ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ По

ЛЕКЦИЯ № 10 (ЭЛЕКТИВ)
ОПТИЧ ЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИД НЫ Х СИСТЕМ
По оптическим свойствам коллоидные системы отличаются от
истинных растворов и от грубодисперсных систем. Характерные
оптические свойства коллоидных систем ––опалесценция, эффект
Тиндаля и окраска. Эти явления обусловлены рассеянием и
поглощением света коллоидными частицами.
Р а с с е яние с ве та (о па л е с це нция)
Если луч света направлен на золь сбоку, то его путь
обнаруживается на темном фоне в виде светящегося конуса ––
конуса Тиндаля.
Эффект Тиндаля
Основа появления конуса Тиндаля –– рассеяние света
коллоидными частицами, связанное с размерами частиц и длиной
волны падающего света. Частицы более крупные, чем световые
волны (10–1 – 10–4 см), отражают их, эти системы мутные
(непрозрачные); очень мелкие частицы — молекулы и ионы (10–
8
см) пропускают свет, поэтому истинные растворы оптически
пустые (прозрачные).
Если размер частицы меньше длины полуволны падающего
света: a ≈ λ (такие размеры имеют коллоидные частицы), то
1
2
наблюдается дифракционное рассеяние света. Свет огибает
частицы и рассеивается в виде волн, расходящихся во все стороны.
В результате каждая частица является источником новых, менее
интенсивных волн, т. е. происходит как бы самосвечение каждой
частицы.
Это явление –– опалесценция, свойственно золям, проявляется
как свечение матового цвета, чаще голубоватых оттенков.
Теория рассеяния света коллоидными системами разработана
Рэлеем;
она
устанавливает
зависимость
интенсивности
рассеянного света при опалесценции от внешних и внутренних
факторов и выражается формулой Рэлея:
1
n12 - n02 2 ν υ 2
I p = I 0 24 π [ 2
]
n1 + 2 n02
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.
Т. о., интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна
интенсивности падающего света, частичной концентрации золя и
квадрату объема коллоидных частиц и обратно пропорциональна
четвертой степени длины волны падающего света. Рассеяние
коротких волн происходит более интенсивно. Поэтому бесцветные
золи в проходящем свете кажутся красноватыми, а в рассеянном —
голубоватыми.
9.2. У л ь т р а м и к р о с к о п и я
Частицы коллоидных дисперсных систем невидимы в
оптическом микроскопе, так как его разрешающая способность не
позволяет различать частицы с a < 100 нм, но их можно наблюдать
в ультрамикроскопе, в котором рассматриваются не частицы, а
рассеиваемый ими свет, что достигается боковым освещением
дисперсной системы.
При рассматривании в ультрамикроскопе золя видны
беспрерывно движущиеся, разного цвета частицы, из которых
наиболее мелкие выглядят как светящиеся точки. Интенсивность
рассеяния света зависит от концентрации частиц, от их размера и
формы.
1 — источник света; 2 — линзы; 3 — щелевая диафрагма; 4 —
кювета с исследуемым золем; 5 — объектив микроскопа
Схема ультрамикроскопа
2
Ультрамикроскопия позволяет косвенно судить о массе,
размерах и форме коллоидных частиц.
С помощью ультрамикроскопа можно определять форму
коллоидных частиц. Ровная освещенность поля зрения говорит о
том, что частицы имеют симметричную форму: шар, куб, октаэдр.
«Искрящееся» или «мерцающее» поле свидетельствуют, что
частицы имеют несимметричную форму —палочкообразную,
эллипсоидную или пластинчатую. При хаотическом движении эти
частицы неодинаково рассеивают свет в зависимости от того,
какой стороной они поворачиваются к свету.
Ультрамикроскоп применяют при исследовании вакцин,
сывороток и антигенов, для контроля чистоты воды и
инъекционных растворов.
Н е ф е л о м е три я
Нефелометрический
метод
основан
на
измерении
интенсивности рассеянного света. Он позволяет определить
концентрацию, размер и форму частиц золей, межчастичные
взаимодействия и другие свойства дисперсных систем. В основе
нефелометрии лежит уравнение Рэлея. Если необходимо
определить только размер частиц и их концентрацию, то
достаточно измерить интенсивность рассеяния света под одним
углом, и поэтому уравнение Рэлея можно представить 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, т. е. одинакового
объема, относятся как частичные концентрации определяемого
вещества. Если в сравниваемых золях одинаковы объемные
концентрации, то интенсивности относятся как объемы частиц или
кубы их диаметров:
3
при υ = const
I1/I2 = ν1/ν2,
при cυ = const
I1/I2 = υ1/υ2 = d13/d23
Т. о., имея стандартные золи, можно определить размер частиц
и концентрацию исследуемого золя.
Ту рб и д и м е тр и я
Турбидиметрия основана на измерении интенсивности света,
прошедшего через дисперсную систему. Интенсивность падающего
света ослабляется из-за его рассеяния системой. Тогда рассеянный
свет
можно
считать
фиктивно
поглощенным,
поэтому
закономерности рассеяния света коллоидными системами
принимаются аналогичными закономерностям поглощения света
молекулярными растворами и подчиняются закону Бугера––
Ламберта––Бера. По нему интенсивность прошедшего света
выражается следующим уравнением:
IП = I0 e –τl,
где IП и I0 — интенсивности прошедшего и падающего света
соответственно;
τ — коэффициент
пропорциональности,
характеризующий способность системы рассеивать свет, его
называют мутностью; 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 можно выразить
так:
K v υ2
τ=
λ4 ,
K v υ2
l
отсюда: D =
λ4
4
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 cυ = 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.
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 тро н н а я м и к ро с к о п и я
Разрешающая
способность
любого
микроскопа
(S)
определяется
наименьшим
расстоянием
между
двумя
несамосветящимися
точками,
которые
раздельно
может
воспринимать наш глаз. Она равна:
S = 0,5λ/A,
где λ –– длина световой волны; А — численная апертура
объектива, равная:
α
A = n sin
2,
где n — показатель преломления среды, находящейся между
предметом и объективом, α — угол между крайними лучами,
входящими в объектив.
Разрешающую способность (S), можно увеличить, уменьшая
длину световой волны, используя вместо световых лучей пучки
быстролетящих
электронов,
ускоренных
электрическим
напряжением в 40 − 100 кВ.
В электронном микроскопе используется двойственность
природы электрона — корпускулярная и волновая. Величина
5
длины волны, соответствующая летящему электрону, достигает
0,05 нм. Поэтому разрешающую способность электронного
микроскопа можно довести до S = 0,5 0,05 = 0,025 нм, когда средой
между предметом и объективом является воздух (А = 1).
Разрешение 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.
6
Приложение к лекции № 10
Величины, характеризующие оптические свойства дисперсных
систем
Символ и
формула
Закономерности и величины
Закон Рэлея
2
2
2
vυ 2
3 n1 - n0
2 νυ
I p = I 0 24π [ 2
]
= I0 K 4
n1 + 2n02 λ 4
λ
Закон Бугера—Ламберта—Бера
IП = I0e–klc
Интенсивность падающего света
Интенсивность рассеянного света
Интенсивность (сила) света
Длина волны света
Мутность
I0
Iр
I
λ
τ
Оптическая плотность
D=τ l1)
Показатель преломления
n
A = n sin
Численная апертура объектива
α
2
S = 0.5λ /Α
Разрешающая способность
Размерность
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).
7