26 Оптические свойства коллоидных систем
При действии светового луча на однородную прозрачную среду (чистые газы и жидкости, истинные растворы, аморфные и кристаллические тела) наблюдаются следующие явления: а) прохождение света б) отражение света в) преломление света В том случае, если световой луч падает перпендикулярно поверхности, то наблюдается явление прохождения света. Если световой луч падает на границу раздела двух сред с разными показателями преломления (n) под каким-либо углом, то происходит изменение угла распространения луча света и наблюдаются отражение света (распространение луча в обратном направлении под углом к поверхности раздела, равном углу падения) и преломление света (распространение светового луча в первоначальном направлении, но под некоторым другим углом). Явление частичного отражения света часто проявляется и при перпендикулярном падении светового луча, наряду с эффектом прохождения. Коллоидные системы — это неоднородные микрогетерогенные системы с частицами дисперсной фазы, имеющими различные размеры. Это приводит к оптической неоднородности коллоидных систем — отсутствию какого-либо постоянного значения показателя преломления. Можно считать, что коллоидные системы состоят из множества сред с различными показателями преломления. Оптическая неоднородность коллоидных систем приводит к изменению их оптических свойств по сравнению с однородными средами. Поэтому при действии светового луча на коллоидную систему таких явлений, как преломление и отражение света в чистом виде (продолжение распространения светового луча под определенными углами) не наблюдается. Так, прохождение света всегда сопровождается его поглощением дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую (явление абсорбции света). А отражение и преломление света при действии светового луча на коллоидную систему выражается в эффекте светорассеяния — распространении отраженных и преломленных лучей не под какими-либо определенными углами по отношению к поверхности, а по всем направлениям (явление рассеяния света). Изучение оптических свойств коллоидных систем дает много сведений о коллоидных частицах в растворе и способствует более глубокому пониманию свойств коллоидных систем. Так, оптические измерения позволяют определять величину, форму и концентрацию коллоидных частиц (даже таких, которые не поддаются обычному микроскопическому исследованию). При помощи оптических методов удалось проверить и доказать справедливость основных молекулярно-кинетических представлений, используемых для описания коллоидных растворов, а также связанных с ними таких явлений, как седиментация, коагуляция, броуновское движение, диффузия и др. Сведения об оптических свойствах коллоидных систем имеют и важное практическое значение, поскольку такие весьма распространенные в природе явления, как туманы, дымы, наличие тончайших взвесей твердых частиц в речной и морской воде и т.д., имеют коллоидную природу и обладают всеми присущими коллоидным системам оптическими свойствами, знание которых необходимо для таких важных областей, как астрофизика, метеорология, навигация и др.
26.1 Рассеяние света
Рассеянием света коллоидными растворами первым занимался Тиндаль (1868). Он обнаружил, что при боковом освещении пучком сходящихся лучей кюветы с коллоидным раствором на темном фоне в зоне прохождения световых лучей наблюдается свечение с синеватым оттенком (так называемый конус Тиндаля). Впоследствие это свечение было названо опалесценцией, а сам эффект — эффектом Тиндаля. Эффект Тиндаля наблюдается для
многих коллоидных систем. Так, мутность дымов и туманов, например, обусловлена рассеянием света. Рассеянием солнечного света атмосферой или морской водой, которые тоже являются коллоидными системами, объясняется голубой цвет неба и морской воды. Рассеянный свет распространяется во всех направлениях, включая и направление, образующее с падающим лучом угол 180 о . Интенсивность рассеянного света в разных направлениях различна и зависит, в основном, от размера коллоидных частиц, на которые попадает световой луч. Если частицы весьма малы по сравнению с длиной волны, то больше всего света рассеивается под углами 0 и 180 о к лучу, падающему на частицу. Если частицы сравнительно велики (но все же меньше длины световой волны), то максимальное количество света рассеивается в направлении падающего луча. Теоретически эффект Тиндаля был обоснован Рэлеем. Он сумел вывести уравнение, связывающее интенсивность рассеиваемого света Jp с интенсивностью падающего света J o для случая сферических частиц, не поглощающих света и не проводящих электрического