Курский государственный медицинский университет Кафедра общей химии Лекция

Курский государственный медицинский университет Кафедра общей химии Лекция: «ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ» Доцент, к. х. н. Оксененко О. И.

Свет • электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. • Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.

http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/f/fc/Spectre. svg

• Одной из характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны для монохроматического излучения, или суммарным спектром сложного излучения. http: //upload. wikimedia. org/wikipedia/commons/1/15/Electromagnetic_spectrum_c. svg

Белый свет (дневной, солнечный свет) полихроматичен, длина волны меняется от 4 • 10 -7 м (фиолетовый свет) до 7, 6 • 10 -7 м (красный свет). http: //ru. wikipedia. org/wiki/Файл: Dispersive_Prism_Illustration_by_Spigget. jpg

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления: 1. Прохождение света через систему (Iпр) 2. Преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы прозрачны) или отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны) (Iотр) 3. Рассеяние света (Iрас) 4. Абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую (Iп).

Физика в школе. Электронные уроки и тесты, ЗАО «Новый диск» , 2005

• Преобладающий характер наблюдаемых явлений зависит • от размеров частиц дисперсной фазы (r), • от их соотношения с длиной волны падающего света (λ).

1) Прохождение света • наблюдается для прозрачных систем, в которых r‹‹λ Имеет место в случае • истинных растворов (молекулярноионная дисперсия) и • большинства индивидуальных жидких веществ.

2) Преломление и отражение света • Если r>>λ. Это неравенство выполняется • для микрогетерогенных и • грубодисперсных систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

3) Рассеяние света • если r < λ • Такое соотношение выполняется для коллоидных растворов • (вспомним, что размеры частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах — 10 -7 - 10 -9 м).

Наиболее типичное оптическое явление в коллоидных растворах — это светорассеяние (опалесценция). Опалесценция (Фарадей, 1857) - различие окраски при рассматривании растворов в проходящем и отраженном свете. В отраженном свете голубоватый оттенок, в проходящем – желтоватый. • От латинского слова «opalus» — опал, минерал молочноголубоватого или желтовато-белого цвета.

Конус Тиндаля (1869) • светящийся конус, образующийся при пропускании пучка света через коллоидный раствор. http: //chemistryland. com

Теория светорассеяния Рэлея. Под действием падающего света в частице меняется электронная конфигурация. Частица становится переменным электрическим диполем, а значит – испускает вторичную волну, которая имеет ту же длину, но другое направление. Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна.

Уравнение Рэлея связывает интенсивность рассеянного света (I) с интенсивностью падающего света (Iо): • • • где V — объем одной частицы, — частичная концентрация λ — длина волны; n 1 — показатель преломления частицы, n 0 — показатель преломления среды.

Уравнение справедливо при условиях: 1) частицы имеют сферическую форму; 2) частицы не проводят электрический ток (т. е. являются неметаллическими); 3) частицы не поглощают свет, т. е. являются бесцветными; 4) коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше λ.

Зависимость I от различных параметров системы. 1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (n 1 — n 0). • Если n 1 = n 0 , то светорассеяние будет отсутствовать и в неоднородной среде.

2. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная концентрация . Связь частичной и массовой концентраций (с, г/дм 3): • таким образом, I пропорциональна с и V (или кубу ее линейного размера)

Условие сохранения этой зависимости - малые частицы, для которых: • Для видимой части спектра это условие соответствует значениям • 2 • 10 -8 м< r < 4 • 10 -8 м.

3. I обратно пропорциональна λ 4 • Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны — синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете — красноватую.

Физика в школе. Электронные уроки и тесты, ЗАО «Новый диск» , 2005

Практическое значение зависимости I от λ 4 • 1. В сигнализации. (Красный цвет мало рассеивается). • 2. Для светомаскировки ( синие лучи полностью рассеиваются). • 3. Для локации (Инфракрасные и короткие радиоволны обладают большой проницаемостью и незначительным рассеянием). *Зеленые растения поглощают именно красные лучи солнечного света, потому что они менее всего рассеиваются атмосферой Земли.

Поглощение света и окраска золей • Многие коллоидные растворы имеют определенную окраску, т. е. поглощают свет в соответствующей области спектра. • Золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. • Так, поглощая синюю часть спектра (435 -480 нм), золь оказывается желтым; • при поглощении синевато-зеленой части (490 -500 нм) он принимает красную окраску; • При поглощении красной части золь синий или зеленый.

Если лучи всего видимого спектра проходят через прозрачное тело, то оно кажется бесцветным, отражаются от непрозрачного, то оно кажется белым. Поглощаются полностью, то оно кажется черным.

Физика в школе. Электронные уроки и тесты, ЗАО «Новый диск» , 2005

Закон Бугера-Ламберта-Бера • где Iо — интенсивность падающего света; • Iпр — интенсивность прошедшего через золь света; • ε — коэффициент поглощения; • I — толщина слоя золя; • с — концентрация золя.

