ОПТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Оптичні методи належать до найпоширеніших методів дослідження речовин і матеріалів. У колоїдної хімії оптичні методи використовуються для вивчення складу і структури поверхневих шарів, а так само структури дисперсних систем - форми, дисперсності, пористості, будови елементів структури (окремих частинок), профілю поверхні, товщини шарів, їх складу і природи сил взаємодіючих компонентів при адсорбції і адгезії, структури шарів і її дефектів, механічних, електричних та інших властивостей. Ці дослідження мають величезне значення для каталізу, корозії, адсорбції, адгезії, тертя і інших практично важливих процесів.

До класичних методів дослідження дисперсних систем, що використовують явище світлорозсіювання, належить турбідиметрія, заснована на здатності систем послаблювати інтенсивність світла, що проходить. В цьому випадку вимірювання ведуть за допомогою звичайних спектрофотометрів, що дозволяють визначити оптичну щільність або светопропусканіс і обчислити каламутність системи.

Вираз характеризує частку світла, що пройшло через систему, тому називається светопропусканием П . Ступінь ослаблення інтенсивності світла характеризує ставлення , яке в логарифмічною формі називається светопоглощенієм Q , тобто

Світлопропускання і светопоглощение пов'язані між собою і якщо їх висловити у відсотках, то

Тоді рівняння (3.4) можна записати у вигляді 2,3 Q = т-1 , звідки

Для дисперсної фази, що має розміри частинок, співмірні з довжиною хвилі падаючого світла і більше, закономірності розсіювання світла значно ускладнюються і перестають відповідати закону Релея. Інтенсивність розсіювання при цьому слабкіше залежить від довжини хвилі падаючого світла, і показник ступеня п в вираженні для інтенсивності розсіяного світла I р ~ Л ~ 4 змінюється від 4 для частинок малого розміру (реле

евского розсіювання) до нуля (відображення світла частинками, що не залежить від довжини хвилі).

Рівняння Релея може бути використано для визначення розмірів частинок сферичної форми, якщо їх радіус г не перевищує 1/20 довжини хвилі падаючого світла Л . Необхідною умовою його використання є відсутність поглинання світла, а так само вторинного светорассенія. Тому рівняння Релея застосовується лише для так званих «білих золів», тобто непоглощающіх світло дисперсних систем, і при дуже малих концентраціях дисперсної фази.

Якщо розмір часток (радіус) становить від 1/20 до 1/6 довжини світлової хвилі і показники заломлення частинок і середовища нс сильно розрізняються, для опису светорассеяния в системі можна скористатися рівнянням Геллера:

де до і до ' - константи рівняння, які не залежать від довжини хвилі; п - показник ступеня, який називають показником дисперсності.

Залежно від розміру часток дисперсної фази величина показника ступеня (показника дисперсності) в рівнянні Геллера, як і в законі Релея, може змінюватися від 1 до 4.

У логарифмічною формі рівняння (3.6) для оптичної щільності має вигляд прямої лінії:

Зведення рівняння до прямої становить суть лінеаризації, зручною для обробки експериментальних результатів. На графіку 1пГ) д = / (In Л) по куту нахилу прямої до осі абсцис знаходять величину

показника ступеня п (рис. 3.3).

Рівняння Геллера в спрямлених координатах

Мал. 3.3. Рівняння Геллера в спрямлених координатах

З рис. 3.3 видно, що

На графіку, який називається калібрувальної кривої Геллера і показує залежність величини п від розміру частки (рис. 3.4), за відомим значенням показника п знаходять розмір часток золю.

Використання стандартної програми Excel дозволяє швидко знаходити коефіцієнти рівняння , виконувати апроксимацію і згладжувати лінію тренда, оцінюючи величину достовірності результатів.

Характер залежності п від розміру часток г був визначений Геллер емпірично. Як і рівняння Релся, цей метод можна застосовувати тільки для «білих золів», тобто для нефарбованих дисперсних систем (метод базується тільки на Светорассеяніє).

Експериментально отримана крива Геллера показує взаємозв'язок показника ступеня при довжині хвилі з розміром частинок дисперсної фази, вона використовується як калібрувальна в тих випадках, коли дисперсна система за своїми фізико-хімічними властивостями і по мірі дисперсності близька до тих, для яких залежність отримана, тобто входить в поняття «білі золі». В інших випадках необхідно будувати власну калибровочную залежність.

Показник дисперсності п залежить від співвідношення між розміром частки d і довжиною хвилі падаючого світла Л , яке характеризує безрозмірний параметр Z: Залежність показника дисперсності від радіуса частинок

Мал. 3.4. Залежність показника дисперсності від радіуса частинок

Зі збільшенням Z значення п зменшується, прагнучи в межі до 2 для частинок, радіус яких більше довжини хвилі.

При малих значеннях Z рівняння Геллера переходить в рівняння Рслея (п -> 4). Значення п для Z від 2 до 8 наведені в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Показник ступеня дисперсності п в рівнянні Геллера в залежне! н від параметра Z

п

Z

п

Z

3,812

2,0

2,807

5,5

3,686

2,5

2,657

6,0

3,573

3,0

2,533

6,5

3,436

3,5

2,457

7,0

3,284

4.0

2,379

7,5

3,121

4,5

2,329

8,0

3,060

5,0

-

-

Ультрамікроскопія широко використовується для дослідження властивостей дисперсних систем, в дисперсійному аналізі.

При визначенні розміру колоїдних частинок за допомогою ультрамікроскопа через певні проміжки часу підраховують число частинок п у відомому обсязі V золю. Необхідно зауважити, що зазвичай роблять сотні підрахунків і беруть середнє число, використовуючи методи статистичної обробки результатів експериментів.

Підрахунок числа частинок п можна робити за візуальними спостереженнями (якщо їх розміри дозволяють це робити) або використовувати спеціальні пристрої (мікроскопи або прилади з більш сильним збільшенням).

Якщо т - маса частинок, видимих в обсязі системи V з концентрацією c f то маса однієї частинки буде дорівнює: . Об `єм

частинки Fq можна визначити, знаючи щільність речовини:

За умови, що частка має кулясту форму, її радіус г можна розрахувати з формули:

При кубічної форми частинок довжину ребра я, коли = а ^, можна розрахувати за формулою:

Розглянемо приклад використання ультрамікроскопічних методу дослідження дисперсної системи - гідрозолі золота.

Завдання. При дослідженні гідрозолі золота за допомогою ультрамікроскопа підраховано 5 частинок металу в обсязі V = 12-10 -19 У ^. Прийнявши форму частинок за кулясту, розрахувати їх середній радіус і питому поверхню, якщо концентрація золю з = 0,3 кг / м 3 . Щільність золота при температурі досвіду становить /? = 19 300 кг / м 3 .

Рішення. Обчислимо масу золота в досліджуваному обсязі: т = Су = 3,610 _ | 9 кг.

Маса однієї частинки

Обсяг такої частки м 3 , тоді її

радіус

Питома поверхня частинок становить

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >