Оптические методы исследования дисперсных систем

Оптические методы принадлежат к самым распространенным методам исследования веществ и материалов. В коллоидной химии оптические методы используются для изучения состава и структуры поверхностных слоев, а так же структуры дисперсных систем — формы, дисперсности, пористости, строения элементов структуры (отдельных частиц), профиля поверхности, толщины слоев, их состава и природы сил взаимодействующих компонентов при адсорбции и адгезии, структуры слоев и ее дефектов, механических, электрических и других свойств. Эти исследования имеют огромное значение для катализа, коррозии, адсорбции, адгезии, трения и других практически важных процессов.

К классическим методам исследования дисперсных систем, использующим явление светорассеяния, принадлежит турбидиметрия, основанная на способности систем ослаблять интенсивность проходящего света. В этом случае измерения ведут с помощью обычных спектрофотометров, позволяющих определить оптическую плотность или светопропусканис и вычислить мутность системы.

Выражение характеризует долю света, прошедшего через систему, поэтому называется светопропусканием П. Степень ослабления интенсивности света характеризует отношение , которое в логарифмической форме называется светопоглощением Q, то есть

Светопропускание и светопоглощение связаны между собой и если их выразить в процентах, то.

Тогда уравнение (3.4) можно записать в виде 2,3Q = т-1, откуда.

Для дисперсной фазы, имеющей размеры частиц, соизмеримые с длиной волны падающего света и больше, закономерности рассеяния света значительно усложняются и перестают соответствовать закону Релея. Интенсивность рассеяния при этом слабее зависит от длины волны падающего света, и показатель степени п в выражении для интенсивности рассеянного света I р~Л~⁴ меняется от 4 для частиц малого размера (реле;

евское рассеяние) до нуля (отражение света частицами, не зависящее от длины волны).

Уравнение Релея может быть использовано для определения размеров частиц сферической формы, если их радиус г не превышает 1/20 длины волны падающего света Л. Необходимым условием его использования является отсутствие поглощения света, а так же вторичного светорассения. Поэтому уравнение Релея применимо только для так называемых «белых золей», то есть непоглощающих свет дисперсных систем, и при очень малых концентрациях дисперсной фазы.

Если размер частиц (радиус) составляет от 1/20 до 1/6 длины световой волны и показатели преломления частиц и среды нс сильно различаются, для описания светорассеяния в системе можно воспользоваться уравнением Геллера:

где к и к' — константы уравнения, не зависящие от длины волны; п — показатель степени, который называют показателем дисперсности.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы величина показателя степени (показателя дисперсности) в уравнении Геллера, как и в законе Релея, может изменяться от 1 до 4.

В логарифмической форме уравнение (3.6) для оптической плотности имеет вид прямой линии:

Сведение уравнения к прямой составляет суть линеаризации, удобной для обработки экспериментальных результатов. На графике 1пГ) д = /(In Л) по углу наклона прямой к оси абсцисс находят величину показателя степени п (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Уравнение Геллера в спрямленных координатах Из рис. 3.3 видно, что

На графике, который называется калибровочной кривой Геллера и показывает зависимость величины п от размера частицы (рис. 3.4), по известному значению показателя п находят размер частиц золя.

Использование стандартной программы Excel позволяет быстро находить коэффициенты уравнения , выполнять аппроксимацию и сглаживать линию тренда, оценивая величину достоверности результатов.

Характер зависимости п от размера частиц г был определен Геллером эмпирически. Как и уравнение Релся, этот метод применим только для «белых золей», то есть для неокрашенных дисперсных систем (метод базируется только на светорассеянии).

Экспериментально полученная кривая Геллера показывает взаимосвязь показателя степени при длине волны с размером частиц дисперсной фазы, она используется как калибровочная в тех случаях, когда дисперсная система по своим физико-химическим свойствам и по степени дисперсности близка к тем, для которых зависимость получена, то есть входит в понятие «белые золи». В других случаях необходимо строить собственную калибровочную зависимость.

Показатель дисперсности п зависит от соотношения между размером частицы d и длиной волны падающего света Л, которое характеризует безразмерный параметр Z:

Рис. 3.4. Зависимость показателя дисперсности от радиуса частиц С увеличением Z значение п уменьшается, стремясь в пределе к 2 для частиц, радиус которых больше длины волны.

При малых значениях Z уравнение Геллера переходит в уравнение Рслея (п —> 4). Значения п для Z от 2 до 8 приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Показатель степени дисперсности п в уравнении Геллера в зависимое! н от параметра Z.

Ультрамикроскопия широко используется для исследования свойств дисперсных систем, в дисперсионном анализе.

При определении размера коллоидных частиц с помощью ультрамикроскопа через определенные промежутки времени подсчитывают число частиц п в известном объеме V золя. Необходимо заметить, что обычно делают сотни подсчетов и берут среднее число, используя методы статистической обработки результатов экспериментов.

Подсчет числа частиц п можно делать по визуальным наблюдениям (если их размеры позволяют это делать) или использовать специальные устройства (микроскопы или приборы с более сильным увеличением).

Если т — масса частиц, видимых в объеме системы V с концентрацией c_f то масса одной частицы будет равна: . Объем частицы Fq можно определить, зная плотность вещества:

При условии, что частица имеет шарообразную форму, ее радиус г можно рассчитать из формулы:

При кубической форме частиц длину ребра я, когда =а^, можно рассчитать по формуле:

Рассмотрим пример использования ультрамикроскопического метода исследования дисперсной системы — гидрозоля золота.

Задача. При исследовании гидрозоля золота с помощью ультрамикроскопа подсчитано 5 частиц металла в объеме V = 12−10^-19У^. Приняв форму частиц за шарообразную, рассчитать их средний радиус и удельную поверхность, если концентрация золя с = 0,3 кг/м³. Плотность золота при температуре опыта составляет/? = 19 300 кг/м³.

Решение. Вычислим массу золота в исследуемом объеме: т = сУ =3,610^_|9кг.

Масса одной частицы

Объем такой частицы м³, тогда ее радиус

Удельная поверхность частиц составляет