Лабораториялық жұмыс. Коллоидты системалардық оптикалық қасиеттері

Коллоидты системалардық оптикалық қасиеттері

Коллоидты ерітінділердің де оптикалық қасиеттері болады, бірақ олар нағыз ерітінділермен, ірі дисперсті системалардың оптикалық қасиеттерінен өзгеше. Коллоидты бөлшектер жарықты шашыратады және сініреді. Бұндай қасиеттерін коллоидты ерітінділерге тән опалесценция құбылысынан, Фарадей Тиндаль эффектісінен және коллойдты ерітінділердің, түсті болуынан көруге болады.

Нағыз ерітінділерде және таза сұйыктықтарда жарықтық шашырауы болмашы ғана, себебі ондағы еріген заттар молекулаға дейін немесе тіптен иондарға дейін белшектеніп жүреді. Олар көрінетін жарық сәулесінің еркін өтуіне кедергі жасамайды.

Ірі дисперсті системаларда бөлшектердің размері жарықтың толқын ұзындығынан едәуір үлкен болады. Сол себепті бұндай системаларда жарық сәулелері суспензия немесе эмульсия бөлшектерінен айналып өтe алмайды. Жарық сәулелері ірі, бөлшек пен сұйықтың жанасу бетіне ретсіз шағылысады және сынады. Осының нәтижесінде суспензия немесе эмульсия лайлы болып көрінеді.

Коллоидты ерітінді микрогетерогенді система. Онда бөлшектердің мөлшері 0,1 мкм аспайды, ал жарық сәулесінің толкын ұзындыктары 0,4—0,7 мкм аралығында болады. Сол себепті коллоидты жарықты шашырату ғана болады. Алғаш рет коллоидты жүйелердң жарықты шашырату құбылысын 1857 жылы Фарадей анықтаған. Кейіннен бұл құбылысты Тиндаль толық зерттеген. Жарық сәулесінің ерітіндіде де жарықтанып тұратын ізін Фарадей—Тиндаль конусы немесе-эффектісі деп атайды. Нағыз ерітінділерде немесе таза сұйықтықтарда бұл эффект байқалмайды. Сондықтан Фарадей—Тиндаль эффектісі коллоидты системаларды нағыз ерітінділерден ажырату үшін қолданылады.

Фарадей-Тиндаль эффектісі: 1-жарық көзі; 2-линза; 3-коллоидты ерітінді құйылған ыдыс

12-сурет.

Опалесценция құбылысы коллоидты бөлшектердің жарықты шашырату қасиетімен түсіндіріледі. Опалесценция өтетін (проходящий) және шағылысқан жарықта коллоидты ерітінділер түсінің құбылуы. Кейде ерітінді біршама лайлы болып көрінеді. Мысалы, хлорлы күмістің және күкірттің коллоидты ерітінділері бірде кызғылт сары түсті, екінші бір жағдайда аспан түстес көгілдір болып көрінеді. Қоллоидты ерітінділердің түсі еріген заттың түсіне де байланысты. Мысалы, As₂S₃ ашық сары түсті, ал оның-коллоидты ерітіндісі қызғылт сары түсті болады. Темір (III) гидроксиді қоңыр түсті, ал коллоидты ерітіндісі қою қызыл қоңыр түсті болады. Коллоидты ерітінділердің түсі дисперсті фазаның бөлшектерінің размеріне де байланысты. Мысалы, алтынның ірі дисперсті коллоидты ерітіндісінің түсі — көк, одан ұсақтау болса күлгін, ал өте ұсақ болса — ашық қызыл түсті болады.

Қоллоидты системалардың жарықты шашырату интенсивтігі тек қана жарық сәулесінің толқын ұзындығы мен коллоидты бөлшектің размеріне тәуелді емес, сонымен катар баска факторларға да тәуелді. Бұл факторлардың өзара байланысын Релей теңдеуімен көрсетуге болады:

І = 24 π (n²₁ – n²₂ / n²₁ + n²₂) · ν · υ² / λ⁴ (18)

мұндағы ν — бөлшектердің концентрациясы, υ — бөлшектің көлемі, λ —жарық толқынының ұзындығы, n₁ және n₂ дисперсті фаза мен дисперсионды ортаның сыну көрсеткіштері. I — шашыраған жарық интенсивтігі.

Бұл тендеуден жарықтың шашырау интенсивтігі бөлшек келемінің квадратына тура пропорционал екенін көруге болады. Сонымен қатар дисперсті фаза мен дисперсионды ортаның сыну көрсеткіштерінің айырымы неғұрлым үлкен болса, жарықты шашырату да соғұрлым күшті болады. Бұл теңдеудегі n₁ және n₂ берілген система үшін тұрақты шама болғандықтан Релей теңдеуін ықшамдап былай жазуға болады:

І = К · ν · υ² / λ⁴ (19)

мұндағы К — тұракты шама. К = (n²₁ – n²₂ / n²₁ – n²₂) · 24 π²

Коллоидты системалардың жарықты шашырату қасиетін негізге алып, нефелометрия әдісімен дисперсті фазаның концентрациясын және бөлшектердің размерін анықтауға болады. Жарықтың шашырауын нефелометрлерде немесе фотоэлектроколориметрлерде өлшейді, суретте көрсетілген. Олардың жұмыс істеу принциптері зерттелетін ерітіндінің шашыратқан жарық интенсивтігін стандарт ерітіндінің шашыратқан жарық интенсивтігімен

Нефелеметрдің оптикалық сызбасы: 1-жарық көзі; 2-жарық ағынын бөлетін пластинка; 3,8-линзалар; 4-конденсатор; 5-кювета; 6-камера; 7,10-объективтер; 9-жарық ажыратқыш; 11,12-призмалар; 13,15- жарық сүзгіштер; 14-окуляр

13-сурет.

салыстыруға негізделген. Өлшеу кезіндегі алынған мәліметтерді Релей теңдеуімен есептейді. Егер ерітінді көлеміндегі дисперсті фазаның салмақтық концентрациясы c = ν · v · d тең болса, Релей теңдеуін былай өрнектеп жазуға болады.

І = С · ν / λ⁴ · d (20)

Мұндағы d — дисперсті фазаның тығыздығы. Бұл тендеуді пайдаланып: 1) стандарт және зерттейтін коллоидты ерітінділердегі белшектердің көлемі бірдей болғанда, ерітіндінің салмақтық концентрациясын анықтауға болады; 2) зерттейтін бөлшектердің размерін аныктауға болады (стандарт ерітінді мен зерттейтін ерітінді концентрациялары бірдей болуы керек). Химиялық лабораторияларда ерітінділердің концентрациясын анықтау үшін арнаулы приборлар; нефелометр НФМ және ФЭКН—57 колданылады.