№ 4 дәріс Тақырыбы «Коллоидты жүйелердің оптикалық қасиеттері»

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 40Следующая ⇒

№ 4 дә ріс Тақ ырыбы «Коллоидты жү йелердің оптикалық қ асиеттері»

Мақ саты: Коллоидты жү йелердің оптикалық қ асиеттерімен танысу.

Жоспар

1. Жарық тың шашырауы.

2. Жарық тың жұ тылуы.

3. Жарық тың шашырау қ ұ былысына негізделген дисперстік жү йелерді зерттеудің оптикалық ә дістері.

Тақ ырыптың қ ысқ аша мазмұ ны:

Коллоидтык жү йелердің оптикалык қ асиеттері олардың гетерогендігі мен дисперстігі арқ ылы анық талады. Фазааралық бө лу бетіне тү скен жарық сә улесінің бағ ыты ө згереді немесе жұ тылады. Дисперстік жү йелерге жарық сә улесі тү скенде мынадай қ ұ былыстар байқ алуы мү мкін.

1) жарық жү йеден ө теді;

2) жарық дисперстік фазаның бө лшектерінде сынады;

3) жарық дисперстік фазаның бө лшектерінде шағ ылады;

4) жарық шашырайды;

5)жарық дисперстік фазаның бө лшектерінде жұ тылып, жарық энергиясы жылу энергиясына айналады.

Жарық мө лдір шын ертінділерден ө теді. Микрогетерогенді жү йелерде жарық тың сынуы мен шағ ылуы байқ алады. Коллоидтық жү йелерде жарық тың шашырауы мен жұ тылу кұ былысы байқ алады. Енді дисперстік жү йелердегі жарық тың шашырауы мен адсорбциясын (жұ тылуын) қ арастырайық.

Жарық тың шашырауы (опалесценция). Коллоидтық ертінділердегі жарық тың шашырау қ ұ былысын алғ аш болып анық тағ андар Фарадей (1857 ж. ) мен Тиндаль (1869 ж. ). Жарық тың шашырау қ ұ былысы тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ы (λ ) дисперстік бө лшектің ө лшемінен анағ ұ рлым ү лкен болғ анда ғ ана байқ алады. Жарық тын толқ ын ұ зындығ ы (λ ) дисперстік бө лшектің ө лшемінен кіші (λ < d) болғ ан жағ дайда жарық тың шағ ылысуы байқ алады. Жарық тың шағ ылысуы нә тижесінде суспензия немесе эмульсия тұ нарып тұ рады.

Жарық тың дисперстік жү йелерден шашырауын қ арастырғ анда жарық тың электр тоғ ын ө ткізетін дисперстік бө лшектерде шашырауы жә не электр тоғ ын ө ткізбейтін бө лшектерде шашырауы деп eкіге бө ліп қ арастырғ ан жө н. Біз электр тоғ ын ө ткізбейтін коллоидтық бө лшектерден жарық тың шашырауын қ арастырамыз.

Жарық сә улесі дисперстік жү йеге тү скенде ол барлық бағ ытта шашырайды. Алайда бө лшек маң айындағ ы шашырағ ан жарық тын қ арқ ындылығ ы барлық бағ ытта бірдей емес. Егер бө лшектің ө лшемі (d) тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ынан (λ ) анағ ұ рлым кіші болса. яғ ни d«λ онда жарық тың оның тү скен бағ ытымен салыстырғ андағ ы 0° жә не 180° бағ ыттарда шашырауының қ арқ ындылығ ы ең жоғ ары болады. Бө лшектің ө лшемі тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ынан аздап кіші болғ ан жағ дайда (λ < A, ) шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы 180° бағ ытта ең жоғ ары болады.

Сонымен бipгe шашырағ ан жарық поляризациялануы мү мкін. Оның поляризациялануы барлық бағ ытта бірдей емес: 0° жә не 180° бағ ытта шашырағ ан жарық толығ ымен поляризацияланбағ ан деуге болады. Ал 90° жә не 270° бағ ытта шашырағ ан жарық толығ ымен поляризацияланады.

