Коллоидная химия. Ч.3. Структурно-механические свойства дисперсных систем. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем. Курс лекций

ты между частицами – параллелепипеды объемом xd3, то размер частиц будет равен

3.3.  Турбидиметрия

Турбидиметрия (от лат. turbidus – мутный) – количественный анализ состава и свойств веществ, основанный на измерении количества света, поглощаемого подкрашенной суспензией. Принцип метода основан на измерении интенсивности света определенной длины волны, прошедшего через кювету, содержащую коллоидный раствор, чаще всего через суспензию, образованную частицами определяемого вещества. Интенсивность потока ослабляется из-за его рассеяния.

Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным и подчиняющимся уравнению Бугера – Ламберта – Бера, это уравнение применимо для белых золей, которые не поглощают свет:

где ln(I0/In) – оптическая плотность системы;

In – интенсивность света, прошедшего через систему;

k – молярный коэффициент мутности, обратно пропорциональный толщине слоя, которая изменяет интенсивность падающего светового потока в 10–1 раз, см–1;

l – толщина светопоглощающего слоя, см; C – концентрация раствора, моль/дм3.

Основной закон светопоглощения соблюдается при строго постоянных условиях приготовления суспензии. Условия приготовления суспензий и взвесей:

–  осадок должен быть практически нерастворим, константа растворимости должна быть как можно меньше;

–  осадок должен находиться в виде взвеси; –  значение рН должно быть определенным для образова-

ния малорастворимого соединения (для этого применяют растворы электролитов или буферные растворы);

31

–  формирование дисперсной системы происходит во времени, поэтому для полного образования осадка необходимо выдержать определенное время;

–  должны соблюдаться строго определенные порядок смешивания растворов и соотношение между их концентрациями; –  для поддержания стабильного взвешенного состояния твердых частиц применяют защитные коллоиды (желатин, крахмал, агар-агар), частицы при этом не осаждаются, не коа-

гулируют, а находятся во взвешенном состоянии.

В этих условиях формируются частицы осадка одинаковых формы и объема, число частиц зависит только от концентрации вещества в растворе.

При анализе растворов с бесцветными рассеивающими частицами и неокрашенным растворителем максимальная чувствительность определения достигается при использовании излучения голубой или ближней ультрафиолетовой области спектра. Для окрашенных систем оптимальную длину волны подбирают экспериментально.

Количественный анализ выполняют методом градуировочного графика. График строят для серии стандартных растворов при одинаковых условиях (постоянные длина волны поглощающего света, толщина поглощающего слоя, температура раствора). Вид градуировочного графика аналогичен зависимости оптической плотности А от концентрации вещества в методе фотоэлектроколориметрии, поэтому для измерения А при турбидиметрических определениях применяют фотоэлектроколориметры, где аналитический сигнал фиксируется фотоэлементом.

Высокая чувствительность метода турбидиметрии позволяет определять микроколичества хлоридов, сульфатов, фосфатов, для которых отсутствуют фотометрические реакции.

К ограничениям метода относится невысокая точность (5…10 %), которая связана с трудностями приготовления суспензий, стабильных во времени и содержащих частицы одинаковых размеров, причем размеры молекул осадка должны быть меньше длины волны. Для турбидиметрических исследований можно использовать фотоэлектроколориметры, предназначенные для определения оптической плотности цветных молекулярных растворов. В основе их действия – принцип уравнивания двух

32

сравниваемых световых потоков через кюветы с исследуемым и стандартным золями с помощью переменной щелевой диафрагмы. Точность метода небольшая, применение ограничивается золями, отличающимися высокой мутностью.

Геллером было предложено выразить оптическую плотность и мутность следующими формулами:

3.4.  Нефелометрия

Нефелометрия – метод, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, что позволяет определять концентрацию, размер и форму частиц в дисперсных системах и растворах ВМС. Нефелометрический анализ основан на теории рассеяния света. Количественная зависимость интенсивности рассеянного света от концентрации и размера частиц описывается уравнением Рэлея. Приборы, применяемые для измерения интенсивности рассеянного света – нефелометры. Их действие основано на уравнивании световых потоков от рассеивателя прибора и от изучаемой системы. Наблюдение ведется на темном фоне при боковом освещении.

Для определения концентрации частиц дисперсной фазы сначала строится калибровочная зависимость по системам с известными концентрациями. Искомую концентрацию находят, сравнивая интенсивность рассеянного света исследуемого и стандартных калибровочных растворов.

Определение размеров частиц также требует предварительной калибровки по системам с известными размерами частиц.

Информацию о форме частиц можно получить, измеряя интенсивности рассеяния света под разными углами освещения. Явления, связанные с рассеянием света, широко используются для установления формы и размеров частиц.

Аналитический метод определения концентрации частиц, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, называется нефелометрией. Схема нефелометра представлена на рис.  3.2, схема щелевого ультрамикроскопа – на рис.  3.3.

33

В одну из его кювет наливают эталонный раствор, в другую – испытуемый. Интенсивность света, рассеиваемого суспензиями или золями в обеих кюветах, можно уровнять, подобрав соответствующую высоту h кюветы с испытуемым раствором. Отношение высот двух кювет обратно пропорционально отношению концентраций содержащихся в них частиц дисперсной фазы.

Рис.  3.2. Схема нефелометра:

1 – источник света; 2, 3 – раздвигающиеся щели; 4, 5 – стеклянные цилиндры

Рис.  3.3. Схема щелевого ультрамикроскопа: 1 – источник света; 2, 4 – линзы; 3 – щель; 5 – камера с золем; 6 – микроскоп

34

Нефелометрия – метод исследования, при котором измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на кювету с дисперсной системой. Обычно объемная концентрация дисперсной фазы известна или легко определяется, поэтому уравнение (3.1) при данной длине волны можно записать, если q = const, в виде

где K – константа;

C = Vn – объемная концентрация дисперсной фазы.

Зная концентрацию или размер частиц в стандартной системе, можно рассчитать соответственно размер частиц или их концентрацию в исследуемой дисперсной системе.

Проявление светорассеяния в растворах высокомолекулярных соединений лежит в основе нефелометрического определения молекулярной массы, в частности для белков и иммуноглобулинов.

Многие коллоидные системы имеют окраску, что указывает на поглощение ими света в соответствующей области спектра. Интенсивность окраски зависит от концентрации дисперсной фазы или размера частиц.

Для коллоидных растворов характерно различие оптических свойств по разным осям – продольной и поперечной. Это явление называют оптической анизотропией.

35

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Бокштейн Б.С., Менделев М.И. Краткий курс физической химии. М.: ЧеРо, МИСиС, 2002. 231 с.

2.  Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. Л.: Химия, 1971. 192 с.

3.  Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия, 1987. 687 с.

4.  Немцева М.П., Филиппов Д.В., Федорова А.А. Реологические свойства коллоидных систем. Иваново: ФГБОУВО «ИГХТУ», 2016. 61 с.

5.  Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 240 с.

6.  Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Альянс, 2004. 464 с.

36