10. Физ. Основы нефелометрии и турбидиметрии.

Нефелометрический и турбидиметрический методы анализа основаны на явлении рассеянии или поглощения света твердыми или коллоидными частицами, находящимися в жидкой фазе во взвешенном состоянии. Если световой поток интенсивностью Iо падает на кювету с р-ром, то часть этого потока I_k отражается от стенок кюветы и поверхности р-ра, часть его I_а поглощается молекулами вещ-ва, I содержащегося в р-ре, и расходуется на изменение электронной и вращательной энергии этих молекул, часть энергии I_а, поглощается молекулами самого р-ля. Если свет с интенсивностью I₀ проходит через дисперсную сис­тему (эмульсию, суспензию), то к оптическим явлениям, перечисленным выше, добавляется рассеяние и поглощение света дисперсными частицами (рис. 1). В направлении, перпендикулярном к падающему свету, будет наблюдаться рассеянный световой поток с интенсивностью I_r; в направлении, совпадающем с направлением падающего светового потока, за кюветой с исследуемым раствором — ослабленный световой поток с интенсивностью I_t. Метод анализа, основанный на,измерении интенсивности светового потока, рассеянного дисперсными частицами, находящимися в р-ре во извещенном состоянии, называется фотонефелометрией. Метод анализа, основанный на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через р-р, содержащий взвешенные частицы, называется турбидиметрией. Для системы, содержащей, взвешенные частицы, на основании закона сохранения энергии можно, записать: I₀= I_k+ I_a+ I_a^/ +I_r+ I_t (1)

При работе на протяжении всего исследования с р-рами, одного и того же вещ-ва в одном и том же р-ле с использованием одной и той же кюветы, когда I_k, I _а, I_а^/ можно считать постоянными. Это уравнение примет вид I₀= I_r+ I_t (2)

Интенсивность потока I_r рассеиваемого частицами определяется уравнением Релея: I_r= I₀(n₁²-n²)/n²) ( NV²/⁴r²) (l+cos²)] (3), I₀ -интенсивность светового потока, падающего на кювету; n₁ и n-коэффициенты преломления частиц и среды, N-общее число частиц, V-объем частицы; -длина волны падающего света; r- расстояние до наблюдателя; -угол образованный падающим и рассеянным светом.

Рассеяние света дисперсными частицами определяется природой частицы и среды, в которой они находятся (коэффициенты преломления), длиной волны падающего света, геометрическими размерами частиц V, их количеством N, условиями наблюдения рассеяния r и .

При нефелометрических исследованиях величины n₁,n, r и  =const, и уравнение Релея может быть записано в виде I_r= I₀k(NV²/⁴) (4), k- коэффициент пропорциональности, учитывающий природу частицы и условия проведения анализа. Из уравнения следует, что интенсивность рассеянного потока пропорциональна числу дисперсных частиц. На интенсивность рассеянного потока влияют не только кол-во, но и размеры частиц, что усложняет проведение нефелометрического анализа. Интенсивность рассеянного света быстро возрастает с уменьшением длины волны, если анализируемую суспензию осветить белым светом, то в результате значительно большего рассеяния коротких волн, рассеянный свет кажется голубым. Если вести нефелометрические исследования так, чтобы объем частиц и длина волны были постоянными, то

I_r = к С, (5), т.е. интенсивность рассеянного светового потока прямо пропорциональна концентрации суспензии.

При турбидиметрических измерениях интенсивность прошедшего светового потока может быть определена по уравнению: Ig I₀/I_t = kCbd³/ d⁴ + ⁴, (6), где I₀ - интенсивность падающего светового потока; I_t - интенсивность светового потока, прошедшего через раствор; С - концентрация поглощающих частиц в растворе; b- толщина поглощающего слоя раствора; d - средний размер поглощающих частиц; k и - константы, зависящие от природы суспензии и метода измерения;  -длина волны.

При постоянных d, , k и d получаем Ig I₀/I_t = kCb (7), т.е. основное уравнение турбидиметрии имеет вид, аналогичный уравнению Бугера-Ламберта-Бера: I_t = I₀ 10^-kbc, (8), где k - молярный коэффициент мутности раствора.

Нефелометрический и турбидиметрический анализы могут быть применены для исследования процессов, в основе которых лежат химические реакции, сопровождающиеся осаждением продуктов. Основные требования к этим реакциям:

1. получаемые осадки должны быть практически нерастворимыми, т.к. при турбидиметрических и нефелометрических исследованиях обычно применяют сильно разбавленные растворы;

2. получаемые осадки должны находиться и виде взвеси (cуспензии) с воспроизводимыми размерами частиц и, следовательно воспроизводимыми оптическими свойствами;

3)получаемые взвеси должны быть стойкими во времени, т.е. должны оседать в течение достаточно длительного времени.

На оптические размеры частиц и оптические свойства суспензии оказывают влияние следующие факторы: 1)концентрация ионов, образующих осадок; 2)соотношение между концентрациями смешиваемых растворов; 3) порядок смешивания растворов; 4)скорость смешивания; 5)время, необходимое для получения максимальной мутности; 6) стабильность дисперсии; 7) присутствие посторонних электролитов; 8) присутствие неэлектролитов; 9) температура; 10)наличие защитных коллоидов (крахмал, желатин, агар-агар).

Т.о., необходимым и обязательным условием проведения турбидиметрических и нефелометрических анализов является изучение влияния всех факторов и жесткая стандартизация условий подготовки вещ-в к неф. и турб. измерениям.