Жарық тың шар тә різді бө лшектен шашырауын Ми диаграммасы арқ ылы ө рнектеген ың ғ айлы. Ол ү шін шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ын радиус векторымен белгілейді. Радиус вектор бө лшектің центрін белгілейтін нү ктеден шығ ады. Вектордың ұ зындығ ы шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ын сипаттайды. Сонда кішкентай бө лшектердегі жарық тың шашырауы Ми диаграммасы бойынша былай кө рсетіледі (1-сурет).

1-сурет. Жарық шашырауының Ми диаграммасы (d «λ болғ анда)

Сыртқ ы қ исық шашыраудың жалпы қ арқ ындылығ ын сипаттайды. Ішкіқ исық поляризацияланбағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ын сипаттайды. Ми диаграммасынан 90° бағ ыттағ ы шашырағ ан жарық тың толығ ымен поляризацияланғ анын, ал 0° жә не 180 бағ ыттарда шашырағ ан жарық тың толығ ымен поляризацияланбағ анын байқ аймыз. 1-суретте кө рсетілген Ми диаграммасы кішкене дисперстік бө лшектер (d«λ. ) ү шін байқ алады. Ал ү лкенірек дисперстік бө лшектер (d< λ ) ү шін Ми диаграммасы баскаша тү рде байқ алады (2-сурет).

2-сурет. Ү лкен бө лшектерден жарық шашырауының Ми диаграммасы (d< λ болғ анда)

Бұ л диаграммадан кө рініп тұ рғ аны - шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы 180° бағ ытта максимал екендігі жә не оның поляризацияланғ ан бө лігінің максималды мә ні 90°-қ а сә йкес келмейтіндігі.

Электр тоғ ын ө ткізбейтін, ө лшемі тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ынан ө те кіші (d«λ ) жә не сұ йық ертіндідегі коллоидтық бө лшектерден шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ын Релей заң ымен сипаттауғ а болады:

(1)

Мұ ндағ ы J₀ жә не. J_Ш - тү скен жә не шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы, n₁ мен n₀- дисперстік фаза мен дисперстік ортаның сыну кө рсеткіштері; - бө лшектердің сандық концентрациясы; υ - дисперстік фаза бө лшектерінің ө лшемі, λ - тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ы.

Жалпы Рэлей заң ын мына шарт d ~ 0, 1λ орындалғ анда қ олдануғ а болады.

Бө лшектің ө лшемі артқ ан сайын шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы толқ ын ұ зындығ ының тө ртінші дә режесіне кepi пропорционал (J_ш ≠ f(1/λ ⁴)) болмайды. одан аз дә режесіне байланысты болады.

Геллер полистирол латексінің монодисперстік ерiтіндіciн зерттей отырып, жарық тың толқ ын ұ зындығ ының (λ ) дә реже кө рсеткшінің (n) бө лшектің ө лшеміне (d) байланысын тапты. Рэлей тендеуінен мынадай қ орытындылар жасауғ а болады.

1. Шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы золь концентрациясына (v) тура пропорционал.

2. Шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы бө лшектің кө леміне (υ ) тура пропорционал. Алайда Ј_ш=ƒ /(υ ²) байланысы бө лшектің белгілі 6ip ө лшеміне дейін орындалады да, бө лшектің диаметрі d> λ шамасына жеткенде жарық тың шашырауы оның шағ ылысуымен алмасады.

3. Шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы толқ ын ұ зындығ ының тө рт дә режесіне (λ ⁴) кepi пропорционал.

4. Дисперстік фаза мен дисперстік ортаның сыну кө рсеткшінің айырымы (n₁ -n₀) ү лкен болғ ан сайын шашырағ ан жарық қ арқ ындылығ ының Ј_ш мә ніде жоғ ары болады. Сондық тан металл зольдерінде шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы металл емес заттардың зольдерінде шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ынан басым болады. керісінше, глицериннің хлороформдағ ы (CCI4) эмульсиясы мө лдір, жарық ты шашыратпайды. Ө йткені n_{глицерин}≈ n_{холороформ}. Шын ерітінділерде опалесценция қ ұ былысы байқ алмайды. Ceбeбi epiген заттың молекуласының кө лемі кішкентай.

