ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

В настоящее время оптические методы являются наиболее распространенными методами определения размера, формы и концентрации частиц в гетерогенных системах. Это объясняется быстротой, удобством этих методов и точностью получаемых результатов.

К наиболее часто применяемым методам исследования высокодисперсных гетерогенных систем относятся ультрамикроскопия, электронная микроскопия, нефелометрия и турбидиметрия.

Рассмотрим три метода: турбидиметрию, ультрамикроскопию и нефелометрию.

Турбидиметрия

Турбидиметрия – это метод, основанный на измерении оптической плотности мутных систем.

Турбидиметрию используют в двух целях:

1. Для определения концентрации частиц в дисперсных системах. В этом случае используют закон Бугера – Ламберта – Бера, который мы только что рассмотрели:

A = k × с_золя × l

2. Для вычисления мутности дисперсных систем. Поскольку мутность связана с размером частиц, то по величине мутности можно определить размеры частиц в дисперсных системах, как подчиняющихся уравнению Релея (по формуле 2), так и не подчиняющихся (по уравнению Геллера). Это так называемый метод спектра мутности.

Ультрамикроскопия

Частицы гетерогенных систем (коллоидных растворов) нельзя увидеть в обычный световой микроскоп, так как частицы слишком малы, а рассеянный частицей свет слаб и не заметен на фоне проходящего света. Для изучения коллоидных растворов был предложен метод ультрамикроскопии, разработанный в 1903 году австрийским химиком Р. Зигмонди и немецким физиком Г. Зидентопфом. Они сконструировали прибор, который называется ультрамикроскопом. Схема ультрамикроскопа изображена на рисунке 7.

Небольшой плоскостенный сосудик (кювета) 1 с коллоидным раствором освещают сбоку интенсивным пучком света от электрической дуги 2, проходящим через линзы 3, и наблюдают при помощи микроскопа 5 на темном фоне коллоидные частицы. Между линзами 3 помещена диаграмма (щель) 4, позволяющая освещать в кювете строго определенный объем золя.

При наблюдении в ультрамикроскоп коллоидные частицы видны на темном фоне как световые точки, находящиеся в состоянии броуновского движения.

5

Нефелометрия

Нефелометрия – это метод определения концентрации частиц, основанный на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсными системами под углом 90⁰. Интенсивность светорассеяния зависит от степени дисперсности и концентрации золя. Измерение светорассеяния проводят в приборах, называемых нефелометрами.

С помощью нефелометров определяют относительную яркость света, рассеянного под углом 90⁰ в исследуемом растворе, по сравнению с яркостью света в стандартном растворе (рисунок 8).

Рис. 8. Устройство нефелометра

Нефелометр имеет два одинаковых цилиндрических сосудика, один из которых наполняется исследуемым коллоидным раствором, а другой – стандартным раствором с известной концентрацией. Сосудики освещаются сбоку сильным пучком параллельных лучей, при этом наблюдается явление Фарадея - Тиндаля. Рассеянный золем свет попадает в оптическую часть прибора, находящуюся над сосудиками. Если золи имеют различную концентрацию, то интенсивность светорассеяния будет различна, и в окуляре будут видны два различно освещенных полукруга: один – темнее, другой – светлее (левая часть рисунка). Сосудики снабжены шторками, с помощью которых можно уменьшить высоту освещенного столба жидкости. Поскольку интенсивность рассеянного света пропорциональна числу частиц в единице объема, то освещенность полукругов будет одинаковой только в том случае, если пучки лучей, падающих в исследуемый и стандартный золь, будут рассеяны одинаковым числом частиц. Поэтому, чтобы выровнять освещенность полукругов, необходимо с помощью шторки уменьшить высоту освещенного столба жидкости в растворе с большей концентрацией (правая часть рисунка 8). При равной освещенности обоих полукругов отношение высот должно быть обратно пропорционально числу частиц в единице объема

n₁ × h₁ = n₂ × h₂; (9)

Из соотношения (10) находят искомую концентрацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня мы познакомились с оптическими свойствами дисперсных систем и выяснили, что они имеют свои особенности. Так, например, эффект Фарадея – Тиндаля может быть использован для идентификации коллоидных систем, поскольку в истинных растворах рассеяние света не происходит.

Анализ уравнения Релея позволяет наметить пути практического использования явления рассеяния света. Явления поглощения и рассеяния света используются для исследования дисперсных систем в таких методах, как ультрамикроскопия, нефелометрия, турбидиметрия. На лабораторной работе мы ознакомимся с применением метода турбидиметрии для определения размера частиц дисперсной фазы.

Следующая лекция будет посвящена изучению электрических свойств дисперсных систем.

Профессор кафедры ФМТМ

Т.Г. Дмитриенко

«____»____________2013 г.