Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Февраля 2013 в 10:57, реферат
В настоящее время оптические методы являются наиболее распространенными методами определения размера, формы и структуры коллоидных частиц. Это объясняется не только быстротой и удобством этих методов, но и точностью получаемых результатов. Грубые дисперсные системы (суспензии, эмульсии, пены, пыли) обычно исследуют с помощью светового микроскопа.
где c – объемная концентрация дисперсной фазы в системе.
Зная все величины, входящие в уравнение Рэлея, объемную концентрацию дисперсной фазы с и определив абсолютные значения интенсивности падающего и рассеянного света ( ), можно вычислить средний объем частицы.
Абсолютные значения интенсивности падающего и рассеянного света можно найти только с помощью сложных приборов (тиндальметров), и полученные результаты требуют введения ряда поправок. Кроме того, при определении абсолютных значений интенсивности света надо пользоваться для освещения монохроматическим светом. Поэтому гораздо большее распространение получили относительные методы нефелометрии, в которых эти трудности в значительной мере отсутствуют.
При относительных измерениях опалесценцию исследуемого раствора сравнивают с опалесценцией стандартного раствора, размер частиц которого известен, и, пользуясь полученными данными, вычисляют размер частиц в исследуемой системе. Непременным условием такого определения должна быть одинаковая объемная концентрация дисперсной фазы в обоих растворах.
Для проведения измерений таким способом применяют чрезвычайно простые приборы — нефелометры. Схема устройства простейшего из таких приборов — визуального нефелометра Клейнманна, показана на рис. 6.
Рис. 6 Схема нефелометра Клейнманна.
1 - источник света; 2, 3 - подвижные экраны; 4, 5 - цилиндр веские кюветы; 6, 7 - стеклянные цилиндрики; 8, 9 - призмы; 10—окуляр
Нефелометр имеет две совершенно одинаковые стеклянные цилиндрические кюветы 4 и 5, в первую из которых помещают стандартный раствор, а во вторую — испытуемый. Свет от источника 1 (лежащего за плоскостью рисунка) равномерно падает на обе кюветы Высоту освещенного столба жидкости в каждой кювете можно регулировать, поднимая и опуская специальные экраны 2 и 3. Свет, рассеянный растворами, попадает на сплошные стеклянные цилиндрики 6 и 7, погруженные на одну и ту же глубину в растворы (эти цилиндрики применяют для того, чтобы устранить отражение света менисками жидкостей). Из цилиндриков пучки рассеянного света с помощью специальных призм 8 и 9 направляются в окуляр 10, разделенный на две половины. Каждая из его половин освещается за счет света, поступающего из одной какой-нибудь кюветы.
При работе с нефелометром в кюветы наливают исследуемый и стандартный растворы и, поднимая или опуская экраны у кювет, добиваются одинаковой освещенности обеих половин окуляра. Очевидно, при таком условии интенсивность света, рассеянного исследуемым раствором , равна интенсивности света, рассеянного стандартным раствором . При этом должно соблюдаться и равенство:
так как интенсивность света, рассеянного каждой кюветой, пропорциональна высоте ее освещенной части h. Из уравнения (1) следует:
или
откуда
По уравнению (4), зная размер частиц, содержащихся в стандартном растворе, вычисляют размер частиц исследуемого золя. Конечно, следует помнить, что результаты таких вычислений однозначны только тогда, когда коллоидные системы монодисперсны. Кроме того, поскольку показатель степени при λ в уравнении Рэлея не зависит от размера частиц только для высокодисперсных золей, описанный способ можно применять для определения размеров сравнительно малых частиц.
Так как светорассеяние сильно
зависит от размера частиц, определение
изменения интенсивности
Наконец, нетрудно видеть, что нефелометр можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы в системе. При этом искомую концентрацию рассчитывают по формуле:
вывод которой аналогичен выводу формулы (4). Понятно, что стандартный и исследуемый растворы должны содержать частицы одной и той же природы и одного и того же размера.