тока, и имеющих намного меньшие размеры по сравнению с длиной падающей волны в разбавленных растворах: I p = k I o v 2 C (26.1) где I o — интенсивность падающего света, I p — интенсивность рассеянного света, v — объем частицы, C – объемная концентрация вещества дисперсной фазы. Уравнение Рэлея применимо для частиц, размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения Рэлея можно сделать следующие выводы: 1. Для частиц данного размера интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации золя. 2. Интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема частицы или для сферических частиц шестой степени радиуса. В рэлеевской области уменьшение размера частиц при сохранении весовой концентрации золя ведет к соответствующему уменьшению светорассеяния. При увеличении частиц до размера, значительно. превышающего длину световой волны, светорассеяние переходит в отражение света и по мере увеличения частиц интенсивность рассеянного света уменьшается. 3. При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску. Поскольку величина J обратно пропорциональна длине волны рассеиваются главным образом синеватые (короткие) волны. Наоборот, в проходящем свете эти коллоидные системы окрашены в красноватый цвет, так как при прохождении через коллоидный раствор из спектра в результате рассеяния выбывают лучи синего цвета. При освещении системы монохроматическим светом описанного явления, естественно, не наблюдается, так как при этом рассеянный свет может содержать только такую же волну, что и падающий. Следует заметить, что преимущественное рассеяние света с малой длиной волны объясняет цвет неба в различное время дня, также цвет морской воды. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу. 4. Опалесценция золей (особенно, металлических) интенсивнее, чем растворов высокомолекулярных соединений из-за большей плотности, а следовательно, большего показателя преломления дисперсной фазы первых систем. 5. Опалесценция истинных растворов весьма незначительна. Однако светорассеяние в этих случаях может наблюдаться при применении лучей с малой длиной волны, например рентгеновских лучей (длина волны рентгеновских лучей равна 0,04—0,6 нм).
26.2 Абсорбция света
В 1760 году Ламберт, а еще ранее Бугер, изучая рассеяние света, установили следующую зависимость между интенсивностью прошедшего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел: I p = I o e –kl (26.2) где Jp — интенсивность прошедшего света, J o — интенсивность падающего света, k — коэффициент поглощения, l — толщина поглощающего слоя. Бер показал, что коэффициенты поглощения растворов с абсолютно бесцветными и прозрачными растворителями пропорциональны молярной концентрации растворенного вещества С. Вводя значение молярного коэффициента поглощения ε в уравнение Бугера — Ламберта, получаем закон, устанавливающий зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя и концентрации растворенного вещества (закон Бугера — Ламберта — Бера): I p = I o e –εlС (26.3) Для удобства расчетов часто это выражение логарифмируют и получают следующее соотношение: ln (I o /I p ) = εlC (26.4) Выражение ln (J o /J p ) обозначают буквой D и называют оптической плотностью раствора или экстинкцией, ε — молярный коэффициент поглощения вещества (или коэффициент экстинкции), С — концентрация вещества. l — толщина слоя, через который проходит световой луч. Отношение J p /J o называют светопропусканием раствора или относительной прозрачностью раствора. Иногда закон Бугера — Ламберта — Бера выражают в следующей форме: (I o — I p )/I o = 1 — e -εlC , (26.5) где левую часть выражения [(I o — I p )/I o ] принято называть относительным поглощением раствора. Молярный коэффициент поглощения ε является постоянной, характерной для данного вещества, величиной. Его легко определить, если взять единичные значения концентрации и толщины слоя (С = 1, l = 1). В этом случае по закону Бугера — Ламберта — Бера ε равен логарифму отношения интенсивности падающего света к интенсивности проходящего света ε = ln(I o /I p ) (26.6) Молярный коэффициент поглощения не зависит от длины волны абсорбируемого света, температуры, природы растворенного вещества и растворителя и, как правило, от концентрации раствора. Закон Бугера — Ламберта — Бера был выведен для гомогенных систем, но впоследствии удалось установить, что он вполне применим и для коллоидных растворов высокой дисперсности. Необходимыми условиями применимости этого закона к коллоидным системам являются следующие: а) не слишком большая толщина слоя дисперсионной среды; б) не очень высокая концентрация дисперсной фазы.
Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем
При падении луча света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления: 1) прохождение света через систему; 2) Преломление света частицами дисперсной фазы; 3) отражение света частицами дисперсной фазы 4) рассеяние света (опалесценция) 5) абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую. Прохождение света характерно для прозрачных систем молекулярной или ионной степени дисперсности. Преломление и отражение света всегда наблюдаются у микрогетерогенных систем и находят свое выражение в мутности относительно грубых суспензий и эмульсий и дымов, наблюдаемой как в проходящем (прямом), так и отраженном (боковом) свете. Для коллоидных систем наиболее характерны рассеяние (дифракция) и абсорбция света.
Рассеяние света
Светорассеяние наблюдается когда длина световой волны больше размера частиц дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света. Следует отличать светорассеяние частицами не проводящими и проводящими электрический ток. Рассмотрим первый случай. Рассеянный свет распространяется во всех направлениях. Интенсивность рассеянного света в разных направлениях различна. Кроме того рассеянный свет обычно поляризован. Для сферических частиц, не проводящих электрического тока, малых по сравнению с длиной волны падающего света и отстоящих круг от друга на достаточно большом расстоянии (разбавленная система), Рэлей вывел следующее уравнение, связывающее интенсивность падающего света I 0 с интенсивностью света, рассеянного единицей объема системы I p : C –численная концентрация (число частиц в 1 см 3 коллоидной системы), v – объем одной частицы. Уравнение Рэлея применимо для частиц, размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения Рэлея можно сделать следующие выводы: 1. для частиц данного размера интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации золя. 2. Интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема частицы или для сферически частиц шестой степени и радиуса. В рэлеевской области уменьшение размера частиц при сохранении весовой концентрации золя ведет к соответствующему уменьшению светорассеяния. При увеличении частиц до размера, значительно. превышающего длину световой волны, светорассеяние переходит в отражение света и по мере увеличения частиц интенсивность рассеянного света уменьшается. 3. При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску. Поскольку величина I обратно пропорциональна длине волны рассеиваются главным образом синеватые (короткие) волны. Наоборот, в проходящем свете эти коллоидные системы окрашены в красноватый цвет, так как при прохождении через коллоидный раствор из спектра в результате рассеяния выбывают лучи синего цвета. При освещении системы монохроматическим светом описанного явления, естественно, не наблюдается, так как при этом рассеянный свет может содержать только такую же волну, что и падающий. Следует заметить, что преимущественное рассеяние света с малой длиной волны объясняет цвет неба в различное время дня, также цвет морской воды. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу. 4. Опалесценция золей (особенно, металлических) интенсивнее, чем растворов высокомолекулярных соединений из-за большей плотности, а следовательно, большего показателя преломления дисперсной фазы первых систем.
5. Опалесценция истинных растворов весьма незначительна. Однако светорассеяние в этих случаях может наблюдаться при применении лучей с малой длиной волны, например рентгеновских лучей (длина волны рентгеновских лучей равна 0,04—0,6 нм). В частице, проводящей электричество, электромагнитное воле световой волны индуцирует электродвижущую силу. Следствием этого является преобразование электрической энергии в тепловую. В таких условиях короткие электромагнитные волны (от 100 до 1000 нм) практически полностью поглощаются. Эксперимент показал, что при освещении проводящих электрический ток частиц интенсивность опалесценции с уменьшением длины волны света не возрастет, а проходит через максимум, характерный для каждого металла. Кроме того, максимум сдвигается в сторону длинных (красных) волн при уменьшении степени дисперсности и в сторону коротких синих волн при ее увеличении.
Абсорбция света
В 1760 г. Ламберт, а еще ранее Бугер, изучая рассеяние света, установили следующую зависимость между интенсивностью прошедшего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел. Согласно закону Бугера — Ламберта, если толщина слоя среды растет в арифметической прогрессии, то интенсивность прошедшего света уменьшается в геометрической. Иначе говоря, поглощение во всех слоях, на которые мысленно можно разделить данную среду, происходит таким образом, что каждый последующий слой поглощает ту же долю проходящего света, что и предыдущий. Бэр показал, что коэффициент поглощения растворов с абсолютно бесцветным и прозрачным растворителем пропорционален молярной концентрации с растворенного вещества. Вводя значение молярного коэффициента поглощения ε в уравнение Бугера — Ламберта, получим закон Бугера — Ламберта – Бера. Степень этого уравнения называют оптической плотностью раствора или экстинкцией. Выражение I п /I 0 называют светопропусканием раствора или относительной прозрачностью раствора. Молярный коэффициент поглощения, являющийся постоянной, характерной для данного вещества величиной, можно легко определить, если с = 1 и l= 1. Если ε = 0, раствор не абсорбирует света, то интенсивность прошедшего света будет равна интенсивности падающего. Молярный коэффициент поглощения ε зависит от длины волны абсорбируемого света, температуры и природы растворенного вещества и растворителя и, как правило, не зависит от концентрации раствора. Однако возможны исключения, когда ε изменяется при разбавлении раствора. Это объясняется изменением химических свойств системы — происходит гидролиз, образование гидратов или ассоциация. Закон Бугера — Ламберта — Бэра, выведенный для гомогенных систем, неоднократно пытались применить к коллоидным растворам. Опыт показал, что для золей высокой дисперсности он вполне приложим, если только слой жидкости не слишком толст, а концентрация раствора не очень большая. Размер частиц дисперсной фазы не входит в уравнение Бугера — Ламберта — Бэра, и поэтому на первый взгляд кажется что дисперсность золя не должна влиять на его способность абсорбировать свет. Однако влияние размера коллоидных частиц на абсорбцию света сказывается косвенно — через светорассеяние. Дело в том, что в рёзультате светорассеяния проходящий белый свет теряет часть, излучения (главным образом коротковолнового), что и воспринимается наблюдателем как абсорбция. В отличие от истинной абсорбции света, когда световая энергия абсорбируется системой и превращается в тепловую, такая абсорбция, вызванная светорассеянием, называется фиктивной. При фиктивной абсорбции золь будет иметь в проходящем свете оранжевую окраску а в рассеянном — голубоватую. В обоих случаях окраска, конечно, не является собственно окраской вещества золя, а обусловлена рассеянием света. Исследование зависимости фиктивной абсорбции от дисперсности золя показало, что с увеличением размера частиц общее поглощение сначала растет, а затем, достигнув максимума, начинает падать Металлические золи в отношении абсорбции света, так же как и в отношении светорассеяния, обнаруживают аномальное поведение по сравнению с остальными коллоидными растворами. Как и светорассеяние, абсорбция металлическими золями достигает максимума при определенных значениях длины волны и радиуса частиц
Окраска коллоидных систем