Опалесценция қ ұ былысы сырт кө збен қ арағ анда флуоресценция қ ұ былысына ұ қ сас. Флуоресценция қ ұ былысы кейінде де жарық жолағ ы (конус) байқ алады. Бірақ флуоресценция қ ұ былысының опалесценциядан мынадай ерекшеліктері бар: а) флуоресценция кезіндегі ө ткен жарық сә улесінің тү скен жарық сә улесінен толқ ын ұ зындығ ы бойынша айырмашылығ ы болады. Ал опалесценция қ ұ былысы барысында тү скен жарық тың толқ ын ұ зындығ ы ө згермейді. Ол тек қ ана шашырайды. Флуоресценция ішкі молекулалық қ ұ былысқ а жатады; б) Опалесценция қ ұ былысы толқ ын ұ зындығ ы ә р тү рлі кез-келген жарық тү скенде де байқ алса, ал флуоресценция қ ұ былысы толқ ын ұ зындығ ы белгілі бip мә нге тең жарық тү скенде ғ ана байқ алады.

Жарық тың жұ тылуы (абсорбциясы). 1760 ж. Ламберт пен Бугер жарық тың шашырауын зерттей отырып, ерітіндідегі ө ткен жарық тың қ арқ ындылығ ы (Jө ) мен оғ ан тү скен жарық тың қ арқ ындылығ ы (J₀) арасындагы мынадай байлансты тапты:

(2)

Мұ ндағ ы – ерітіндінің қ алың дығ ы; - жұ тылу коэффициенті. Бэр жұ тылу коэффициенті ерітіндінің мольдіқ концентрациясына (с) тура пропорционал екендігін анық тады:

мұ ндағ ы ɛ - мольдік жұ тылу коэффициенті.

Сонда Ламберт-Бугер-Бэр тендеуі былай жазылады:

(4)

Демек, ерітіндіден ө ткен жарық тың қ арқ ындылығ ы оғ ан тү скен жарық тың қ арқ ындылығ ына тура пропорционал да, ерітіндінің молъдік концентрациясы мен қ алың дығ ына кepi пропорционал. Тендеуді логарифмдесек, келесі тең деулерді аламыз:

; (5)

Мұ ндағ ы: D - оптикалық тығ ыздық немесе экстинкция; жарық ө ткізгіштік деп аталады.

Монохроматты жарық пен жұ мыс істегенде оптикалық тығ ыздық қ андай толқ ын ұ зындығ ында ө лшенетіндігін кө рсетіп жазу керек (D_λ)

Ламберт-Бугер-Бэр тең деуін былай тү рлендіруге болады:

(6)

Соң ғ ы тең деудегі (Jo-J)/Jo шамасын салыстырмалы жұ тылу деп атайды.

Енді мольдік жұ тылу коэффициентінің ( ) физикалық мә нін анық тайық: с=1 моль/л жә не - болғ анда (6)-тең деуден:

Демек, мольдік жұ тылу коэффициенті деп концентрациясы с=1 моль/см³-ке, ал калың дығ ы l=1см-ге тең epiтіндінің оптикалық тығ ыздығ ын айтады. ɛ =0 болғ анда

J_ө = Jo (7)

Мольдік жұ тылу коэффициенті (ɛ ) жарық тың толқ ын ұ зындығ ына (λ ), температурағ а (Т) жә не epіген зат пен ерітіндінің табиғ атына байланысты, ал ерітіндінің концентрациясына байланысты емес.

Бугер-Ламберт-Бэр заң ы гомогенді (біртекті) жү йелерге арналып корытылып шығ арылғ ан. Алайда оны жоғ ары дисперстік коллоидтык жү йелерге де қ олдануғ а болады.

Жарық тың шашырау қ ұ былысына негізделген дисперстік жү йелерді зерттеудің оптикалық ә дістері. Дисперстік жү йелерді зерттеуде оптикалық ә дістердің маң ызы зор. Оның ceбeбi бұ л ә дістер ө те ың ғ айлы жә не тез ө лшеуге мү мкіндік береді.

Жоғ ары дисперстік коллоидтық жү йелерді зерттеу ү шін жарық тың шашырау қ ұ былысына негізделген мынадай оптикалық ә дістер қ олданылады: 1) ультрамикроскопия; 2) нефелометрия жә не 3) турбидиметрия.

Ультрамикроскопия

Сур. 1. Саң ылаулық ультрамикроскоп схемасы.

Сур. 2. Конденсор кү ң гірт ө рісінде жарық бағ ытының схемасы.

