Перейти к основному содержимому

Оптические свойства коллоидных систем

Оптические свойства коллоидных систем определяются их гетерогенностью и дисперсностью. Изучение оптических свойств позволяет решить множество задач, например, можно определить наличие коллоидных частиц, их размер, форму, концентрацию.

5 видов взаимодействия световой волны с веществом:

  1. Поглощение;
  2. Преломление;
  3. Рассеяние;
  4. Отражение;
  5. Пропускание

Но в зависимости от длины волны и размеров частиц преобладают определенные виды:

λ<<r— преломлениеλ>>r— пропусканиеλr— поглощение и отражение\lambda << r \qquad \text{— преломление} \\ \lambda >> r \qquad \text{— пропускание} \\ \lambda ≈ r \qquad \text{— поглощение и отражение} \\

Если в системе нет никаких частиц с другим показателем преломления, то система будет считаться оптически пустой и рассеяния не будет. Если есть, то электрическое поле волны будет возбуждать электроны и начнется испускание света, при этом длина волны падающего света будет совпадать с рассеянным. В дисперсных системах источниками рассеяния света являются частицы дисперсной фазы.

Эффект Тиндаля — оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

Схема наблюдения эффекта Тиндаля

Теория светорассеяния Рэлея

Настоящее имя Рэлея Джон Уильям Стретт, Лорд Рэлей. Рэлей открыл открыл аргон.

Рэлей рассматривал свою теорию для дисперсных частиц, размер которых примерно равен 0.1λ0.1λ. Эти частицы имеют сферическую форму, не поглощают свет — есть только рассеяние, концентрация этих частиц достаточно мала, чтобы эффекты отдельных частиц не взаимодействовали друг с другом.

Схема наблюдения светорассеяния

Уравнение Рэлея

J=24π3V2νλ4x2J0(n12n02n122n02)2f(α),J = \frac{24\pi^3V^2\nu}{\lambda^4x^2}J_0\left(\frac{n_1^2-n_0^2}{n_1^2-2n_0^2}\right)^2f(\alpha),

где:

  • J0J_0 — интенсивность падающего света;
  • λ\lambda — длина волны падающего света;
  • VV — объем одной частицы дисперсной фазы;
  • ν\nu — частичная концентрация (число частиц в единице объема);
  • n1n_1 — показатель преломления дисперсной фазы;
  • n0n_0 — показатель преломления дисперсионной среды;
  • хх — расстояние до наблюдения;
  • αα — угол, под которым наблюдается рассеяние.

В общем случае уравнение Рэлея упрощается к виду

J=KV2ν,J = KV^2\nu,

где KK — константа прибора

K=24π3λ4x2J0(n12n02n122n02)2f(α),K = \frac{24\pi^3}{\lambda^4x^2}J_0\left(\frac{n_1^2-n_0^2}{n_1^2-2n_0^2}\right)^2f(\alpha),

Анализ закона Рэлея

Интенсивность рассеянного света:

  1. Сильнее всего зависит от длины волны.

    J=f(λ)λJJ=f(\lambda)\qquad \lambda\downarrow \longrightarrow J\uparrow

    Красный свет рассеивается меньше всего, поэтому все сигнальные огни — красные, все маскировочные — синие.

  2. Зависит от разницы в показателях преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

    J0=f(n1n0)J_0=f(n_1-n_0)

    Чем больше разница — тем сильнее рассеяние.

  3. Зависит от размера частиц дисперсной фазы.

    Пример зависимости интенсивности рассеивания от размера частиц

  4. От концентрации

    J=f(ν)J = f(\nu)

Нефелометрия

Нефелометрия — метод изучения рассеянного света дисперсной системы под определенным углом.

Упрощенное уравнение Рэлея

J=KV2νJ = KV^2\nu
Vν — объемная концентрацияVνρ=C — весовая концентрацияVν=C/ρV\nu \qquad\text{ — объемная концентрация} \\ V\nu\rho=C \quad\text{ — весовая концентрация} \\ V\nu=C/\rho
J=KVC/ρJ = KVC/\rho

Обычно проводят два опыта для сравнения экспериментального значения со стандартным.

