Оптические свойства коллоидных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутский государственный медицинский университет

Фармацевтический факультет

Заочное отделение

Кафедра общей химии

Реферат по коллоидной химии:

Тема: Оптические свойства коллоидных систем

Выполнил: Студент ФФЗ гр.303

Слуцкий А.В.

Иркутск 2015

Содержание

1. Оптические свойства коллоидных растворов

2. Оптические методы исследования коллоидных систем

3. Электрические свойства коллоидных растворов

1. Оптические свойства коллоидных растворов

Коллоидные системы, так же как и истинные растворы, поглощают, отражают и преломляют свет. Их отличительной особенностью является способность рассеивать свет (явление опалесценции).

Опалесценция становится особенно заметной, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. В этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).

Рассеивание света наблюдается только тогда, когда длина световой волны (л) больше размера частицы дисперсной фазы. Если л меньше диаметра частиц, наблюдается отражение света.

Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность опалесценции с размером частиц и концентрацией частиц в системе:

уравнение Рэлея

где I₀ - интенсивность падающего света, I_p - интенсивность опалесценции,

I_p/I₀ - мутность системы, k -константа, с -концентрация (кг/м³),

r - радиус частицы (м), л -длина волны падающего света (м).

Уравнение выведено при следующих допущениях:

1) частицы имеют сферическую форму и не проводят электрический ток;

2) размер частиц не должен быть более 1/10 от л (40-50 мкм); при увеличении размера частиц показатель степени л уменьшается; при очень больших размерах показатель степени превращается в нуль и светорассеивание переходит в отражение света;

3) большое расстояние между частицами (разбавленная система). При больших концентрациях возникает многократное рассеивание и прямая зависимость между I_p/I₀ и концентрацией нарушается.

Выводы из уравнения Рэлея:

1. При уменьшении размера частиц опалесценция резко уменьшается (в 3-ей степени), поэтому при облучении истинных растворов опалесценция не наблюдается. Однако она будет наблюдаться, если для облучения будут использованы излучения с малой длиной волны (например, рентгеновское).

2. Для частиц данного размера мутность I_p/I₀ прямо пропорциональна концентрации частиц коллоидной системы. Это позволяет определять концентрацию по мутности раствора.

3. При облучении бесцветных коллоидных систем белым светом рассеиваются главным образом короткие волны (синие), т.к. I_p обратно пропорционально л⁴. Поэтому при боковом освещении бесцветные коллоидные системы имеют синеватую окраску, а в проходящем свете - красноватую (дополнительный к синему цвет).

4. Коэффициент k в уравнении Рэлея зависит от соотношения величин показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если они одинаковы, то k ? 0, светорассеивания нет.

2. Оптические методы исследования коллоидных систем

1. Нефелометрия

В основе нефелометрических измерений лежит уравнение Рэлея, показывающее зависимость мутности раствора I_p/I₀от размера и концентрации частиц в коллоидном растворе.

Нефелометрия позволяет определить концентрацию золя, если известны размеры частиц, или при известной концентрации - размер частиц.

Сущность метода заключается в сравнении мутности двух систем, концентрация или дисперсность одной из которых известна.

Нефелометр имеет две одинаковые кюветы: в одну помещают стандартный раствор, в другую - исследуемый. Кюветы освещают равномерно светом от источника. Поднимая или опуская экраны у кювет, добиваются одинаковой интенсивности светорассеивания в обоих кюветах. Тогда справедливо равенство:

где 1 - стандартный раствор, 2 - исследуемый раствор.

Ограничения метода:

1) применим для монодисперсных систем;

2) Диаметр частиц не должен превышать 1/10 от длины волны падающего света л;

3) метод неприменим для окрашенных и проводящих электрический ток золей.

2. Ультрамикроскопия

В обычный микроскоп видны только частицы, размер которых больше 0,1 мкм (10^-7 м). Поэтому для исследования коллоидных частиц используют метод ультрамикроскопии, основанный на явлении светорассеивания.

В ультрамикроскопе на коллоидный раствор сбоку направляют сильный луч света и наблюдают свет, рассеянный отдельными частицами (то есть под микроскопом наблюдают конус Тиндаля, образуемый каждой коллоидной частицей). В микроскопе на темном фоне видны светящиеся точки.

Ограничения метода:

1) золь должен быть разбавленным;

2) частицы не должны быть слишком малы или слишком велики;

3) коэффициенты преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды должны отличаться.

