Оптические свойства высокодисперсных систем

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Г л а в а 8

Крашенинникова Ирина Геннадьевна.

Рецензенты: профессор, д.х.н. каф. «Синтез полимеров» МГАТХТ им. М.В. Ломоносова Прокопов Н.И.

Доцент, к.х.н. каф. «Органическая и биологическая химия» МГАВМиБ им. К.И. Скрябина Царькова М.С.

Редактор: Коновалова Л.Ф.

© Московский государственный университет технологий и управления, 2004

109004, Москва, Земляной вал, 73.

СОДЕРЖАНИЕ стр.

Г л а в а 8 4

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 4

8.1. Оптические свойства высокодисперсных систем.. 4

8.2. Оптическая плотность (экстинкция) 8

Г л а в а 9 11

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 11

9.1. Причина молекулярно-кинетических свойств. 11

9.2. Броуновское движение. 12

9.3. Диффузия. 14

9.4. Осмос. 17

Г л а в а 10 20

УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 20

10.1. Проблема устойчивости дисперсных систем.. 20

10.2. Седиментационная устойчивость. 23

10.3. Кинетика коагуляции. 26

10.4. Термодинамические основы и факторы устойчивости дисперсных систем.. 28

10.5. Расклинивающее давление и теория ДЛФО.. 30

10.6. Расклинивающее давление и агрегативная устойчивость. 34

10.7. Изменение агрегативной устойчивости при помощи электролитов. 37

10.8. Особенности агрегативной устойчивости лиофобных дисперсных систем и структурно-механический барьер 41

Г л а в а 11 45

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА дисперсных систем 45

11.1. Образование, особенности и разрушение структурированных систем.. 46

11.2. Прочность и вязкость дисперсных систем.. 49

Г л а в а I2 53

ПОЛУЧЕНИЕ И ОЧИСТКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 53

12.1. Классификация способов получения дисперсных систем.. 53

12.2. Диспергирование. 56

12. 3. Получение дисперсных систем за счет конденсационных процессов. 59

12.4. Мембраны и мембранные процессы.. 62

12.5. Мембранная технология и ее применение в промышленности. 68

ТЕСТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ 70

ОТВЕТЫ НА ТЕСТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ 75

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 76

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 78

Р а з д е л в т о р о й

СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств дисперсных систем определяются природой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсные системы (интерференция, дифракция, поляризация, преломление и отражение света и др.) определяются законами геометрической оптики.

Дисперсные системы способны к рассеянию света. В результате рассеяния проходящий через коллоидный раствор луч света становится видимым (эффект Тиндаля). Этот вид рассеяния называют опалесценцией. Для молекулярных и ионных растворов подобный эффект не наблюдается.

Способностью к светорасceиванию обладают не только частицы, но и ассоциаты молекул, макромолекулы и включения, нарушающие однородность среды. Рассеяние заключается в преобразовании света веществом, которое сопровождается изменением направления света.

Схематически рассеяние света можно представить следующим образом:

Падающий свет с частотой ν

+

Молекулы высокодисперсных частиц (атомы)

→

Поляризация молекул (атомов) и возникновение диополей с пере- менным моментом

→

Излучение кванта с частотой ν1

Световая волна вызывает поляризацию молекул не проводящих и не поглощающих свет частиц; возникающий при этом дипольный момент m определяется по уравнению

µ = αE,

где α— поляризуемость; Е — напряженность возбужденного электрического поля, образованного падающим светом.

Возникающие диполи колеблятся с частотой падающего света и создают вторичное излучение во всех направлениях. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями вследствие интерференции*, распространяется прямолинейно. В неоднородной среде, к которой относятся высокодисперсные системы с различным показателем преломления фазы и среды, интерференция отсутствует, и испускается нескомпенсированное излучение в виде рассеянного света. Если энергия поглощенного кванта света (hu) равна энергии испускаемого кванта (hν₁), то рассеяние будет рэлеевским, или упругим.

Oно реализуется в том случае, когда размеры частиц дисперсной фазы намного меньше длины волны света λ, а именно

а < 0,1l. (8.1)

Длина волны видимого света колеблется в пределах 380-760 нм. Поэтому условие (8.1) справедливо для частиц дисперсной фазы, размеры которых не превышает 76 нм, т.е. для высокодисперсных систем.

Теорию рассеяния света развил английский физик Рэлей, поэтому рассеяние света высокодисперсными системами при соблюдении условия (8.1) называют рэлеевским. еще раз подчеркнем, что характерной особенностью рэлеевского рассеяния является равенство энергий испускаемого и падающего квантов света (т.е. равенство частот падающего и рассеянного света).

В результате рассеяния интенсивность падающего света J₀изменяется и будет характеризоваться величиной J_p, которая, согласно Рэлею, определяется по формуле

(8.2)

где ν_ч— численная концентрация дисперсной фазы; V — объем частиц (для шарообразной частицы он равен 4pr³/3; r — радиус частиц); λ — длина волны падающего света; n₁, n₂— показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Рэлеевское рассеяние света характерно для неэлектропроводных, оптически однородных и прозрачных частиц (белые золи). При этом размер частиц должен соответствовать условию (8.1), частицы иметь изомермическую форму, а расстояние между ними должно превышать длину волны падающего света.

В обычных условиях витающие мелкие частицы в воздухе не видны, но при прохождении солнечного луча в затемненной комнате он становится видимым. Фактически глаз человека воспринимает интенсивность света, рассеянного высокодисперсными частицами.

