Д. Тиндаль исследовал это явление более подробно. По­этому светящийся след све­тового пучка в коллоидных системах называется эффектом (конусом) Фарадея —Тиндаля.

 В истинных растворах или чистых жидкостях это явление не наблюдается. Поэтому эффектом Фарадея — Тиндаля часто пользуются для того, чтобы решить во­прос о том, относится ли данная система к коллоидам. Иногда по внешнему виду коллоидный раствор трудно отличить от истинного (например, золь берлинский ла­зури от истинного раствора медного купороса), лишь яв­ление Фарадея — Тиндаля позволяет убедиться в том» что это действительно коллоидная система.

Эффект Фарадея — Тиндаля связан с тем, что волны света, встречаясь с мелкими частицами коллоидов, оги­бают их и рассеиваются по всем направлениям. Для ин­тенсивности рассеянного света Дж. Релеем в 1871 г. была выведена зависимость

                                    (VIII.1)

Где I_о — интенсивность падающего света; К — постоянная величина для данного золя, зависящая от разности между показателями преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды; V — объем частицы; С — число частиц в единице объема (частичная концентрация); длина волны падающего света.

И з (VIII.1) следует, что интенсивность рассеяния све­та зависит от размеров коллоидных частиц, прямо про­порциональна концентрации частиц золя и квадрату их объема и обратно пропорциональна длине волны падаю­щего света в четвертой степени. Следовательно, если источник падающего света содержит волны различной длины (белый свет), то наиболее сильно будут рассеи­ваться самые короткие волны. Поэтому рассеянный свет от источника белого света должен иметь голубой отте­нок. Действительно, це­лый ряд коллоидных сис­тем при наблюдении их под углом к направлению падающих лучей имеет голубоватую окраску, то­гда, как в проходящем свете они могут быть окрашены иначе.

  Опалесценция. С явлением рассеяния света коллоидными частицами связана опалесценция. Выражается она в появлении некоторой мутноватости и в изменении окраски золя в проходящем и отраженном свете. Так, например, водные золи серы, канифоли и хлорида серебра в проходящем свете имеют красновато-желтый оттенок, а в отражен­ном (т. е. при наблюдении сбоку) — голубоватый. Цвет опалесценции золей преимущественно голубой (голубой цвет разбавленного водой молока, синий цвет морской волны, табачного дыма). Объясняется это тем, что жел­тые и красные лучи (с большой длиной волн) мало рассеиваются и проходят через систему, а голубые и синие (с меньшей длиной волн) хорошо рассеива­ются.

Ультрамикроскопия. На явлении рассеивания света коллоидными частицами основаны два важнейших мето­да их исследования: ультрамикроскопия и нефело­метрия.

Так как размер коллоидных частиц не позволяет наблюдать их при помощи обычного микроскопа, то их наблюдают в ультрамикроскопе. Схема прохождения лучей в обыкновенном микроскопе и в ультрамикроско­пе показана на рис. 37. В обычном микроскопе объект наблюдают в проходящем свете, поэтому поле зрения освещено ярче изображения объекта. В ультрамикро­скопе применяют боковое освещение. При этом свет не попадает в объектив микроскопа и в глаз наблюдателя, поэтому фон поля зрения микроскопа темный. На общем темном фоне становится заметным слабый свет, рассеи­ваемый коллоидными частица­ми. Они представляются наб­людателю в виде отдельных светящихся точек.

Ультрамикроскопия позво­ляет наблюдать броуновское движение частиц. По количе­ству светящихся точек можно подсчитать количество частиц в единице объема (частичную концентрацию). Зная общую массу диспергированного ве­щества и найдя число частиц во всем объеме, можно вычис­лить массу одной частицы, а по массе, учтя плотность диспер­гированного вещества, опре­делить объем и размер ча­стиц.

Рассмотреть особенности форм и строение коллоидных частиц возможно только с помощью электронного микроскопа, в котором на объект направляется пучок элетронов, фокусируемых не стеклянными линзами, а электрическими и магнитными полями. В на­стоящее время выпускаются электронные микроскопы с увеличением в 250 000 раз и более, что позволяет видеть коллоидные частицы и некоторые макромолекулы поли­меров.

Нефелометрия. На явлении светорассеяния основан метод определения концентрации и степени дисперсности коллоидных систем — нефелометрия.

Интенсивность рассеянного света определяется уравнением Релея (VIII.1). Если взять два золя, у которых различаются только концентрации (С₁ и С₂), а все остальные величины одинаковы, то при освещении золя пучком света одинаковой интенсивности получим

 

                             (VIII.2)

 

т. е. интенсивность рассеянного света прямо пропорцио­нальна концентрации частиц, а следовательно (при равных степенях дисперсности), и массовой концентра­ции дисперсной фазы. Поэтому, зная концентрацию од­ного из золей С₁ (стандартный золь известной концент­рации), можно легко определить концентрацию второго золя:

 

 

Сравнение интенсивности светорассеяния производят в приборах, называемых нефелометрами (рис. 38).