С помощью ультрамикроскопа косвенно можно определить размер коллоидных частиц. Для этого из препарата исследуемого золя тем или иным способом выделяют объем в форме прямоугольного параллепипеда (W), в котором подсчитывают количество коллоидных частиц - число светящихся точек. Операцию повторяют многократно. Затем находят частичную концентрацию (число частиц в единице объема):

где n- число светящихся точек в объеме золя W.

Частичная концентрация связана с массовой концентрацией золя:

где с - массовая концентрация золя, г - плотность дисперсной фазы, V_част. - объем частицы.

Используя эту зависимость, можно рассчитать объем частицы и ее размер:

для сферической частицы,

для частицы кубической формы.

Ультрамикроскопия является одним из первых методов изучения коллоидных систем. В настоящее время наряду с ультрамикроскопией для исследования частиц малых размеров применяют электронную микроскопию, в которой вместо световых лучей используется пучок быстрых электронов. Разрешающая способность этого метода 5-10 Е.

3. Абсорбционная спектроскопия

Абсорбционная спектроскопия основана на законе Ламберта-Бера:

где Д - экстинкция (оптическая плотность поглощения),

I₀ - интенсивность падающего света, I_п - интенсивность прошедшего света,

е - молекулярный коэффициент поглощения, ( при е=0 раствор не поглощает свет), зависит от л, t, природы дисперсионной среды, с - концентрация раствора, d - толщина поглощающего слоя (ширина кюветы).

Абсорбционную спектроскорию широко используют для количественного анализа истинных растворов. Однако, закон Ламберта-Бера, выведенный для гомогенных систем, применим и к коллоидным системам высокой дисперсности при небольших концентрациях и размерах частиц.

Размер частиц оказывает влияние на абсорбцию через светорассеивание; белый свет теряет часть излучения (коротковолновую часть), что воспринимается наблюдателем как абсорбция.

коллоидный раствор оптический спектроскопия

где е' = f(r), r - радиус частиц.

3. Электрические свойства коллоидных растворов

1. Электрофорез

1808 г Ф.Ф.Рейс установил, что при наложении разности электрического потенциала на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, воткнутые в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела за счет появления там частиц глины. Это указывало на то, что частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу. Перенос частиц в электрическом поле получил название электрофореза.

Процесс протекает с постоянной скоростью, зависящей от величины разности потенциалов и характеристик среды:

где U - линейная скорость движения границы золь-жидкость, м/с;

е - диэлектрическая проницаемость среды, ф/м;

е₀ - электрическая константа (8,85 Ч 10^-12 ф/м);

Н - градиент внешнего поля, В/м;

з- вязкость среды, Н Ч с/м²;

о - дзета-потенциал.

2. Эффект Дорна (потенциал седиментации)

Дорн в 1878 г. обнаружил, что при оседании каких-либо частиц в жидкости, например песка в воде, возникает электродвижущая сила между двумя электродами, введенными в разные места столба жидкости, в которой оседают частицы. Это явление, противоположное электрофорезу, получило название эффект Дорна (потенциал седиментации).

3. Электроосмос

Ф.Ф. Рейс открыл также явление электроосмоса, заключающееся в том, что если тонкий порошок кварца поместить в среднюю часть U-образной трубки так, чтобы он образовал род пористой диафрагмы, заполнить трубку водой и приложить электрический ток к электродам, помещенным в оба колена трубки, то уровень воды в колене с отрицательным электродом будет повышаться до тех пор, пока разность уровней в обоих коленах не достигнет определенной величины. Процесс идет с постоянной скоростью, которую можно рассчитать по следующей формуле:

где х - объемная скорость, м³/с;

I - сила тока, А;

ч - удельная электропроводность, Ом^-1 м^-1;

о - дзета-потенциал.

4. Потенциал течения

Если, под действием давления заставить проводящую жидкость двигаться через пористое тело, то возникает разность потенциалов, называемая потенциалом течения (Е). Это явление противоположно электроосмосу.

где р - давление, приводящее жидкость в движение, Н/м².

Легко показать, что скорость электроосмоса и потенциал течения зависят от одних и тех же величин:

Описанные четыре явления, в которых происходит передвижение частиц или жидкости при наложении разности потенциалов или, наоборот, возникает разность потенциалов при движении частиц или жидкости, получили название электрокинетических явлений. Причиной всех этих явлений является наличие заряда на поверхности коллоидных частиц.

Литература

1. Пасынский А.Г. Коллоидная химия. М.: Высшая школа. 1968.

2. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа. 1968.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975.

4. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982.

5. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1974.

Размещено на Allbest.ru