9.6 Оптические свойства коллоидных систем

Оптические свойства коллоидных систем значительно отлича-ются от грубодисперсных и молекулярно (ионно)-дисперсных систем. В коллоидных системах частицы дисперсной фазы имеют размеры меньше 10^–6 м, а длина волны видимой части спектра находится в пределах от 4∙10^–7 до 7∙10^–7 м. Поэтому они не отражают свет как грубодисперсные системы, а рассеивают проходящие через них лучи. Световые волны огибают частицу, рассеивая световые лучи разной длины в разных направлениях.

Зависимость интенсивности светорассеяния от различных фак-торов описывается формулой Рэлея:

I = I₀K ,

где I – интенсивность рассеянного света в направлении, перпен-дикулярном к лучу падающего света; I₀ – интенсивность падающего света; К – константа, зависящая от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды; V – объем одной частицы; ν – число частиц в единице объема (численная концентрация); – длина волны падающего света.

Из формулы Рэлея следует, что интенсивность рассеяния света прямо пропорциональна квадрату объема частицы и обратно пропорциональна длине волны падающего света в четвертой степени. Если источник света содержит излучения разной длины волны (белый свет), то наиболее сильно будут рассеиваться излучения, имеющие наиболее короткие длины волн (фиолетовые и синие). Поэтому рассеянный свет от источника белого света должен иметь голубой оттенок.

На основе явления рассеяния света объясняются такие оптические свойства коллоидных систем, как эффект Фарадея-Тиндаля, опалесценция и окраска. На явлении светорассеяния основаны такие методы исследования, как ультрамикроскопия и нефелометрия.

Эффект Фарадея-Тиндаля. Если в темноте световой луч пропустить через прозрачный коллоидный раствор, то в золе появляется характерный светящийся конус. Это явление впервые наблюдал М.Фарадей на золе золота (1857), а затем его более подробно исследовал Д.Тиндаль (1869). Подобное явление наблюдается при прохождении луча света в темном запыленном помещении. В молекулярно (ионно)-дисперсных системах это явление не наблюдается. Напри-мер, из внешне одинаковых систем - золя берлинской лазури и раствора CuSO₄ - только золь дает эффект Фарадея-Тиндаля.

Таким образом, эффект Фарадея-Тиндаля позволяет решить воп-рос, является ли данная дисперсная система коллоидной или молеку-лярно (ионно)-дисперсной.

Опалесценция. Опалесценция – это различие окраски при рассматривании коллоидных систем в проходящем свете и рассеянном свете. Например, гидрозоли AgCl, серы и канифоли в проходящем свете имеют красновато-желтый оттенок, а при наблюдении сбоку – голубоватый. Это объясняется тем, что красные и желтые лучи, имеющие большую длину волны, мало рассеиваются и проходят через золь, а фиолетовые и синие лучи (с меньшей длиной волны) хорошо рассеиваются.

Окраска золей. Большинство коллоидных систем имеет яркую окраску от белого до черного, причем интенсивность ее в десятки и сотни раз больше, чем у молекулярно (ионно)-дисперсных систем. Причем один и тот же золь может иметь различную окраску в зависимости от дисперсности (полихромия). Например, грубодисперсные гидрозоли золота имеют синюю окраску, большей степени дисперсности – фиолетовую, а высокодисперсные – ярко красную окраску.

Ультрамикроскопия. Коллоидны частицы невозможно разглядеть через обычный микроскоп. Это связано с тем, что интенсивность рассеянного частицами света очень мала и они незаметны на фоне проходящего света. Поэтому, чтобы разглядеть частицу золя, используют боковое освещение. В этом случае каждая частица является источником рассеянного света и наблюдается в виде светящейся точки на темном фоне. Сконструированный на этом принципе прибор называется ультрамикроскопом.

При наблюдении в ультрамикроскоп частицы золя видны как светящиеся точки на темном фоне, находящиеся в состоянии броуновского движения. Так как в ультрамикроскоп видна не сама частица, то светововое изображение ее не дает представления об истинных размерах и форме самих частиц. Поэтому для определения размера частицы используют методику, основанную на подсчете числа частиц п в объеме V. Тогда число частиц в единице объема будет ν = п/V. Если известна массовая концентрация дисперсной фазы ν_т , то можно определить массу m₁ и объем отдельной частицы V₁:

т ₁ = и V₁ = ,

где ρ – плотность дисперсной фазы.

По этим параметрам можно найти длину ребра куба l, если частица имеет кубическую форму:

l =

или диаметр частицы, если она имеет сферическую форму.

Таким образом, по данным подсчета частиц с помощью ультрамикроскопа, можно определить размеры коллоидных частиц.

Нефелометрия. Нефелометрия – это метод количественного химического анализа, основанный на измерении интенсивности света, рассеянного или поглощенного частицами дисперсной фазы, с помощью которого определяется дисперсность частиц коллоидной системы.

В нефелометрах определяют относительную интенсивность рассеянного света в исследуемом растворе по сравнению с интенсивностью света в стандартном растворе.

Нефелометр имеет два одинаковых цилиндрических сосуда, один из которых заполняется исследуемым золем, а другой – стандартным золем. Сосуды освещаются сбоку. Рассеянный свет попадает в оптическую часть прибора. Если золи имеют различные концентрации, то интенсивности светорассеяния будут различны и в окуляр будут видны два различно освещенных полукруга – один темнее, другой светлее. Регулируя отношение высот столбов золей можно добиться одинаковой освещенности обоих полей в окуляре. Это означает, что в обоих столбах жидкости содержится одинаковое число частиц.

Таким образом, при условии, что освещенность обоих полукругов одинакова, отношение высот столбов жидкости должно быть обратно пропорционально числу частиц в единице объема:

,

где h₁ и h₂ – высота жидкости в сосудах; ν₁ и ν₂ – численные концентрации золей.

Из приведенного соотношения находят концентрацию золя в исследуемом образце.