После логарифмирования получим: Оптическая плотность раствора или экстинкция (D). Dλ

Поглощение света золями металлов 1. Золи металлов очень сильно поглощают свет. *При изменении r изменяется λ поглощаемого света. Так, высокодисперсные золи золота (r = 20 нм), поглощающие преимущественно зеленую часть спектра, имеют интенсивно красную окраску; при увеличении размеров частиц до 50 нм окраска золей становится синей. 2. Обладают исключительно высокой интенсивностью окраски. Например, интенсивность окраски красного золя золота во много раз больше, чем у красителя фуксина (при одинаковых концентрациях). *При изменении размеров частиц изменяется также интенсивность их окраски, она максимальна при средних размерах частиц и ослабевает как при увеличении, так и при уменьшении дисперсности. Так, наибольшая интенсивность окраски гидрозоля золота имеет место при размерах частиц от 20 до 37 нм.

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ • ультрамикроскопия; • электронная микроскопия; • нефелометрия; • турбидиметрия

Использование методов: Определение размера, формы и структуры коллоидных частиц. Преимущества: • Быстрота, • удобство этих методов, • точность получаемых результатов.

УЛЬТРАМИКРОСКОПИЯ • основана на наблюдении рассеяния света в обычном оптическом микроскопе

*Разрешающая способность микроскопа: min=1/2λ Таким образом, при использовании обычного света (λ= 400 -700 нм ) видимы частицы, размеры которых не менее 2 • 10 -7 м, т. е. коллоидные частицы лежат за пределами видимости в обычном микроскопе.

Ультрамикроскоп. (1903 г. Зидентопф и Зигмонди) • Изучают эффект рассеяния отдельными частицами при боковом освещении и на темном фоне Наблюдают не сами частицы, а их отблески • Каждый отблеск — это свечение светового пучка волн, рассеянных одной частицей под разными углами, оно значительно больше, чем проекция самой частицы и доступно для микроскопической регистрации.

Определение размера и формы частиц 1. Выделяют определенный объем Vs, подсчитывают число содержащихся в нем частиц, и находят частичную концентрацию . 2. Если известна массовая концентрация золя с и плотность золя р, то можно найти средний объем частицы V:

• Если частицы имеют сферическую форму, можно рассчитать средний радиус частицы: • Если предположить, что частица имеет форму куба с размером ребра I, тогда С помощью ультрамикроскопа Зигмонди могут быть обнаружены частицы размером до 2 · 10 -10 м.

Поточный ультрамикроскоп (Б. В. Дерягин и Г. Я. Власенко). • автоматически выполняет практически все операции. • Золь протекает через специальную кювету, проходя определенную зону, каждая частица золя дает вспышку, которая регистрируется счетчиком. По различной яркости вспышек частицы можно разделить на фракции и построить кривые распределения.

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ (Дает возможность непосредственно видеть или фотографировать коллоидные частицы). • связана с использованием вместо световых лучей пучка быстрых электронов с длиной волны всего 0, 02 -0, 05 А. • Разрешающее расстояние с помощью электронного микроскопа может быть доведено до 5 -10 А. • Требования: • 1. Тщательное высушивание образцов (внутри микроскопа высокий вакуум) • 2. Образцы должны быть весьма тонкими (1 -10 мкм) (вследствие сильного поглощения электронов).

НЕФЕЛОМЕТРИЯ • основана на способности коллоидных систем рассеивать свет. • В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея в виде: Абсолютные значения I и Io определить сложно, поэтому часто используют

Относительные методы нефелометрии • 1. Определение объема частиц. • Опалесценцию исследуемого раствора I сравнивают с опалесценцией стандартного раствора Icт той же концентрации, объем частиц в котором известен. Тогда: • где V 1 — объем частиц в исследуемом растворе, • V 2 — объем частиц в стандартном растворе.

2. Определение концентрации дисперсной фазы в системе. Если стандартный и исследуемый растворы содержат частицы одной и той же природы и одного и того же размера, то: • где С 1 — концентрация исследуемого золя, • С 2 — концентрация стандартного раствора. ! Определение V или c должно производиться при определенной λ.

ТУРБИДИМЕТРИЯ основана на измерении ослабления проходящего через коллоидную систему света в результате светорассеяния. • Мутность: где I — расстояние, пройденное светом в оптически неоднородной среде. • Связь мутности коллоидного раствора и интенсивности рэлеевского рассеяния света под углом 90°( R 90)

Физика в школе. Электронные уроки и тесты, ЗАО «Новый диск» , 2005

Список литературы 1. Физическая и коллоидная химия: Учебник/Под ред. Проф. А. П. Беляева. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008. -704 с. 2. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. М. : Химия, 1976. - 512 с. 3. Гельфман М. И. , Ковалевич О. В. , Юстратов В. П. Коллоидная химия. - СПб: Лань, 2003. 336 с. 4. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. М. : Химия, 1988. -464 с.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!