Лабораторная работа № 2 определение размера частиц коллоидных систем, подчиняющихся уравнению рэлея, турбидиметрическим методом.

Цель работы

Определение оптической плотности латекса и вычисление радиуса глобул по уравнению Рэлея.

1. Теоретическая часть

Знание оптических свойств коллоидных систем важно потому, что они позволяют изучить размер, форму, строение коллоидных частиц и взаимодействие между ними. Оптические свойства неразрывно связаны с молекулярно-кинетическими свойствами, изучение оптических свойств способствовало количественному толкованию таких процессов, как диффузия, броуновское движение, седиментация.

Явления, наблюдаемые при взаимодействии видимого света с веществом.

Преобладание того или иного явления зависят от соотношения между размером частиц и длиной волны света .

1) Прохождение света. Наблюдается в случае << .

Свет проходит без изменения направления и интенсивности, что наблюдается для оптически однородной среды. Под оптической однородностью понимают одинаковые значения коэффициента преломления в разных точах среды. (n=const).

2) Поглощение света . Если есть хромофорные группы, наблюдается избирательное поглощение некоторых длин волн и появляется окраска ( << ).

3 ) В грубодисперсных системах >> существует граница между двумя средами и наблюдается явление отражения и преломления света.

4 ) Рассеяние света.

Существует два вида рассеяния

а) При релеевском рассеянии среда является оптически неоднородной, распространение света сопровождается его рассеянием вследствие различия показателей преломления. Рассеяние мутными средами является интенсивным.

б) Молекулярное рассеяние – характерно для истинных растворов и газов. Оно происходит за счет флуктуации плотности в газах и жидкостях, флуктуации концентрации в растворах. Рассеяние света коллоидными системами приводит к мутности, наблюдаемое в виде эффекта Тиндаля.

Для рэлеевского рассеяния соблюдается закономерность:

и - интенсивность первичного и проходящего пучков, e – толщина образца, - мутность.

Основы теории светорассеяние заложил Рэлей в 1871г. При рэлеевском рассеянии выполняются два условия , поглощение = 0, т.е.

Физическая сущность релеевского рассеяния.

Световая волна - это переменное электромагнитное поле, которое наводит или индуцирует диполи в атомах и молекулах, в системе возникают переменные (осциллирующие) диполи и они являются источником вторичных волн. Таким образом, падающие и рассеянные волны являются вторичными. Диполи колеблются с той же частотой, что и падающая волна.

В оптически однородной среде диполи расположенных хаотически волн гасят друг друга . В оптически неоднородной среде и полного поглощения не происходит.

Для сферических частиц, не проводящих электрического тока, малых по сравнению с длиной волны, в разбавленном растворе справедливо соотношение, установленное Рэлеем:

(2)

где _р интенсивность рассеянного света, ₀ интенсивность падающего света,  длина волны света, n₁ и n₂ показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды,  численная концентрация,  длина волны. Это выражение справедливо для частиц диаметром 40-70 нм, что для видимого света соответствует 0,1. При увеличении диаметра частиц большое значение приобретает отражение света. Проанализируем выражение Рэлея.

1. Так как , то в разбавленных растворах можно определять численную концентрацию коллоидных частиц.

2. При постоянной массовой конценрации уменьшим объем частицы в x раз. Тогда увеличится в x раз. При С_масс.=const уменьшение обьема частицы в x раз вызывает уменьшение интенсивности рассеянного света не в x², а в x раз. При коагуляции коллоидных систем увеличение объема частиц вызывает увеличение интенсивности рассеянного света.

3. Поэтому в случае видимого света синие лучи лучше рассеиваются, красные лучше проходят.

4. Зависимость интенсивности рассеяния от разности показателей преломления среды и фазы приводит к тому, что при n₁=n₀ образуются прозрачные, не рассеивающие свет системы, например, эмульсия глицерина в четыреххлористом углеводороде. Это имеет большое значение для определения молекулярной массы сополимеров, состоящих из полимерных отрезков (блоков), образованных разными мономерами (блоксополимеров). Подбирая растворитель, показатель преломления которого равен показателю преломления одного из блоков, делают его невидимым. Тогда легко определяется молекулярная масса другого блока. Этот метод получил широкое распространение и называется методом невидимок.

