Даниловская Л. П. / Лекция 22. Оптические свойства

Лекция 22 КХ21.

Тема лекции: «ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ»

Содержание темы: «Взаимодействие света с веществом. Рассеяние света и эффект Тиндаля. Окраска золей. Применение оптических методов для исследования дисперсных систем».

Коллоидные растворы, при рассматривании их и на глаз, и в лупу, и в обычный микроскоп кажутся совершенно однородными, невидимыми (оптически пустыми). Это объясняется тем, что взаимодействие света с веществом зависит от соотношения длины волны света и диаметра частиц. Мы можем оптически различить лишь частицу, сравнимую по размерам с длиной волны падающего света. Если диаметр частиц меньше половины длины волны падающего света, то такие частицы невидимы, т.к. световые лучи не могут отражаться от них. Белый свет (дневной, солнечный) полихроматичен, длина волны меняется от 400 до 760 нанометров для фиолетового и красного, соответственно.

Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это имеет место в случае истинных растворов и большинства индивидуальных жидких веществ.

Преломление и отражение света наблюдаются для систем, в которых частицы дисперсной фазы значительно больше длины волны падающего света. Это неравенство выполняется для микрогетерогенных и грубодисперсных систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света. Именно такое соотношение выполняется для коллоидных растворов, в которых размеры частиц дисперсной фазы составляют 1100 нанометров.

Если рассматривать путь светового луча, проходящего через совершенно прозрачный коллоидный раствор, сбоку на темном фоне, то он становится видимым, образуется светящийся конус. Этот оптический эффект называется конусом Тиндаля. При сильном увеличении каждая частица в конусе Тиндаля кажется светящейся точкой. Размеры и форму частиц установить нельзя, однако можно подсчитать их число. Если таким же образом освещать истинный раствор или индивидуальную жидкость, то никакого свечения не наблюдается, так как эти системы являются оптически пустыми. В случае микрогетерогенных и грубодисперсных систем вместо равномерного свечения наблюдаются отдельные блестки, обусловленные отражением света от крупных частиц. Таким образом, одним из наиболее характерных оптических свойств золей, т. е. коллоидных растворов, является рассеяние света.

Согласно уравнению Рэлея, светорассеяние пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Следовательно, рассеяние коротких волн происходит более интенсивно. Так, фиолетовые и синие лучи рассеиваются приблизительно в 15 раз интенсивнее, чем оранжевые и красные, т.е. наиболее длинные волны. Именно поэтому для светомаскировки используют синий цвет, а сигнальные огни – красные. Этот эффект светорассеяния находит широкое практическое применение и объясняет некоторые природные явления.

Наряду со светорассеянием для многих коллоидных растворов характерно поглощение света определенной длины волны, чем объясняется окраска золей. Золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному цвету. Так, поглощая синюю часть спектра, золь оказывается желтым; при поглощении синевато-зеленой части он принимает красную окраску. Поглощение света происходит в соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера.

Золи, в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы, могут иметь различную окраску. У истинных растворов она одинаковая. Например, коллоидные растворы золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными.

Оптические методы исследования широко применяются для определения размеров, формы, структуры, а также концентрации коллоидных частиц. К ним относятся:

• ультрамикроскопия, основанная на наблюдении рассеяния света в обычном оптическом микроскопе;

• электронная микроскопия, связанная с использованием вместо световых лучей пучка быстрых электронов;

• нефелометрия  метод определения размеров коллоидных частиц или концентрации золя, основанный на измерении светорассеяния коллоидным раствором;

• турбидиметрия, измерение светорассеяния коллоидного раствора по ослаблению интенсивности света, прошедшего через раствор.

Эффект Тиндаля описан английским физиком Дж. Тиндалем в 1868 г. и заключается в том, что при освещении коллоидного раствора сбоку пучком света от сильного источника наблюдается яркий равномерно светящийся след (рис.1). В случае истинных растворов низкомолекулярных веществ жидкость кажется оптически пустой, т.е. след луча, проходящего через жидкость, невидим.

Рис. 1. Конус Тиндаля

При большой толщине освещаемой системы заметно, что световой след расходится (рис.1), поэтому эффект также называют конус Тиндаля.

Подобный эффект можно наблюдать в аэрозолях: солнечные лучи, расходящиеся конусом от облаков, от крон деревьев или от окна в затемненном помещении (рис.2). Наблюдение возможно только в том случае, если воздушная среда содержит частицы дыма, пыли, мельчайшие капли тумана. Грубодисперсные частицы выделяются в луче в виде отдельных блесток, находящихся в хаотическом движении.

Рис.2. Проявление эффекта Тиндаля в воздушной среде

Эффект Тиндаля проявляется только в том случае, если освещаемая система содержит частицы, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны. Это свойство используют для обнаружения частиц дисперсной фазы. Эффект Тиндаля — проявление рассеяния света в дисперсных системах и растворах ВМС.

Вопросы 1 – 6 для самоконтроля к лекции 22 КХ «ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ»

1. От каких параметров зависит взаимодействие света с веществом, т.е., когда мы можем увидеть частицу невооруженным глазом?

2. Для каких дисперсных систем наблюдается:

- прохождение света;

- преломление и отражение света;

- рассеяние света?

3. Какой оптический эффект называется конусом Тиндаля?

Поясните, как его можно наблюдать.

4. Чем объясняется окраска золей? Зависит ли она от размера частиц?

5. С какой целью применяют оптические методы исследования?

6. Даны два одинаково прозрачных раствора: №1 – истинный (р-р соли или сахара) и №2 – коллоидный (р-р белка или клея). В затемненном помещении можно поочередно направлять на колбы с этими растворами пучок света.

Как можно определить, какой из растворов является истинным?