Оптические и электрические свойства коллоидных растворов

Коллоидные системы, так же как и истинные растворы, поглощают, отражают и преломляют свет. Их отличительной особенностью является способность рассеивать свет (явление опалесценции). Опалесценция становится особенно заметной, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. В этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).
Рассеивание света наблюдается только тогда, когда длина световой волны (λ) больше размера частицы дисперсной фазы. Если λ меньше диаметра частиц, наблюдается отражение света.
Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность опалесценции с размером частиц и концентрацией частиц в системе: уравнение Рэлея
где I₀ – интенсивность падающего света, I_p – интенсивность опалесценции, I_p/I₀ – мутность системы, k –константа, с –концентрация (кг/м³), r – радиус частицы (м), λ –длина волны падающего света (м).
Уравнение выведено при следующих допущениях:
1) частицы имеют сферическую форму и не проводят электрический ток;
2) размер частиц не должен быть более 1/10 от λ (40-50 мкм); при увеличении размера частиц показатель степени λ уменьшается; при очень больших размерах показатель степени превращается в нуль и светорассеивание переходит в отражение света;
3) большое расстояние между частицами (разбавленная система). При больших концентрациях возникает многократное рассеивание и прямая зависимость между I_p/I₀ и концентрацией нарушается. Выводы из уравнения Рэлея: 1. При уменьшении размера частиц опалесценция резко уменьшается (в 3-ей степени), поэтому при облучении истинных растворов опалесценция не наблюдается. Однако она будет наблюдаться, если для облучения будут использованы излучения с малой длиной волны (например, рентгеновское).

2. Для частиц данного размера мутность I_p/I₀ прямо пропорциональна концентрации частиц коллоидной системы. Это позволяет определять концентрацию по мутности раствора. 3. При облучении бесцветных коллоидных систем белым светом рассеиваются главным образом короткие волны (синие), т.к. I_p обратно пропорционально λ⁴. Поэтому при боковом освещении бесцветные коллоидные системы имеют синеватую окраску, а в проходящем свете – красноватую (дополнительный к синему цвет).
4. Коэффициент k в уравнении Рэлея зависит от соотношения величин показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если они одинаковы, то k ≈ 0, светорассеивания нет. Электрические: 1.Электрофорез
1808 г Ф.Ф.Рейс установил, что при наложении разности электрического потенциала на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, воткнутые в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела за счет появления там частиц глины. Это указывало на то, что частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу. Перенос частиц в электрическом поле получил название электрофореза. Процесс протекает с постоянной скоростью, зависящей от величины разности потенциалов и характеристик среды: , где U - линейная скорость движения границы золь-жидкость, м/с; ε – диэлектрическая проницаемость среды, ф/м; ε₀ – электрическая константа (8,85 × 10^-12 ф/м); Н – градиент внешнего поля, В/м; η- вязкость среды, Н × с/м²; ξ – дзета-потенциал. 2. Эффект Дорна (потенциал седиментации): Дорн в 1878 г. обнаружил, что при оседании каких-либо частиц в жидкости, например песка в воде, возникает электродвижущая сила между двумя электродами, введенными в разные места столба жидкости, в которой оседают частицы. Это явление, противоположное электрофорезу, получило название эффект Дорна (потенциал седиментации). 3. Электроосмос: Ф.Ф. Рейс открыл также явление электроосмоса, заключающееся в том, что если тонкий порошок кварца поместить в среднюю часть U-образной трубки так, чтобы он образовал род пористой диафрагмы, заполнить трубку водой и приложить электрический ток к электродам, помещенным в оба колена трубки, то уровень воды в колене с отрицательным электродом будет повышаться до тех пор, пока разность уровней в обоих коленах не достигнет определенной величины. Процесс идет с постоянной скоростью, которую можно рассчитать по следующей формуле:
где υ – объемная скорость, м³/с;

I – сила тока, А;
χ – удельная электропроводность, Ом^-1 м^-1;
ξ – дзета-потенциал.

4. Потенциал течения.
Если под действием давления заставить проводящую жидкость двигаться через пористое тело, то возникает разность потенциалов, называемая потенциалом течения (Е). Это явление противоположно электроосмосу.
где р – давление, приводящее жидкость в движение, Н/м².
Легко показать, что скорость электроосмоса и потенциал течения зависят от одних и тех же величин:

Описанные четыре явления, в которых происходит передвижение частиц или жидкости при наложении разности потенциалов или, наоборот, возникает разность потенциалов при движении частиц или жидкости, получили названиеэлектрокинетических явлений. Причиной всех этих явлений является наличие заряда на поверхности коллоидных частиц.