Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем связаны с хаоти­ческим тепловым движением частиц, в частности с броуновским движением.

Броуновское движение представляет собой беспорядочное перемещение мо­лекул дисперсионной среды и взвешенных в ней частиц дисперсной фазы.

Рис. 12. Траектория частицы, совершающей броуновское движение

Интенсивность броуновского движения тем больше, чем меньше скомпенсированы удары молекул дисперсионной среды о поверхность частиц. По мере увеличения размера частиц компенсация усиливается и для частиц крупнее 5 мкм броуновское движение прекращается. Диаметр коллоидных частиц гораздо ниже указанного предела, поэтому им присуще броуновское движение.

Рассеяние света.В грубодисперсных системах размер частиц много больше длины волны света (область ви­димого света охватывает длины волн от 0,76 до 0,40 мкм), при этом свет поглощается или просто от­ражается во всех направлениях от поверхности таких частиц, выполняющих роль множества маленьких зеркал.

В высокодисперсных системах (коллоидных растворах) размеры дисперсных частиц соизмеримы с длинами волн видимого света. Поэтому имеет место также явление дифракции, когда электромагнитная волна огибает частички дисперсной фазы и проходит через коллоидный раствор. Распространяющийся в таких системах свет отчасти поглощается, отчасти рассеивается и отчасти проходит через систему. При этом интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому коротковолновое (синее) излучение рассеивается гораздо сильнее, чем длинноволновое (красное).

Рассеивание света может наблюдаться при боковом освещении дисперсной системы в виде переливчатого, как правило, голубоватого свечения. По названию минерала опала (opalus – лат.) это явление называется опалесценцией. Однако если посмотреть на опалесцирующий минерал на просвет, то он покажется красным. Причина – белый свет состоит из лучей разного цвета, синие лучи преимущественно рассеиваются и воспринимаются как опалесценция, а красные проходят через минерал.

В 1868 г. английский физик Джон Тиндаль (1820 - 1893) обнаружил, что при прохождении через коллоидный раствор луча света внутри раствора наблюдается яркий равномерно светящийся конус – конус Тиндаля. При прохождении луча света через молекулярные или ионные растворы это явление не наблюдается. Явление получило название - эффект Тиндаля.

Рис. 13. Наблюдение конуса Тиндаля

Эффект Тиндаля может наблюдаться и в природе, когда в атмосфере или в помещении видны солнечные лучи, распространяющиеся в тумане или запыленной атмосфере. Благодаря эффекту Тиндаля легко удается отличить коллоидный раствор от истинного.

Явление светорассеяния лежит в основе метода изучения коллоидных ра­створов при помощи ультрамикроскопа. Если наблюдать коллоидный раствор в обычный микроскоп сверху, то на темном фоне частицы видны как блестящие светлые точки, хотя диаметр частиц может быть намного меньше разрешающей силы самого совершенного оптического микроскопа. Подобный метод позволяет уверенно определять концентрацию коллоидных частиц, но не позволяет судить об их форме и истинных геометрических размерах.

Поглощение света.Для многих коллоидных систем поглощение света носит избирательный характер. Например, золь золота со сферическими частицами радиусом 20 нм в стекле имеет максимум поглощения для зеленых лучей (длина волны 530 нм), поэтому цвет такого стекла рубиновый.

Строение коллоидных частиц

В 1808 г. работавший в России немецкий химик Фердинанд Рейсс, исследуя электролиз воды, поставил два опыта. В одном из них он использовал U-образную стеклянную трубку, которая была в нижней части перегорожена пористой мембраной из кварцевого песка и заполнена водой. Под действием приложенного напряжения наблюдалось пе­ремещение жидкости в сторону одного из электродов до установления, в конечном итоге, определенной разности уровней в коленах трубки. Оказалось, что мембрана играет особую роль: стоит ее убрать и перемещение жид­кости прекращается. Движение жидкости в пористых телах (через капиллярные системы) под действием электрического поля получило название электроосмоса.

Рис.13. Наблюдение электроосмоса

В другом опыте Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки и заполнил их водой. Под действием приложенной разности потенциалов наблюдалось перемещение частиц глины в сторону одного из электродов. Перенос частиц дисперсной фазы в электрическом поле называют электрофорезом.

Рис. 14. Наблюдение электрофореза

Электроосмос и электрофорез получили название электрокинетических явлений.

Электроосмос возможен потому, что жидкость, проходя через капилляр, каким-то образом заряжается. Перемещение частиц дисперсной фазы при электрофорезе в свою очередь указывает на их заряд, противоположный по знаку заряду жидкости.