5. Установлено, что поглощение света дисперсными системами, как и в случае истинных растворов подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

, (3)

где ₀ интенсивность падающего света, _пр интенсивность прошедшего света, С концентрация, l толщина слоя,  молярный коэффициент поглощения.

(4)

другими характеристиками поглощения являются оптическая плотность (5)

и светопропускание (6)

Уравнение Бугера-Ламберта-Бера описывает ослабление пучка света при прохождении через поглощающее вещество. В истинных растворах это ослабление происходит только за счет поглощения.

В коллоидных растворах ослабление пучка света может проходить за счет поглощения и рассеяния света. Тогда уравнение принимает вид

(7)

где k– коэффициент ослабления света вследствие рассеяния, т.е. фиктивной абсорбции света. Если  =0, то ослабление света происходит только вследствие фиктивной абсорбции:

(8)

Следует отметить, что в отличие от истинной абсорбции света, когда световая энергия абсорбируется системой и превращается в тепловую, абсорбция, вызванная светорассеянием, называется фиктивной.

В курсе коллоидной химии рассматриваются такие оптические методы анализа дисперсности как: турбидиметрия, нефелометрия, световая, темнопольная и электронная микроскопия.

Рассмотрим более подробно турбидиметрический метод определения размера частиц, при котором измеряют ослабление интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему.

В качестве прибора для проведения турбидиметрических измерений можно использовать широко распространенные фотоэлектроколориметры, предназначенные для определения оптической плотности растворов. Метод турбидиметрии основан на том, что при прохождении света через коллоидный раствор, содержащий малые прозрачные частицы, поглощение практически отсутствует и ослабление интенсивности падающего света равно полной интенсивности света, рассеянного коллоидным раствором во всех направлениях (полное светорассеяние). Для систем, содержащих частицы с размерами значительно меньше длины световой волны, величина полного светорассеяния подчиняется уравнению Рэлея. В этом случае, измерив фотометром или калориметром ослабление интенсивности падающего света и воспользовавшись уравнением Рэлея, можно определить средний размер частиц.

Рассмотрим поглощение света 1 см³ вещества, при , =0, тогда уравнение (8) примет вид

(9)

Закон сохранения энергии в данном случае приводит к равенству

где _пр, _расс, ₀ интенсивности соответственно прошедшего, рассеянного и падающего света.

Преобразуем это уравнение, поделив на ₀:

, где  мутность. (10)

С другой стороны, , следовательно, kc. (11)

Запишем уравнение в общем виде:

Выразим  через оптическую плотность:

(12)

Для дисперсных систем со сферическими частицами уравнение Рэлея можно написать в виде:

, (13)

где _расс полная интенсивность света, рассеянного 1 см³ системы; С_об объемная доля дисперсной фазы; V объем частицы, см³.

Отсюда можно вычислить объем частиц , (14)

где . (15)

Уравнение Рэлея справедливо лишь для разбавленных растворов, так как оно не учитывает вторичного рассеяния света и взаимодействия между частицами. Поэтому для определения размера частиц следует найти  для ряда растворов с разной кратностью разбавления и экстраполировать величину /С_об=0.

(16)

Весьма удобным объектом исследования оптических свойств коллоидных систем являются латексы, представляющие модель гидрофобных золей. Они являются двухфазными трехкомпонентными системами, состоящими из полимерных частиц ультрамикроскопических размеров, взвешенных в серуме водном растворе стабилизатора. В качестве стабилизатора применяют различные поверхностно-активные вещества (соли жирных кислот и сульфокислот).

2.Экспериментальная часть.

Оборудование и реактивы:

Фотоэлектрический колориметр типа КФК-3

Пипетки емкостью 1, 3, 5 мл

Мерные колбы на 50 мл (4 шт.)

Фильтровальная бумага

Исследуемый раствор