Оптические свойства дисперсных систем

 

Дисперсные системы обладают свойством рассеивать свет. Для систем с непроводящими частицами сферической формы, радиус которых меньше длины волны падающего света при их небольшой концентрации для единицы объема выполняется уравнение Рэлея:

, (2.7.1)

где I_Р и I₀ – интенсивности рассеянного и падающего света соответственно;

N – численная (или частичная) концентрация (число частиц в единице объема);

V – объем частицы;

λ; – длина волны падающего света;

n₁ и n₀ – показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды соответственно.

Мутность системы – это характеристика, определяемая соотношением:

. (2.7.2)

Обратная величина называется светорассеянием.

Массовая концентрация может быть рассчитана как произведение частичной концентрации, объема частицы и ее плотности:

(2.7.3)

С учетом выражения (2.7.3) для данных условий измерения светорассеяния уравнение (2.7.1) принимает вид

, (2.7.4)

где k – константа для данных условий измерения.

Формулы (2.7.4) лежат в основе расчетов нефелометрического анализа.

Если объем частиц для двух систем, анализируемых в одинаковых условиях, одинаков, то

(2.7.5)

Если же сравниваются две системы с одинаковой концентраций, то можно определить размеры частиц:

(2.7.6)

Нефелометрия позволяет сравнивать мутности двух систем, концентрация или дисперсность одной из которых известна. Освещая кюветы с золями равномерно падающим светом и меняя высоту освещенной части золей h₁ и h₂, добиваются равенства интенсивности света, рассеянного обоими золями, тогда справедливы равенства:

; ; (2.7.7)

При прохождении света через коллоидно-дисперсную систему наблюдается также светопоглощение. При малых концентрациях и малой толщине слоя выполняется закон Бугера-Ламберта-Бера:

, (2.7.8)

где I_пр и I₀ – интенсивность прошедшего через раствор света и интенсивность падающего света соответственно;

ε – молярный коэффициент светопоглощения;

С – массовая концентрация раствора, г/л;

l – толщина слоя раствора.

Логарифмирование выражения (2.7.8) дает формулу для оптической плотности (экстинкции) D:

(2.7.9)

(2.7.10)

(2.7.11)

Справедливость закона Бугера-Ламберта-Бера подтверждается постоянством величины для данной системы при различных значениях интенсивности прошедшего света.

При решении графических задач этого раздела нужно учитывать то, что выражение (2.7.9) в координатах от С или от l дает график прямой. Поэтому по величине отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат, и по тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс можно определить соответствующие искомые величины: ln I₀; ε; C.

Для бесцветных разбавленных золей, в которых отсутствует поглощение света и вторичное светорассеяние, рассеянный системой свет можно рассматривать как фиктивно поглощенный. Тогда можно воспользоваться законом Бугера-Ламберта-Бера, придав его выражению следующий вид:

или , (2.7.12)

где t - мутность;

l – толщина слоя системы;

D – оптическая плотность.

Турбидиметрия базируется на измерении оптической плотности. При сравнении оптических плотностей стандартного и исследуемого золей в одинаковых условиях справедливы выражения:

при одинаковом размере частиц и одинаковой длине волны падающего света

(2.7.13)

где N – частичная концентрация;

при одинаковой концентрации

(2.7.14)

Таким образом, этот метод позволяет определить концентрации и размеры частиц.