Осмотическое давление в золях
Коллоидные растворы, как и истинные, обладают осмотическим давлением, хотя у золей оно имеет гораздо меньшую величину.
Это объясняется тем, что при одной и той же весовой концентрации коллоидного и истинного растворов в единице объема золя содержится значительно меньше частиц дисперсной фазы, чем в такой же единице объема истинного раствора. В зависимости от размера коллоидных частиц и молекул, либо ионов растворенного вещества, истинного раствора эта разница может достигать 103÷106раз. Соответственно, во столько же раз будет отличаться и величина осмотического давления в данных системах. Теоретически расчеты показывают, что в разбавленных золях значение осмотического давления может колебаться от нескольких Па до нескольких десятков или сотен Па.
Следует также учитывать, что какой-то определенный вклад в величину осмотического давления вносят примеси электролитов и других низкомолекулярных веществ, неизбежно присутствующие в золе. Полностью очистить от них коллоидный раствор, не нарушая его устойчивость, невозможно. Таким образом, реальное осмотическое давление золя, обусловленное только его коллоидными частицами, должно быть еще меньше и точно количественно оценить его не представляется возможным.
В связи с термодинамической неустойчивостью коллоидных растворов в них непрерывно протекают процессы агрегации и дезагрегации, что приводит к непостоянству величины росм.во времени.
Все эти вышеперечисленные обстоятельства препятствуют использованию на практике измерений осмотического давления для количественной характеристики золей.
Относительно малые концентрации коллоидных растворов обуславливают также ничтожно малые значения всех других величин, зависящих от числа частиц растворенного вещества: понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором, понижение температуры замерзания раствора, повышение температуры кипения раствора по сравнению с растворителем.
Так, понижение температуры замерзания золя золота (ω(Au) = 0,1%) при размере частиц 4 нм равно всего 0,000004о. Точно экспериментально измерить такие малые изменения величин практически невозможно.
Оптические свойства золей
Коллоидные системы, благодаря соизмеримости размеров частиц дисперсной фазы с длиной световых волн, обладают специфическими оптическими свойствами. Это позволяет использовать оптические методы исследования для изучения структуры и формы частичек, скорости их перемещения, размеров и концентрации.
Рассеяние света (опалесценция)
Рассеяние света в какой-то степени свойственно любой среде. Но наиболее интенсивное светорассеяние происходит в условиях, когда луч света проходит через дисперсную систему, частицы которой имеют размеры меньше длины полуволны падающего света и удалены друг от друга на расстояния, значительно превосходящие длину волны.
Световой луч, встречая на своем пути частицу, как бы огибает ее и несколько изменяет свое направление. При этом имеет место частичное рассеяние в виде волн, расходящихся во все стороны. В результате этого каждая частица является источником новых менее интенсивных волн, т.е. происходит как бы самосвечение каждой частицы. Это, в свою очередь, приводит к самоосвещению среды рассеянными внутри нее электромагнитными волнами. Данное явление получило название опалесценции.
В коллоидных растворах она проявляется в виде матового свечения среды, чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении золя на темном фоне.
С опалесценцией связано специфичное для коллоидных систем явление – конус Тиндаля (эффект Тиндаля).При пропускании узкого пучка света через золь и наблюдении в перпендикулярном лучу направлении в растворе видна светящаяся полоса, узкая со стороны входа света и более широкая на выходе, т.е. имеющая форму расходящегося конуса. Если свет пропускать в виде сходящегося пучка, светящаяся дорожка будет иметь форму сходящегося конуса (рис. 57).
Если на пути луча света поставить сосуд с истинным раствором, световая дорожка в нем будет почти незаметна (рис. 57).
Рис. 57. Эффект Тиндаля: 1– стакан с растворомNаС1;2 – стакан с золем;3– оптическая линза;4– настольная лампа со светонепроницаемым футляром
Теория рассеяния света коллоидно-дисперсными системами была разработана Рэлеем в 1871 г., который вывел уравнение для расчета интенсивности рассеянного света:
I=I0K
где I0 – интенсивность падающего света;
I – интенсивность света, рассеянного золем;
n – число частиц в единице объема золя;
v – объем одной частицы золя;
λ – длина волны падающего света;
K – константа, зависящая от показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Из уравнения Рэлея следует, что рассеяние света (I) пропорционально концентрации частиц, квадрату их объема и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Таким образом, рассеяние коротких волн происходит более интенсивно. В связи с этим бесцветные золи в проходящем свете кажутся красноватыми, а в рассеянном, т.е. при наблюдении сбоку – голубыми.
На интенсивном рассеянии лучей коротковолновой части спектра основано применение ламп синего света в целях светомаскировки и ламп красного света для сигналов опасности. Синие лучи при прохождении через слой воздуха, содержащий частицы пыли, дыма или тумана, полностью рассеиваются. Красные же лучи рассеиваются в значительно меньшей степени и красный сигнал виден на большее расстояние.
Уравнение Рэлея применимо для частиц размером от 5 до 100 нм, т.е., лишь для типичных золей. С его помощью можно рассчитать концентрацию коллоидных частичек в системе.