ЕслиV=VстCCстJJст=CCст\text{Если} \left. \begin{array}{ccc} V= V_{ст}\\ C\neq C_{ст} \end{array} \right. \Longrightarrow \frac{J}{J_{ст}} = \frac{C}{C_{ст}}
ЕслиVVстC=CстJJст=VVст=r2rст3\text{Если} \left. \begin{array}{ccc} V \neq V_{ст}\\ C = C_{ст} \end{array} \right. \Longrightarrow \frac{J}{J_{ст}} = \frac{V}{V_{ст}} = \frac{r^2}{r_{ст}^3}

Ультрамикроскопия

Ультрамикроскопия — оптический метод изучения, который основан на регистрации рассеяния от каждой частицы дисперсной фазы. Ультрамикроскоп позволяет наблюдать частицы коллоидных размеров. 1903г. Зигмонди Рихард сконструировал ультрамикроскоп (1925г. - Нобелевская премия).

Схема работы светового микроскопа: прямой ход лучей

Схема работы светового микроскопа

где * — источник света.

Схема работы ультрамикроскопа:

Схема работы светового ультрамикроскопа: свет падает сбоку

В ультрамикроскопе наблюдается свет рассеянный каждой коллоидной частицей — на черном фоне светящиеся точки.

С помощью ультрамикроскопа можно определить:

  • наличие коллоидных частиц;
  • форму частиц. Ровный световой ареол — сферическая форма, мерцание — сложная поверхность;
  • можем посчитать число частиц \Rightarrow концентрацию частиц;
  • размер частиц.

VV — объем системы, который виден в поле прибора

CC — весовая концентрация

Масса дисперсной фазы вычисляется уравнением

VC=43πr3ρn,VC = \frac{4}{3}\pi r^3\rho \cdot n,

где nn — число частиц

r=3VC4πρn3r = \sqrt[3]{\frac{3VC}{4\pi \rho n}}

Поточный ультрамикроскоп (Дерягин и Власенко)

Поток золя протекает через кювету, на которую направлен свет. Происходят вспышки каждой коллоидной частицы в ультрамикроскопе, которые автоматически регистрируются. Используется для определения дисперсности системы.

Электронная микроскопия

Разрешающая способность микроскопа — величина, обратная минимальному расстоянию между 2 точками, которые можно видеть независимо друг от друга.

Р.С.=1dd=λ2nsin(α/2),Р.С. = \frac{1}{d} \qquad d = \frac{\lambda}{2n \sin(\alpha/2)},

где nn — показатель преломления среды.

Длина волны видимого спекта от 41054\cdot10^{-5} до 7.61057.6\cdot10^{-5} см.

λср=5.55105см\lambda_{ср} = 5.55\cdot 10^{-5} см
d=5.551052=2.8105смd = \frac{5.55\cdot 10^{-5}}{2} = 2.8\cdot 10^{-5} см
dnd \downarrow \longrightarrow n\uparrow

Для увеличения разрешающей способности используют иммерсионный метод.

Иммерсионный метод микроскопического наблюдения заключается во введении жидкости между объективом микроскопа и рассматриваемым предметом для усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения.

λd\lambda \downarrow \longrightarrow d\downarrow

Окраска коллоидных систем

Причины окраски:

  • рассеяние света;
  • поглощение.

Система окрашивается в свет - дополнительный к поглощенному.

Поглощенный светОкрашенный
ЖелтыйСиний
Красныйзеленый

Похоже на поглощение света в истинных растворах: уравнение Бугера-Ламберта-Бэра:

Jпогл=J0eKlCJ_{погл} = J_0 e^{-KlC}

Поглощение света зависит от размера частиц (или от ее дисперсности) — чем меньше размер частицы, тем более короткие длины волн могут быть поглощены. Золь AuAu:

Размер частиц, смПоглощенный светОкрашено
51065\cdot10^{-6}ЖелтыйСиний
21062\cdot10^{-6}ЗеленыйКрасный
<106<10^{-6}СинийЖелтый

Цвет системы зависит от размера частиц. Кроме того интенсивность поглощенного света тоже зависит от размера частиц (дисперсности системы).

Jпогл=f(D)J_{погл}=f(D)
Jmax=21063.6106J_{max} = 2\cdot10^{-6} — 3.6\cdot10^{-6}

Флюоресценция — поглощение определенной длины волны и преобразование в волны большей длины.

Опалесценция — различие окраски систем в зависимости от угла наблюдения. Рассеиваются волны разной длины.