Помимо визуальных нефелометров широко применяют фотоэлектрические нефелометры, в которых с помощью чувствительных микроамперметров определяют силы фототоков , возникающих в фотоэлементах под действием света, рассеянного стандартным и испытуемым растворами. При пользовании, фотоэлектрическими нефелометрами размер частиц и концентрацию дисперсной фазы в золе определяют по уравнениям:
и
Для определения концентрации или размеров частиц золей, слабо рассеивающих свет, иногда также можно использовать нефелометрические методы исследования. В этом случае следует перейти от видимой части спектра к ультрафиолетовым лучам.
Применяя соответствующий источник света, кварцевые линзы и прибор, регистрирующий ток фотоэлемента, можно получить данные для вычисления численной концентрации или размера частиц.
Для определения размера частиц можно воспользоваться не только способностью коллоидных систем рассеивать свет (нефелометрия), но и их способностью ослаблять интенсивность проходящего света в результате светорассеяния (турбидиметрия). В этом случае измерения ведут с помощью обычных колориметров, или спектрофотометров, позволяющих определять мутность. Метод турбидиметрии получил сейчас широкое распространение в коллоидной химии.
Наконец, размеры (а в некоторых случаях и форма) коллоидных частиц могут быть определены и по ряду других оптических характеристик коллоидного раствора.
Отметим, что все методы определения размера и формы коллоидных частиц, основанные на измерении рассеяния света, пригодны в основном только для бесцветных (белых) золей. Для окрашенных золей и в особенности для металлических золей эти методы без существенных коррективов применять нельзя.
Рентгенография и электронография. Оба эти метода, основанные на применении рентгеновских лучей или потока электронов. Отметим, что методом рентгенографии можно получить информацию о внутренней структуре коллоидных частиц. Вследствие малого-размера этих частиц при исследовании коллоидных систем с помощью рентгенографии получать диаграммы Лауэ затруднительно и приходится чаще всего ограничиваться получением и изучением диаграмм Дебая—Шеррера.
Путем исследования диаграмм Дебая — Шеррера удалось установить кристаллическую структуру частиц многих золей. Особенна хорошие результаты "были получены при исследовании золей тяжелых металлов и их соединений, так как способность рассеяния лучей тяжелыми атомами весьма велика, а дисперсионная среда здесь сравнительно мало мешает анализу. При этом было выяснено, что структура дисперсной фазы сильно зависит от метода приготовления и возраста золя.
Рентгенография имела огромное значение при исследовании высокомолекулярных веществ, в частности при изучении структуры природных и синтетических полимерных материалов, при выяснении природы явлений набухания и т. д. Анализ диаграмм Дебая — Шеррера позволяет во многих случаях установить период идентичности молекул полимеров и выяснить взаимное расположение их структурных элементов в пространстве, хотя все это требует чрезвычайно длительных и скрупулезных расчетов с применением счетных машин. Именно методами рентгеноструктурного анализа было установлено сложнейшее строение молекул таких веществ, как пенициллин, витамин В12, гемоглобин и многих высокомолекулярных веществ.
Модификацией
Методы электронографии вследствие малой проникающей способности электронного пучка позволяют детально исследовать только поверхность частиц дисперсной фазы коллоидных систем и макромолекул высокомолекулярных веществ. Электронография позволяет непосредственно определить расстояния между отдельными атомами, лежащими на поверхности, на основании чего можно найти другие параметры структуры вещества. Этот метод исследования особенно пригоден для изучения адсорбционных слоев.
Методы электронографии целесообразно сочетать с рентгенографическим анализом. При этом обычно удается получить достаточно сведений о внутренней структуре дисперсной фазы коллоидных систем и растворов высокомолекулярных веществ, а также об изменениях, наступающих в этой структуре в результате нагревания, деформации, набухания и тому подобных воздействий.