Презентация на тему Оптические свойства дисперсных систем

веществом. Физическая сущность рассеяния света, опалесценция. Рассеяние поляризованного и

неполяризованного света малыми и большими частицами. Уравнение Рэлея и его анализ. Оптические методы исследования дисперсных систем. Нефелометрия и турбидиметрия; фотон-корреляционная спектроскопия. Поглощение света дисперсными системами. Уравнение Бугера-Ламберта-Бера.
Оптическая плотность и мутность. Фиктивная абсорбция света в коллоидных системах.
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Броуновское движение, его причины и общенаучное значение. Диффузия. Первый и второй законы Фика. Связь между средне-квадратичным сдвигом частиц и коэффициентом диффузии. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского. Диффузионно-седиментационное равновесие. Гипсометрический закон. Седиментация в гравитационном поле. Седиментационное уравнение незаряженной частицы. Ультрацентрифуга. Кинетическая и термодинамическая седиментационная устойчивость.

М.Ю. Плетнёв, доктор хим. наук Кафедра коллоидной химии

следующие явления:
Поглощение (абсорбция) света
Преломление света
Отражение света
Рассеяние света (его зримым

результатом является опалесценция)

Абсорбция света веществом описывается известным уравнением Бугера-Ламберта-Бера:
I = –I0 exp(–ε·l)
где I – интенсивность прошедшего света, I0 — интенсивность падающего света,
l — толщина поглощающего слоя, ε – постоянная абсорбции, зависящая от природы вещества, длины световой волны и не зависящая от концентрации раствора.
При прохождении света через коллоидную систему поглощение света происходит и дисперсионной средой, и дисперсной фазой. Если дисперсионная среда для света данной длины волны прозрачна, то поглотитель – только раздробленное вещество, и закон ЛББ будет иметь вид:
I = –I0 exp(–Еlс)
с — концентрация вещества; Е – постоянная абсорбции, отнесенная к единичной концентрации.

света через кювету c гидрозолем в темном помещении наблюдается

светорассеяние в виде размытого светящегося луча (конуса Тиндаля).

В разбавленном неокрашенном коллоидном растворе (например, серебра), освещенном белым светом, рассеяние проявляется как слабое голубоватое свечение раствора (опалесценция).

Если такую систему наблюдать в поле зрения проточного ультрамикроскопа на темном неосвещенном фоне, то рассеяние от частиц заметно в виде светящихся точек.

Под ультрамикроскопом в очень разбавленном растворе можно сосчитать число светящихся частиц (точек) в слое известного объема и тем самым определить частичную концентрацию (аэро)золя.

систем, к которым применимо уравнение Рэлея, используются:
Турбидиметрия – измерение

мутности (по уменьшению интенсивности прошедшего света).
Нефелометрия – измерение интенсивности света I, рассеянного под тем или иным углом.
В обоих случаях расчет размера частиц по ур-нию Рэлея , как правило, не производится. Чаще оптические свойства исследуемой ДС сопоставляют со свойствами системы с известной концентрацией и размером частиц.
Интенсивность света, рассеянного некоторым объемом W коллоидного раствора, пропорциональна произведению (c·W), т. е. общему числу рассеивающих частиц. На этой закономерности основан метод нефелометрии. В приборе нефелометре имеются две кюветы переменного объема W1 и W2. В одну из них помещают раствор с известной концентрацией c в другую — с неизвестной концентрацией сх. Объемы в кюветах W1 или W2 подгоняются таким образом, чтобы выполнялось равенство:

броуновским в честь Р. Броуна, английского ботаника. Он первым

наблюдал непрерывное, хаотичное движение мелких частиц цветочной пыльцы (затем и спор грибов), взвешенных в воде, в поле оптического микроскопа.
Это движение происходит под действием ударов молекул дисперсионной среды, находящихся в состоянии теплового движения.

Демонстрация броуновского движения:
http://www.aip.org/history/einstein/brownian.htm

http://www.youtube.com/watch?v=iB7Eu7U73qg&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=s6EPQJfXpb4&feature=related

в тепловом движении и подчиняются тем же молекулярно-кинетическим законам,

которые действуют в отношении атомов и молекул. Это позволяет экспериментально определять размер, массу и концентрацию частиц дисперсной фазы. Особенность: в силу бóльшей массы, частицы золей движутся существенно медленнее молекул дисперсионной среды. Поэтому и диффузия в ультрамикрогетерогенных системах протекает существенно медленнее, чем в истинных растворах.
Диффузией называют самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа в результате теплового движения.
Процесс диффузии идет самопроизвольно, т.к. он сопровождается ростом энтропии системы. Равномерное распределение вещества в пределах системы отвечает ее наиболее равновесному состоянию.
Количественно скорость диффузии описывается первым законом Фика:
Id = D∙dn/dx.

Диффузионный поток Id – перенос вещества в направлении х – пропорционален градиенту концентрации. Коэффициент пропорциональности – коэффициент диффузии D (м2/с).

А. Эйнштейном было показано, что коэффициент диффузии связан с размерами частиц, участвующих в броуновском движении, уравнением:

– абсолютная температура; η – вязкость среды; r –

радиус взвешенных частиц; NA – постоянная Авогадро; t, τ – время.
Из уравнения Эйнштейна-Смолуховского следует, что величина Δ2 обратно пропорциональна радиусу частицы r . Это означает, что чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения. Смысл к-та диффузии:




С увеличением размера частиц прежде всего прекращается поступательное броуновское движение, а затем – вращательное.

Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

взвешенных в жидкости твердых частиц под действием силы тяжести.

На явлении седиментации основан седиментационный анализ — определение величины и относительного содержания частиц различных размеров по скорости оседания. Седиментация широко используется в технике при классификации порошков и для обогащения полезных ископаемых. По результатам опыта строят кривые седиментации и распределения частиц по размерам.

Методы седиментации и ультрацентрифугирования применяются для изучения полидисперсности коллоидных систем, обусловленной существованием в коллоидных системах частиц различных размеров.

природы, а определяется размером частиц, разностью плотностей частиц и

среды Δρ = ρ – ρ0 и вязкостью среды η. Скорость оседания сферических частиц с радиусом r описывается уравнением Стокса:

Измерив скорость оседания частиц v, можно вычислить радиус частиц. На этом основан седиментационный анализ размеров грубодисперсных частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях и т.п. Размер (радиус) частиц вычисляют по формуле:

частицы находятся под влиянием двух противоположно направленных процессов:
Осаждением под

действием силы тяжести (седиментации)
Диффузионного переноса
Т.е., диффузионно-седиментационное равновесие – игра теплового движения и седиментации. На высоте h концентрация частиц nh радиусом r описывается гипсометрическим законом (барометрическая формула) Лапласа:

При h = 0 концентрация частиц - n0. Уравнения являются математической формулировкой гипсометрического закона Лапласа. Для количественной характеристики кинетической устойчивости часто принимают высоту h1/2, на которой концентрация частиц изменится ровно в два раза, т.е. n1/2= n0/2.
В случае эмульсий М/В – не оседание, а всплытие частиц.