Очень часто коллоидные системы окрашены. Окраска драгоценных или полудрагоценных камней обусловлена присутствием в них ничтожных количеств тяжелых металлов и их окислов в состоянии коллоидной степени раздробления. Например, в естественных рубинах такими примесями являются соединения железа, в изумрудах — соединения хрома. Так называемое рубиновое стекло, изготовлявшееся еще М. В. Ломоносовым, представляет собою стекло с весьма малой примесью коллоидного золота (0,0001 %). Очень часто встречаются и окрашенные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Особенно яркой окраской обладают золи металлов. Это объясняется большой разностью плотностей, а следовательно, и показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Вообще следует сказать, что интенсивность окраски золей может быть весьма высокой и значительно превышать интенсивность окраски молекулярных растворов. Например, при одинаковом содержании дисперсной фазы интенсивность окраски золя золота превосходит интенсивность окраски раствора фуксина в 400 раз. Интенсивная окраска коллоидных растворов позволяет определять ничтожные количества коллоидно раздробленного вещества. Так, желтая окраска коллоидного раствора сульфида мышьяка, которую визуально можно обнаружить при толщине слоя золя в 1 см, отвечает содержанию 1 ч. As 2 S 3 в 8.*10 5 ч. воды, а красный цвет золя золота заметен в таких условиях при содержании 1 ч. Au даже в 1*10 8 ч. воды. Это обстоятельство широко используется в аналитической химии. На окраску коллоидных систем влияют не только природа дисперсной фазы и дисперсионной среды, но и дисперсность частиц, их форма и строение, так как эти факторы влияют на рассеяние и абсорбцию света. Кроме того, окраска коллоидных систем может зависеть от способа приготовления золя и от условий его наблюдения (в проходящем и отраженном свете). Бесцветные (белые) неметаллические золи, не проявляющие избирательной абсорбции света, в проходящем свете обычно обнаруживают оранжевую окраску, а в отраженном свете — опалесцируют голубоватым светом. Это явление, как мы уже знаем, объясняется светорассеянием и полностью соответствует закону Рэлея. Однако существует много золей с неметаллическими частицами, обладающих специфической окраской, которая зависит от избирательной абсорбции световых лучей их частицами. Сюда, например, следует отнести золь берлинской лазури, окрашенный в интенсивно синий цвет, красный золь сульфида сурьмы и т. д. Однако по мере понижения степени дисперсности, например при коагуляция, интенсивность окраски воля снижается из-за быстрого возрастания светорассеяния. Следует, впрочем, отметить, что заметные изменения в цвете воля при коагуляции наступают лишь при тесном сближении частиц. Наиболее сложен вопрос об окраске золей, содержащих металлические частицы. Цвет металлических золей, с одной стороны, обусловливается истинной адсорбцией света металлическими частицами, в результате которой часть световой энергии переходит в тепло, с другой стороны, на цвет металлических волей влияет и светорассеяние. Благодаря тому, что абсорбция и светорассеяние с увеличением размера частиц и длины волны света проходят через максимум, золи одного и того же металла могут иметь разнообразную окраску. Так, грубодисперсные золи золота, обладающие сравнительно малым истинным поглощением, сдвинутым в красную область спектра, и сильно рассеивающие свет с максимумом в той же красной части спектра, обычно имеют голубой цвет (в проходящем свете) и опалесцируют красным цветом (в рассеянном свете) Высокодисперсные золи золота, наоборот, обычно окрашены в красный цвет и опалесцируют голубым цветом. Это объясняется их способностью сильно абсорбировать свет с резким максимумом в желто-зеленой части спектра. Интересно, что при еще большей степени дисперсности золи золота приобретают желтый цвет.
