ЛЕКЦИЯ № 9 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

ЛЕКЦИ Я № 9
ОП ТИЧЕСКИ Е СВ ОЙС ТВ А КОЛЛОИ ДНЫ Х СИ С ТЕМ
Характерные оптические свойства
опалесценция, эффект Тиндаля и окраска.
коллоидных
систем ––
Рас се яние све та (оп але сце нция )
Когда луч света направлен на золь сбоку, то его путь
обнаруживается на темном фоне в виде светящегося конуса ––конуса
Тиндаля.
Эффект Тиндаля
Основа
появления
коллоидными частицами.
конуса
Тиндаля –– рассеяние
света
Если размер частицы меньше длины полуволны падающего
света: a ≈ 1 λ , то наблюдается дифракционное рассеяние света. Свет
2
огибает частицы и рассеивается в виде волн, расходящихся во все
стороны.
Это явление –– опалесценция, свойственно золям, проявляется
как свечение матового цвета, чаще голубоватых оттенков.
1
Теория рассеяния света Рэлея
n12 - n02 2 ν υ 2
]
Iр = I 0 24 π [ 2
2
n1 + 2n0
λ4
3
,
где Iр — интенсивность света, рассеянного единицей объема
дисперсной системы, Дж/м3 с; I0 — интенсивность падающего света,
Дж/м2 с; ν — частичная концентрация, N частиц/м3 ; υ —объем одной
частицы, м3 ; λ — длина волны падающего света, м; n — показатель
преломления дисперсной фазы, n0 — показатель преломления
дисперсионной среды.
Если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной
среды постоянны, то уравнение принимает вид:
υ2
I = I0 K v 4 ,
λ
где K — константа, зависящая от коэффициентов преломления
дисперсной фазы и дисперсионной среды.
У л ьт ра м и к ро с к о п и я
При рассматривании
беспрерывно движущиеся,
наиболее мелкие выглядят
рассеяния света зависит от
формы.
в ультрамикроскопе золя видны
разного цвета частицы, из которых
как светящиеся точки. Интенсивность
концентрации частиц, от их размера и
Схема ультрамикроскопа
Ультрамикроскопия позволяет косвенно
размерах и форме коллоидных частиц.
2
судить
о
массе,
Ультрамикроскоп применяют при исследовании вакцин,
сывороток и антигенов, для контроля чистоты воды и инъекционных
растворов.
Не ф е л о ме т ри я
Нефелометрический метод основан на измерении интенсивности
рассеянного света. Измеряется интенсивность рассеяния света под
одним углом, и уравнение Рэлея представляется в следующем виде:
Iр = I0 k ν υ2 = I0 k cυυ,
где сυ — объемная концентрация; k — константа, объединяющая
все параметры, принимаемые постоянными при измерении, кроме сυ
и υ.
Следствие: интенсивности света, рассеянного двумя золями с
частицами одинаковой формы и размеров, относятся как частичные
концентрации определяемого вещества. Если в сравниваемых золях
одинаковы объемные концентрации, то интенсивности относятся как
объемы частиц или кубы их диаметров:
при υ = const
I1 /I2 = ν1 /ν2 ,
при c υ = const
I1 /I2 = υ1 /υ2 = d13 /d2 3
Т. о., имея стандартные золи, можно определить размер частиц и
концентрацию исследуемого золя.
Схема нефелометра
Ту рб и д и м е т ри я
Турбидиметрия основана на измерении интенсивности света,
прошедшего через дисперсную систему. Закономерности рассеяния
света
аналогичны
закономерностям
поглощения
света
3
молекулярными растворами и подчиняются закону Бугера––
Ламберта––Бера:
IП = I0 e–τl,
где IП и I0 — интенсивности прошедшего и падающего света
соответственно; τ — коэффициент пропорциональности мутность; l –
– толщина слоя золя.