Бұ л ә дісті 1903 ж. Зидентопф пен Зигмонди ұ сынғ ан. Кә дімгі микроскоп арқ ылы ө лшемі d> 0, 2 мкм бө лшектерді ғ ана кө руге болады. Демек, коллоидтық бө лшектерді кә дімгі микроскоп арқ ылы кө ре алмаймыз. Ультрамикроскоп арқ ылы коллоидтық бө лшектерді кө руге, есептеуге жә не олардың қ озғ алысын анық тауғ а болады. Ультрамикроскоптың жұ мыс icтey принципі мынадай: коллоидтық ерітіндіге бү йірінен жарық тү сіреді де, кә дімгі микроскоп арқ ылы шашырағ ан жарық ты қ арайды. Ультрамикроскопта фон кү ң гірт болады да, бө лшектер жарқ ылдап тұ рады. Ультрамикроскопты қ олдану ү шін мына шарттар орындалуы қ ажет:

1) Золь сұ йық болуы тиіс. Егер ерітінді концентрлі болса, онда бө лшектер бipбipiнe жабысады да, бақ ылау қ иындай тү седі.

2) Коллоидтық бө лшектер тіпті кішкентай да немесе тіпті ү лкен де болмауы керек;

3) Дисперстік фазаның сыну кө рсеткіші (n₁) ортаның сыну кө рсеткішінен (n₀) артық болуы шарт.

Ультрамикроскоп арқ ылы коллоидтық ерітінді бө лшектерінің сандық концентрациясын да анық тауғ а болады. Ол ү шін микроскоп арқ ылы ерітіндінің белгілі бip кө леміндегі бө лшектердің санын анық тайды.

Ультрамикроскоп арқ ылы бө лшектің пішіні туралы да мә лімет алуғ а болады. Егерде бө лшектен шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы ө згеріп тұ рса, онда бө лшек анизодиаметрлік (бұ рыс) пішінде болғ аны. Ал бө лшектен шашырағ ан жарық тың қ арқ ындылығ ы тұ рақ ты болса, онда ол изодиаметрлік (шар тә різді) пішінде болғ аны.

Ультрамикроскоп арқ ылы коллоидтық бө лшектердің ө лшемiн анық тауғ а болады. Ол ү шін алдымен бө лшектің сандық концентрациясын (v), сонан соң оның кө лемін ( ) анық тайды:

(1)

Сонан соң ерітіндінің массалық концентрациясын біле отырып, бө лшектің радиусын есептедік

(2)

Ультрамикроскопия ә дісінің кемшіліктері:

1) Есептелген бө лшек радиусы жуық шама;

2) Кө п уакытты қ ажет етеді. Бө лшек радиусының бip мә нін алу ушін 100-ге дейін есептеулер жү ргізу керек.

Орыс ғ алымдары Б. В. Дерягин мен Г. Я. Власенко ағ ынды ультрамикроскоп қ ұ растырды. Оның жұ мыс icтey принципі мынағ ан

Электрондық микроскопия ә дісі

Электрондық микроскопия ә дісінде жарық тың орнына электрондар ағ ынын қ олданады. Бұ ның ө зі прибордың сезімталдығ ын арттырады. Бұ л ә діс арқ ылы коллоидтық бө лшектерді кө руге жә не оның суретін тү cipyгe болады. Электрондык микроскопия ә дісімен коллоидтық бө лшектердің кө лемін жә не сандық концентрациясын анық тауғ а болады.

Сур. 3. Электронндық микроскоп схемасы.

1 –электронндық пушка; 2 – конденсорлық линза; 3 – зерттелетін объект; 4 – объектив линзсы; 5 – аралық кө рінісі; 6 – проекциялық линза; 7 –флуоресциріленетін экранда ақ ырғ ы кө рінісі; 8 – фотопластинка.

Нефелометрия

Сур. 4. Нефелометр схемасы. 1 – сурет бетінің артында орналасқ ан жарық кө зі; 2 и 3 – эталон жә не жұ мыс жү йесімен кюветалар.