Форма частиц и двойное лучепреломление в потоке (Оптическая анизотропия)
На оптические свойства дисперсных систем существенное влияние оказывает форма частиц. Ранее указывалось, что при рассмотрении дисперсных систем в ультрамикроскоп анизометрия частиц проявляется в их мерцании в лучах падающего на них света. Совершенно иной характер принимает это явление, если каким-либо способом заставить все частицы ориентироваться одинаковым образом. В этом случае появляется возможность определения формы частиц с помощью метода двойного лучепреломления. Двойное
лучепреломление впервые было обнаружено в кристаллах. Оно обусловлено анизотропией структуры и, в частности, зависимостью диэлектрической проницаемости или показателя преломления от направления в кристалле. Явление двойного лучепреломления заключается том, что при прохождении через кристалл световой луч разбивается на два, один из которых (обыкновенный) удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, а другой луч, называемый необыкновенным, проходит в кристалле под другим углом. Из кристалла выходят уже два луча, имеющих направления, параллельные первоначальному. Например, при рассматривании точки через кристалл исландского шпата, на котором впервые было обнаружено явление двойного лучепреломления (1670), наблюдается ее раздваивание. Кроме того, обыкновенный и необыкновенный лучи поляризуются во взаимно перпендикулярных направлениях. Причиной ориентации частиц в дисперсных системах могут быть электрическое, магнитное или акустическое поля, а также течение дисперсных систем. Наибольшее распространение в исследованиях дисперсных систем получило явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла). Это явление наблюдается в жидкостях, растворах и дисперсных системах, содержащих анизометрические или способные деформироваться молекулы и частицы. Если система находится в покое, то она, как правило, изотропна, поскольку в ней расположены хаотически. Дезориентации частиц способствует броуновское движение, под действием которого частицы не только движутся поступательно, но и непрерывно меняют направление полуосей. При течении системы частица движется со скоростью движения слоя жидкости в котором она находится и, кроме того, вращается вокруг своего центра тяжести вследствие того, что она расположена в слоях жидкости, обладающих различными скоростями. Чем полнее гидродинамическая ориентация преодолевает юние броуновского движения, тем более резко проявляется ориентация частиц в одном направлении и тем ближе это направление к наплавлению течения. Эти зависимости позволяют наблюдать изменение степени анизотропности системы и определять анизометрию частиц. Двойное лучепреломление в потоке может возникать вследствие разных причин. Одной из них может быть оптическая анизотропия частиц дисперсной фазы. В этом случае частицы представляют собой маленькие кристаллики. Двойное лучепреломление может проявляться и в системах с изотропными анизометрическими частицами. В таких системах оно зависит от разности между показателями преломления растворителя и вещества дисперсной фазы. Для растворов полимеров характерно так называемое эластическое двойное лучепреломление. Оно заключается в том, что сферическая форма макромолекул, которую они имеют в спокойном растворе, деформируется при его течении в вытянутые эллипсоиды вращения. Сферические клубки макромолекул в спокойном растворе изотропны, так как их звенья расположены совершенно беспорядочно. Вытянутые конфигурации обнаруживают анизотропию, так как для них характерна частичная ориентация звеньев макромолекул я направлении растяжения. Основными параметрами двойного лучепреломления, по значениям которых можно определять форму частиц, являются показатель преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n ά и n γ , а также угол между направлением колебаний одного из лучей и направлением течения дисперсной системы (рис. 42) — угол гашения, который характеризует ориентацию частиц. Рисунок 42 – Схема определения углов двойного лучепреломления Для гомогенных жидкостей величина двойного лучепреломления, выражаемая разностью n ά — n γ , обычно пропорциональна градиенту скорости, а угол χ равен 45 0 и не зависит от градиента скорости. В дисперсных системах двойное лучепреломление может расти с увеличением градиента скорости медленнее или быстрее, чем согласно линейной зависимости. Угол гашений х равен 45 0 для малых градиентов скоростей и уменьшается с увеличением скорости течения, притом тем сильнее, чем длиннее частицы (лучше ориентируются вдоль течения).
2.2.3. Рассеяние и поглощение света
Специфическим свойством коллоидных растворов является их способность рассеивать свет. Это обусловлено гетерогенностью коллоидных систем и размерами коллоидных частиц.
Рассеяние света в какой-либо степени свойственно любой среде. Но наиболее интенсивное светорассеяние происходит в условиях, когда луч света проходит через дисперсную систему, частицы которой имеют размеры меньше длины волны падающего света и удалены друг от друга на расстояния, значительно превосходящие длину волны. Сущность процесса светорассеяния состоит в том, что световой луч, встречая на своем пути частицу, как бы огибает ее и несколько изменяет свое направление.
В коллоидных растворах светорассеяние проявляется в виде опалесценции – матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении золя на темном фоне. Причиной опалесценции является рассеяние света вследствие его дифракции в микронеоднородной среде коллоидного раствора.
