5.1.2. Поглощение света и окраска золей

Уравнение Рэлея выведено для неокрашенных золей, т. е. не поглощающих свет. Однако многие коллоидные растворы имеют определенную окраску, т. е. поглощают свет в соответствующей области спектра – золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра (435–480 нм), золь оказывается желтым; при поглощении синевато-зеленой части (490–500 нм) он принимает красную окраску.

Оптические свойства коллоидных растворов, способных к поглощению света, можно характеризовать по изменению интенсивности света при прохождении через систе­му. Для этого используют закон Бугера-Ламберта-Бера:

,

где I₀ – интенсивность падающего света; I_пр – интенсивность прошедшего через золь света; k – коэффици­ент поглощения; l – толщина слоя золя; с – концентрация золя.

При изменении размеров частиц изменяется длина волны поглощаемого света. Так, высокодисперсные золи золота (r = 20 нм), поглощающие преимущественно зеле­ную часть спектра, имеют интенсивно красную окраску; при увеличении размеров частиц до 50 нм окраска золей становится синей.

5.1.3. Оптические методы исследования коллоидных растворов

В настоящее время оптические методы являются наиболее распространенными методами определения размера, формы и структуры коллоидных частиц. Это объясняется не только быстротой и удобством этих методов, но и точностью получаемых результатов.

Наиболее часто для исследования коллоидных раство­ров применяются:

• ультрамикроскопия;

• электронная микроскопия;

• нефелометрия;

• турбидиметрия.

УЛЬТРАМИКРОСКОПИЯ

Разрешающая способность микроскопа составляет около половины длины световой волны. Таким образом, при использовании обычного света (длина волны 400–700 нм) даже в наилучший микроскоп видимы частицы, размеры которых не менее 2 · 10^–5 см, т. е. коллоидные частицы лежат за пределами видимости в обычном микроскопе.

Ультрамикроскоп основан на наблюдении светорассеяния в обычном оптическом микроскопе. При этом сплошная опалесценция, видимая невооруженным глазом, разрешается в отблески отдельных частиц. Каждый отблеск – это свечение светового пучка волн, рассеянных одной частицей под разными углами, оно значительно больше, чем проекция самой частицы и доступно для микроскопической регистрации. Прямая регистрация не позволяет судить о размерах частиц, так как мы наблюдаем не сами частицы, а их отблески, но эти параметры могут быть определены косвенно.

Для этого выделяют определенный объем V₃, подсчитывают число содержащихся в нем частиц и находят частичную концентрацию . Если известна массовая концентрация золяс и плотность золя ρ, то по формуле можно найти средний объем частицы V:

.

Если частицы имеют сферическую форму, можно рас­считать средний радиус частицы:

, .

Наблюдая коллоидную систему в ультрамикроскоп, можно не только определить средний размер частиц, но и получить некоторое представление об их форме. Сферические частицы «светятся» ровным светом, частицы неправильной формы «мерцают».

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В последние годы для наблюдения размеров и формы коллоидных частиц чаще всего пользуются электронным микроскопом, в котором вместо световых лучей приме­няются пучки электронов с длиной волны всего 0,02–0,05 Ǻ. Это резко увеличивает разрешающую способность микроскопа и дает возможность непосредственно видеть или фотографировать коллоидные частицы.

НЕФЕЛОМЕТРИЯ

Нефелометрия основана на способности коллоидных систем рассеивать свет. Определяя светорассеяние данной системы, можно определять размер частиц или концентрацию дисперсной фазы, изучать различные процессы, происходящие в растворе. В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея:

,

где I₀ – интенсивность падающего света; I – интенсивность рассеянного света; V– объем одной частицы; c – концентрация золя.

Зная концентрацию золя и измерив абсолютные значения интенсивностей падающего и рассеянного света, можно вычислить средний объем частицы. Нетрудно увидеть, что нефелометр можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы в системе.

ТУРБИДИМЕТРИЯ

Турбидиметрия – метод исследования, основанный на измерении ослабления проходящего через коллоидную систему света в результате светорассеяния. Изме­рения производят с помощью обычных колориметров или спектрофотометров, позволяющих определять мутность.

Если интенсивность пучка света уменьшается от I₀ для падающего света до I прошедшего света, то мутность определяется уравнением:

,

где l – расстояние, пройденное светом в оптически неоднородной среде.

Между мутностью τ коллоидного раствора и интенсивностью рэлеевского рассеяния света под углом 90° R₉₀ существует соотношение:

.

Из этих уравнений следует, что чем больше рассеяние, тем выше мутность и тем меньше интенсивность прошедшего через раствор света.

Метод турбидиметрии подробно изучается в курсе аналитической химии.