Нефелометрия ә дісі коллоидтық бө лшектердің жарық ты шашырату қ асиетіне негізделген. Коллоидтық ерітінді арқ ылы ө ткен жарық тың шашырауын зерттей отырып, оның қ арқ ындылығ ын ө лшеу арқ ылы коллоидтық бө лшектердің сандық концентрациясын жә не кө лемін анық тауғ а болады. Ол ү шін стандартты жә не зерттелетін екі ерітінді алынады. Екеуіндегі коллоидтық бө лшектердің массалық концентрациялары бірдей жә не стандартты ерітінідідегі коллоидтық бө лшектердің ө лшемі белгілі болуы тиіс.

Стандарттық жә не зерттелетін екі ерітінділердегі коллоидтық бө лшектердің сандық концентрациялары ә ртү рлі болғ андық тан, олардан ө ткен жарық шашырауының қ арқ ындылығ ында айырмашылық тары болады:

(9)

Бұ дан: (10)

Енді екеуінің қ атынасын алатын болсақ с₁=c₂ болғ анда,

Олай болса υ ₁ мен Ј¹_ш - белгілі болса, онда J^”_ш -нi ө лшеп, υ ₂- нi есептеуге болады.

Нефелометрия ә дісі жоғ ары молекулалық қ осылыстардың молекулалық массаларын анық тау ү шін кең інен қ олданылады. Ол ү шін Рэлей тендеуін мына тү рде қ олданады:

J₀ = J₀ k·v·υ ²/λ ⁴ с = v·m_б= v·u·p vu=c/p. (11)

Мұ ндағ ы: m_б- бө лшектің массасы, олай болса,

(12)

Мұ ндағ ы: m_м- макромолекуланың массасы; с - оньщ ертіндісінің массалық концентрациясы.

Сонда

(13)

Мұ ндағ ы: М - макромолекуланың молекулалық массасы:

14)

Бұ л ә дістің кемшілігі: макромолекуланың ө зара ә рекеттесуінің нә тижесінде молекулалық массаның мә ні ө згеруі мү мкін. Бұ л кемшіліктен арылу ү шін Дебайдың абсолюттік ә дісін пайдаланады. Дебай полимер ертіндісіндегі осмос қ ысымын былай ө рнектейді:

(15)

Мұ ндағ ы: A₁= 1/ М бө лшектің еріткішпен ә рекеттесуін сипаттайтын коэффициент.

Тендеуді екінші парциальдық А₂ коэффициентке дейін ө рнектесек, мынадай тендеу аламыз:

Мұ ндағ ы - Дебай константасы. n мен n₀ ертінді мен еріткіштің сыну кө рсеткштері. Нс/т = f (с) тү зү інен 1/М мен А₂ - нi анық тайды (2-сурет). Бұ л ә діс абсолюттік ә діс болып саналады. ө йткені Дебай константасына белгілі мә ндер кіредi. Ерітіндінің сыну кө рсеткішін интерферометр арқ ылыө лшеуге болады.

1/М

Сур. 5. мен концентрация арасындағ ы байланыc

Турбидиметрия ә дісі

Турбидиметрия - ө ткен жарық тың қ арқ ындылығ ын ө лшеуге негізделген ә діс. Ламберт-Бугер-Бэр заң ына сә йкес:

Стандартты жә не зерттейтін ерітінділер ү шін:

Бө лшектердің кө лемдері ө зара тең болса u₁= u₂, онда

Сур. 6. Турбидиметр (фотоэлектроколориметр) схемасы.

1 – жарық кө зі; 2 – айналар; 3 – кюветалар; 4 – призмалар.

Демек, ерітінділердің оптикалық тығ ыздық тарын ө лшей отырып, белгісіз ерітіндінің сандық концентрациясын анық тауғ а болады.

Негізгі тү сініктер: опалесценция, Ми диаграммасы, Рэлей тең деуі, жарық абсорбциясы, Ламберт-Бугер-Бер тең деуі, жарық ө ткізгіштік, салыстырмалы жұ тылу, жұ тылу коэффициенті, ультрамикроскопия, нефелометрия, турбидиметрия.

Ө зін-ө зі бақ ылау сұ рақ тары:

1. Жарық тың шашырауы.

2. Жарық тың жұ тылуы.

3. Жарық тың шашырау қ ұ былысына негізделген дисперстік жү йелерді зерттеудің оптикалық ә дістері.

Қ олданылғ ан ә дебиеттер:

Мұ сабеков Қ. Б., Ә бдиев Қ. Ж. Коллоидтық химия: Оқ улық. -Алматы: 2011. - 37-45 б.

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