XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

При прохождении света через дисперсные системы могут наблюдаться следующие явления: прохождение, преломление, отражение, рассеяние и абсорбция (поглощение) света частицами дисперсной фазы.

Прохождение света характерно для систем молекулярной или ионной степени дисперсности. Преломление и отражение наблюдается у микро- и грубодисперсных систем и находит своё выражение в мутности этих растворов как в проходящем, так и в боковом (отраженном) свете. Для коллоидных систем наиболее характерными являются рассеяние и абсорбция (поглощение) света.

Светорассеяние в результате дифракции наблюдается только тогда, когда длина световой волны (которая равна 4*10^-5…7,5*10^-5 см) больше размера частицы дисперсной фазы, т.е. это явление характерно для гетерогенных систем с коллоидной степенью дисперсности (когда размер частиц дисперсной фазы составляет 10^-5-10^-7 см). Визуально явление рассеяния света коллоидными системами можно наблюдать при пропускании пучка света через раствор, при этом образуется светящийся конус при боковом наблюдении (конус Фарадея-Тиндаля).

Рассеянный свет имеет ту особенность, что он распространяется во всех направлениях и частично поляризован. Интенсивность рассеянного света и его поляризация в разных направлениях различны.

Согласно теории, развитой Рэлеем, для неокрашенных («белых») дисперсных систем со сферическими частицами, не проводящими электрический ток и имеющие малые размеры по сравнению с длиной волны падающего света, а также отстоящими друг от друга на достаточно большом расстоянии (т.е. при небольшой концентрации), интенсивность рассеянного света может быть выражена уравнением:

I_p=24π³[(n₁²-n₀²)/(n₁²+2n₀²)]²*[(ν*V²)/λ⁴]*I₀, (1)

где I₀ и I_p – интенсивность падающего и рассеянного света;

λ, - длина волны падающего монохроматического света;

n₀ и n₁ – показатели преломления дисперсной среды и дисперсной фазы;

ν – численная (частичная) концентрация дисперсной фазы, определяющей количество частиц фазы в единице объёма раствора;

V – объём частицы дисперсной фазы.

Так как n₀ и n₁ для данной конкретной системы являются постоянными, то уравнение (1) можно представить в виде:

I_p=I₀k¹νV²/λ⁴, (2)

а при освещении системы монохроматическим светом одной и той же волны получим:

I_p=I₀KνV²=I₀KC_об V, (3)

где С_об – объёмная концентрация, показывающая объём дисперсной фазы в определённом объёме раствора, которая измеряется в м³/м³ или см³/см³

С_об=νV,

K=24π³[(n₁²-n₀²)/(n₁²+2n₀²)]²/λ⁴, (4)

Кроме светорассеяния для коллоидных растворов характерно поглощение (абсорбция) света.

Если слой жидкости невелик и мала концентрация золя, то для абсорбции света применим закон Ламберта-Бугера-Бэра:

I_n=I₀e^-εcl, (5)

где I₀ и I_n - интенсивность падающего и прошедшего через раствор света;

ε – молярный коэффициент поглощения;

С – молярная концентрация;

l – толщина слоя раствора.

Уравнение (5) можно привести к уравнению прямой, для чего его необходимо прологарифмировать:

ln(I₀/I_n)=D=εcl, (6)

где D – оптическая плотность раствора.

Уравнение (6) показывает, что оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации раствора.

Для так называемых «белых» золей (т.е. не окрашенных и с частицами, не проводящими ток) молярный коэффициент поглощения настолько мал, что можно говорить об отсутствии абсорбции в таких растворах (т.е. I_n≈I₀-I_p).

Поэтому:

D=ln[I₀/(I₀-I_p)]=D≈ln[I₀/(I₀-I_p)]=T₁=k’V²νl/λⁿ (7)

А для конкретного «белого» золя

D = k”/ λn (8)

Выражение (8) носит название уравнения Геллера. Приведем его к уравнению прямой, для чего прологарифмируем:

lnD ≈ nk”- nlnλ (9)

Уравнение (9) показывает, что для графического нахождения n достаточно экспериментально измерить оптическую плотность (D) для исследуемого раствора при двух (как минимум) различных длинах волн (Х). Затем, воспользовавшись калибровочным графиком Галлера n=f(a), легко определить диаметр частиц (а) дисперсной фазы данного «белого» золя. Геллером было установлено, что n является функцией размера частиц дисперсной фазы и может принимать как целое, так и дробное значение (n≤4).

Экспериментальная часть:

Цель работы: построить калибровочный график D=f(C), определить концентрацию заданного золя.

Рассчитали объёмы исходного золя (V₁, требуемого для приготовления 50 мл (V₂) растворов заданных концентраций (С₂) из исходного золя с концентрацией 0,02 (масс.%) С₁ (по уравнению: V₁=C₂*V₂/C₁)

V₁= 0,015 * 50 / 0,02 = 37,5 мл

V₂= 0,009 * 50 / 0,02 = 22,5 мл

V₃= 0,006 * 50 / 0,02 = 15 мл

V₄= 0,003 * 50 / 0,02 = 7,5 мл

Приготовили в мерных пикнометрах на 50 мл золи заданных преподавателем концентраций, для чего из бюретки налили рассчитанные выше объемы готового (исходного) концентрированного золя и добавили воду до метки с последующим перемешиванием.

С помощью фотоколориметра для каждого золя определили с=четыре раза величину оптической плотности D (по нижней шкале фотоэлектроколориметра) при λ=540 нм. Экспериментальные данные приведены в таблице.

Построили по экспериментальным данным калибровочный график D=f(C).

Получили у лаборанта золь, определили для него четыре раза оптическую плотность по построенной калибровочной кривой. (значения занесли в таблицу).

Концентрация Золя (масс.%)	Оптическая плотность золя)
	D1	D2	D3	D4	D5	Dсреднее
0,015	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25
0,009	0,13	0,13	0,13	0,13	0,13	0,13
0,006	0,085	0,085	0,085	0,085	0,085	0,085
0,003	0,015	0,015	0,015	0,015	0,015	0,015
Контрольный золь	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08

По калибровочному графику нашли концентрацию этого золя (контрольного раствора): С_{контрольного золя}=0,0058 (масс.%).

Выводы: по полученной калибровочной кривой, построенной по растворам разной концентрации для заданного золя, можно определить с достаточной точностью концентрацию в широком диапазоне по оптической плотности.

Список литературы

1. Электронный учебник «Физическая химия. Химическая термодинамика» Данилин В.Н., Шурай П.Е. Боровская Л.В. /yчебное пособие Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва) Год издания: 2010.

2. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины "Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплин Боровская Л.В. Тип: учебное пособие Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, ул. Московская ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», Депозитарий электронных изданий, Год издания: 2010 Место издания: Москва

3. Физическая и коллоидная химия: методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения направления 19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания / Сост.: Л.В. Боровская; Кубан. гос., технол. ун-т. Каф. химии. - Краснодар.: 2021. – 180 с.

Код для цитирования: Скопировать