В соответствии с уравнением (8.2) интенсивность рассеянного света при прочих равных условиях зависит от размеров частиц и их численной концентрации:

J_p= к₁ν_чV²J₀(ρ/ρ) = к₁ν_м(4pr³/3ρ)J₀. (8.3)

Рис. 8.1. Рассеяние света малой (а) и крупной (б) частицей:

1 и 2 — неполяризованная и поляризованная части света соответственно; 3 — полярная молекула (диполь). 4 — направление максимальной интенсивности рассеяния поляризованной части света.

В формуле (8.3) коэффициент пропорциональности к₁означает, что другие члены уравнения Рэлея остаются неизменными. Поясним преобразование уравнения (8.2) в уравнение (8.3). Если числитель и знаменатель уравнения (8.2) умножить на ρ (плотность материала частиц дисперсной фазы), то произведение ν_чV_pсоответствует массе дисперсной фазы в единице объема, т.е. массовой концентрации ν_м. Это значит, что интенсивность рассеянного света пропорциональна при постоянной массовой концентрации размеру частиц дисперсной фазы в третьей степени.

Как следует из уравнения (8.2), интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны падающего света в четвертой степени:

J_p= к₂J₀/λ⁴. (8.4)

Cвет коротких волн рассеивается сильнее. Красный свет имеет наибольшую в видимой части спектра длину волны (620—760 нм) и рассеивается в меньшей степени. Поэтому запрещающие сигналы светофоров и других регулирующих устройств имеют красный свет, а бамперы электричек и электровозов, жилеты железнодорожных рабочих — красно-коричневую или оранжевую окраску.

Длина волны фиолетового света 380—450 нм; он рассеивается более интенсивно по сравнению с красным. Интенсивность рассеяния фиолетового света примерно в 16 раз выше интенсивности рассеяния красным, длина волны которого лишь в два раза превышает длину волны фиолетового света. Не случайно во время Великой Отечественной войны применялись синие лампочки для освещения затемненных объектов: значительное рассеяние света синими лампочками исключало возможность увидеть источник света даже на незначительном расстоянии.

Рассеянный солнечный свет, который образуется под действием аэрозольных частиц, ассоциатов молекул и других включений, нарушающих однородность среды, помимо фиолетового содержит и другие лучи спектра. Эти лучи ассимилируются и со стороны Земли придают небу голубую окраску. Со стороны Космоса, т.е. в направлении солнечных лучей, рассеяния не происходит: космонавты видят черное небо и голубой ореол Земли.

Заметим, что кроме особенности рассеянного света восприятие красного и фиолетового света зависит от специфики спектральной чувствительности глаза человека.

Интенсивность рассеянного света, согласно уравнению (8.2), зависит от показателей преломления вещества дисперсной фазы n₁и дисперсионной среды n₂.

(8.5)

Если показатель преломления вещества, из которого формируется дисперсная фаза, равен показателю преломления дисперсионной среды (n₁= n₂), то рассеяния не происходит. Так, в однородных средах светорассеяние не наблюдается.

Показатель преломления воздуха n₁равен 1,000, воды n₂— 1,333, поэтому капли воды в воздушной среде в соответствии с уравнением (8.5) способны к рассеянию света.

Свет рассеивается во всех направлениях, т.е. является векторной величиною. Однако, его интенсивность в различных направленных неодинакова. Интенсивность рассеянного света в пространстве может быть представлена в виде векторной диаграммы. Распределение интенсивности paссеянного света в одной плоскости можно представить при помощи рис. 8.1.

Рассеянный свет обычно поляризован. Поляризация заключается в поперечной анизотропии (неоднородности) световых лучей. Как следует из рис. 8.1, а рассеянный свет не поляризован в направлении падающего луча и полностью поляризован в плоскости, которая перпендикулярна падающему световому лучу. В этом направлении образуется седловина. Максимальная интенсивность поляризованного света достигается на краях седловины, прямые 4 рис. 8.1, когда угол между падающим и рассеянным светом (j) равен приближенно 55о. Если падающий свет не поляризован, то интенсивность рассеянного света, т.е. отношение между J_р/J₀пропорционально величине 1 + Cos²φ. При φ, равным нулю, рассеяние максимально, при φ = 90^oоно отсутствует (J_р^π/2; рис. 8.1, а).

При значительной концентрации частиц, когда расстояние между частицами меньше длины волны падающего света, уравнение (8.2) теряет смысл.

Рассеяние света дисперсной системой, состоящей из множества частиц, существенно отличается от рассеяния света одиночными частицами. Это отличие обусловлено интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами, и падающих волн; многократным рассеянием, которое наблюдается, когда свет, рассеянный одними частицами, повторно рассеивается другими; перемещением частиц.

В заключении отметим отличие между опалесценцией и флуоресценцией. Оба эти явления связаны со свечением растворов. При опалесценции свечение вызвано рассеянием света коллоидными растворами. Термин «опалесценция» широко используют как синоним видимого невооруженным глазом рассеяния света коллоидными растворами, которые по внешним признакам трудно отличить от истинных растворов.

Флуоресценция же характерна только для истинных растворов и связана с поглощением света одной длины волны и излучением света другой длины волны; в результате в отраженном свете раствор приобретает окраску. Кроме того, при опалесценции в отличие от флуоресценции рассеянный свет частично поляризован.

Дата добавления: 2014-10-15