Коллоидных растворов

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.

Наиболее часто для исследования коллоидных растворов применяются:

• ультрамикроскопия;

• электронная микроскопия;

• нефелометрия;

• турбидиметрия.

Остановимся на принципах, которые лежат в основе этих методов.

УЛЬТРАМИКРОСКОПИЯ

Разрешающая способность микроскопа, т. е. наименьшее расстояние, при котором две точки еще можно видеть раздельно, составляет около половины длины световой волны. Таким образом, при использовании обычного света (длина волны 400 – 700 нм) даже в наилучший микроскоп видимы частицы, размеры которых не менее 2 * 10^-5 см, т. е. коллоидные частицы лежат за пределами видимости в обычном микроскопе.

В 1903 г. Зидентопф и Зигмонди сконструировали прибор иного типа – ультрамикроскоп, основанный на наблюдении светорассеяния в обычном оптическом микроскопе. При этом сплошная опалесценция, видимая невооруженным глазом, разрешается в отблески отдельных частиц. Каждый отблеск – это свечение светового пучка волн, рассеянных одной частицей под разными углами, оно значительно больше, чем проекция самой частицы и доступно для микроскопической регистрации. Прямая регистрация не позволяет судить о размерах и форме частицы, так как мы наблюдаем не сами частицы, а их отблески, но эти параметры могут быть определены косвенно.

Для этого выделяют определенный объем V₃, подсчитывают число содержащихся в нем частиц, и находят частичную концентрацию . Если известна массовая концентрация золя с и плотность золя , то по формуле (7.2) можно найти средний объем частицы V:

Если частицы имеют сферическую форму, можно рассчитать средний радиус частицы:

(7.6)

Если предположить, что частица имеет форму куба с размером ребра l, тогда

(7.7)

С помощью ультрамикроскопа Зигмонди могут быть обнаружены частицы размером до 2 * 10^-8 см.

Наблюдая коллоидную систему в ультрамикроскоп, можно не только определить средний размер частиц, но и получить некоторое представление об их форме.

Чтобы получить удовлетворительные результаты методом ультрамикроскопии, исследователям приходилось выполнять сотни и тысячи определений.

В настоящее время созданы приборы, довольно сложные по конструкции, автоматически выполняющие практически все операции. Б. В. Дерягин и Г. Я. Власенко сконструировали поточный ультрамикроскоп. Золь протекает через специальную кювету, проходя определению зону, каждая частица золя дает вспышку, которая регистрируется счетчиком. По различной яркости вспышек частицы можно разделить на фракции и построить кривые распределения.

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В последние годы для наблюдения размеров и формы коллоидных частиц чаще всего пользуются электронным микроскопом, в котором вместо световых лучей применяются пучки электронов с длиной волны всего 0, 02 – 0, 05 А. Это резко увеличивает разрешающую способность микроскопа и дает возможность непосредственно видеть или фотографировать коллоидные частицы. Разрешающее расстояние с помощью электронного микроскопа может быть доведено до 5 – 10 А.

Применение электронного микроскопа затруднено необходимостью тщательного высушивания образцов, так как внутри электронного микроскопа поддерживается высокий вакуум, необходимый для прохождения электронного пучка; кроме того, вследствие сильного поглощения электронов изучаемые образцы должны быть весьма тонкими (1 – 10 мк). При выпаривании капли раствора свойства системы могут существенно измениться, в результате чего наблюдаемые параметры могут сильно отличаться от параметров частиц в коллоидном растворе.

НЕФЕЛОМЕТРИЯ

Нефелометрия основана на способности коллоидных систем рассеивать свет. Определяя светорассеяние данной системы, можно определять размер частиц или концентрацию дисперсной фазы, изучать различные процессы, происходящие в растворе. В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея (7.3), которое можно представить в виде:

, (7.8)

Зная концентрацию золя и измерив абсолютные значения интенсивностей падающего и рассеянного света, можно вычислить средний объем частицы. Но абсолютные значения I и I_о определить сложно. Поэтому большое распространение получили относительные методы нефелометрии. Опалесценцию исследуемого раствора I с помощью нефелометра сравнивают с опалесценцией стандартного раствора I_ст той же концентрации, объем частиц в котором известен. Тогда:

; (7.9)

где V₁ – объем частиц в исследуемом растворе, V₂ – объем частиц в стандартном растворе.

Нетрудно видеть, что нефелометр можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы в системе. Если стандартный и исследуемый растворы содержат частицы одной и той же природы и одного и того же размера, то:

(7.10)

где с₁ – концентрация исследуемого золя, с₂ – концентрация стандартного раствора.

Разумеется, определение объема частиц или концентрации коллоидного раствора должно производиться при определенной длине волны.

ТУРБИДИМЕТРИЯ

Турбидиметрия – метод исследования, основанный на измерении ослабления проходящего через коллоидную систему света в результате светорассеяния. Измерения производят с помощью обычных колориметров или спектрофотометров, позволяющих определять мутность.

Если интенсивность пучка света уменьшается от I₀ для падающего света до I прошедшего света, то мутность определяется уравнением:

(7.11)

где l – расстояние, пройденное светом в оптически неоднородной среде.

Между мутностью т коллоидного раствора и интенсивностью рэлеевского рассеяния света под углом 90° существует соотношение:

(7.12)

Из уравнений (7.11) и (7.12) следует, что чем больше рассеяние, тем выше мутность и тем меньше интенсивность прошедшего через раствор света.

Метод турбидиметрии подробно изучается в курсе аналитической химии.