Из этого уравнения получается выражение, связывающее
основные характеристики дисперсных систем при турбидиметрии:
оптическую плотность (D) и мутность:
D = τl
В соответствии с уравнением Рэлея мутность выражается так:
K v υ2
τ=
λ4 ,
K v υ2
l
отсюда: D =
λ4
Следствие: оптические плотности двух золей с частицами
одинаковых объемов относятся как частичные концентрации
сравниваемых дисперсных систем. При одной и той объемной
концентрации систем оптические плотности относятся как объемы
частиц или кубы их диаметров:
при υ = const
D1 /D2 = ν1 /ν2
при c υ = const
D1 /D2 = υ1 /υ2 = d13 /d23
Т. о., в турбидиметрии, имея стандартные золи, по интенсивности
прошедшего света можно определить размер частиц и концентрацию
исследуемого золя.
Схема турбидиметра
4
Турбидиметрия
и
нефелометрия
применяются
в
фармацевтическом анализе для количественного определения
лекарственных веществ. Турбидиметрия применяется для оценки
содержания алкалоидов в растворах для инъекций и определения
активности антибиотиков.
Э л е к т ро н н а я м и к ро с к о п и я
Разре шающая способность любого микроскопа (S) определяется
наименьшим расстоянием между двумя несамосветящимися
точками, которые раздельно может воспринимать наш глаз.
S = 0,5λ/A,
где λ –– длина
объектива.
световой
волны;
А — численная
апертура
Разре шающую способность (S), можно увеличить, используя
вместо световых лучей пучки быстролетящих электронов.
Разре шение современных электронных микроскопов лежит в
пределах 0,3 − 0,5 нм, что позволяет получать изображение во всем
диапазоне размеров, соответствующих коллоидным частицам.
С помощью электронного микроскопа удается рассмотреть
изображение и форму коллоидных частиц. Этот метод позволяет
изучать форму и строение вирусов, наблюдать молекулы белков,
динамику формирования коллоидных частиц, строение гелей и т. д.
Абсо рбция (погло ще ние ) све та и окраска колло идных
систе м
Окраска таких систем определяется результирующей наложения
двух эффектов — рассеяния и поглощения света. С изменением
природы, степени дисперсности или формы частиц дисперсной фазы
изменяется вклад обоих эффектов, что вызывает изменение окраски
дисперсной системы.
Золи с металлическими частицами очень сильно поглощают свет.
Для золей металлов характерна селективность поглощения,
зависящая от дисперсности.
Золи золота с частицами радиусом 20 нм, поглощают зеленую
часть спектра (530 нм) и поэтому они красного цвета; при радиусе
частиц 40 − 50 нм максимум поглощения приходится на желтую
часть спектра (590 − 600 нм) и золь кажется синим, а очень
высокодисперсный золь, поглощая синюю часть спектра (440 −
450 нм), имеет желтую окраску.
5
ПРИЛОЖЕНИЕ К ЛЕКЦИИ №9
Величины,
систем
характеризующие
оптические
свойства
Символ и
формула
Закономерности и величины
дисперсных
Размерность
Закон Рэлея
n1 2 - n02 2 νυ 2
vυ 2
I p = I0 24π [ 2
]
= I 0K 4
n1 + 2n02 λ 4
λ
3
Закон Бугера—Ламберта—Бера
IП = I0 e–klc
Интенсивность падающего света
Интенсивность рассеянного света
Интенсивность (сила) света
Длина волны света
Мутность
I0
Iр
I
Оптическая плотность
D=τ l1)
Показатель преломления
n
λ
τ
A = n sin
Численная апертура объектива
α
2
S = 0.5λ /Α
Разре шающая способность
Дж/м2 ⋅с
Дж/м3 ⋅с
кандела (кд)
нм (10–9 м)
м–1
безразмерная
величина
безразмерная
величина
безразмерная
величина
нм (10–9 м)
Примечание: 1)l –– толщина слоя исследуемой системы (м).
Размерности концентраций, используемые при расчетах оптических
свойств, см.Приложения к лекции № 4
6