Благодаря светорассеянию коллоидные растворы легко отличить от молекулярных и ионных растворов при помощи эффекта Тиндаля – образования светящегося конуса (рис. 7) при боковом освещении коллоидного раствора. Эффект Тиндаля наблюдается только в разбавленных золях, в густых концентрированных золях этот эффект не наблюдается.
Рис. 7. Эффект Тиндаля
Согласно закону Рэлея интенсивность рассеянного света I зависит от интенсивности I0 и длины волны λ падающего света, объема частицы V и их концентрации с:
где K – константа, зависящая от соотношения коэффициентов преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы.
Из этого выражения следует, что чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние. На способности золей рассеивать свет основаны такие методы анализа, как нефелометрия и ультрамикроскопия, которые используют для определения концентрации частиц и их размеров в гетерогенных биологических средах.
Закон Рэлея можно выразить и другим уравнением:
Интенсивность Iп света, прошедшего через какую-то однородную среду – жидкость или раствор, всегда меньше интенсивности падающего света I0. это объясняется явлением поглощения (абсорбции) света средой. Каждая среда в зависимости от своих физических и химических свойств избирательно поглощает определенную часть спектра падающего света. Установлено, что высокодисперсные золи также поглощают часть проходящего света и для них, как и для молекулярных растворов, справедлив закон Бугера – Ламберта – Бера. Однако в дисперсных системах возможны отклонения от этого закона, так как интенсивность проходящего света уменьшается не только в результате его поглощения, но и за счет рассеяния света частицами дисперсной фазы. Вследствие этого для окрашенных коллоидов в уравнение Бугера – Ламберта – Бера кроме коэффициента светопоглощения ελ вводят коэффициент светорассеяния А:
Максимум поглощения может зависеть от дисперсности, а именно: чем меньше размер частиц золя, тем сильнее поглощаются более короткие волны. Поэтому золи одного и того же вещества, например, золота, имеют разную окраску при различной дисперсности: высокодисперсный золь золота поглощает синюю часть спектра и пропускает красную, поэтому окрашен в красный цвет; с увеличением размеров частиц золи золота начинают поглощать красную часть спектра и приобретают синюю окраску в проходящем свете. Белые золи не поглощают света. Окраска многих минералов, цветных стекол, драгоценных камней и самоцветов, содержащих включения из высокодисперсных металлов, также связана с явлениями избирательного поглощения и рассеяния света. Так, рубин представляет собой золь Cr и Au в Al2O3.
Оптические свойства дисперсных систем
При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:
— преломление света частицами дисперсной фазы;
— поглощение света (абсорбция) дисперсной фазой.
Преобладающий характер наблюдаемых явлений зависит от размеров частиц дисперсной фазы и их соотношения с длиной волны падающего света.
Ограничимся рассмотрением видимой области спектра, длина световой волны которого колеблется от 400 нм (фиолетовый свет) до 700 – 750 нм (красный свет).
Прохождение света характерно для прозрачных систем (истинных растворов, чистых жидкостей). Размер частиц таких систем намного меньше длины волны падающего света, поэтому частицы не создают препятствий для прохождения лучей видимого света.
Преломление и отражение света характерно для систем, содержащих частицы дисперсной фазы, размер которых намного превышает длину волны падающего света. Это средне- и грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии. Проходящие через грубодисперсную систему световые лучи не могут обойти частицу, вследствие чего они беспорядочно преломляются и отражаются на границе раздела частиц и дисперсионной среды. Это обусловливает мутность таких систем, видимую невооруженным глазом.
Рассеяние света во всех направлениях наблюдается для систем, в которых размер частиц дисперсной фазы меньше, но соизмерим с длиной волны падающего света. Такое соотношение выполняется для коллоидных систем (золей), размер частиц дисперсной фазы которых составляет 10 -9 – 10 -7 м. Поэтому рассеяние света – типичное оптическое явление в коллоидных растворах.
Поглощение света характерно для окрашенных коллоидных растворов (золей).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: