Определение размеров частиц нанодисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея.

Цель работы: Экспериментальное определение размера частиц нанодисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея, с использованием уравнения Геллера.

Краткое теоретическое введение.

С увеличением размеров частиц закон Релея перестает соблюдаться и интенсивность рассеянного света становится обратно пропорциональной длине волны в степени, меньшей чем четвертая. В этом случае пользуются либо уравнениями, вытекающими из общей теории светорассеяния, либо эмпирическими соотношениями. В частности, если размер(диаметр) частиц составляет от 1/10 до 1/3 длины световой волны и показатели преломления частиц и среды не сильно различаются, для описания светорассеяния в системе можно воспользоваться следующими эмпирическими уравнениями, предложенными Геллером:

D=kλ^-n и τ=k λ^-n, (1)

где k и k- константы, не зависящие от длины волны.

Зависимости lgD(или lgτ) от lgλ в соответствии с уравнениями (2.1) представляют собой прямую линию, тангенс угла наклона которой равен показателю степени n с минусом. Значение показателя степени n в этих уравнениях зависит от соотношения между размером частицы и длиной волны падающего света, характеризуемого параметром Z:

Z=8πr/λ (2)

С увеличением Z значение n уменьшается, стремясь в пределе к 2 для частиц, радиус которых больше длины волны. При малых значениях Z соблюдается уравнение Релея и n=4. Значения n для Z от 2 до 8 приведены в табл.1.

Таблица 1. Показатель степени n в уравнении Геллера в зависимости от параметра Z.

n	Z	n	Z
3,812	2,0	2,807	5,5
3,686	2,5	2,657	6,0
3,573	3,0	2,533	6,5
3,436	3,5	2,457	7,0
3,284	4,0	2,379	7,5
3,121	4,5	2,329	8,0
3,060	5,0	-	-

Показатель степени n в уравнениях (1)находят на основе турбидиметрических данных. Для этого экспериментально измеряют оптическую плотность системы при различных длинах волн(в достаточно узком интервале λ) и строят график в координатах lgD- lgλ. Показатель n определяют по тангенсу угла наклона полученной прямой. По значению n находят соответствующее значение параметра Z, а затем по формуле(2) рассчитывают средний радиус частиц исследуемой дисперсной системы.

Этот метод, как и уравнение Релея, применим только для «белых» золей, т.е. для неокрашенных дисперсных систем(метод базируется только на светорассеянии).

Приборы и методы измерений

Измерения оптической плотности золя проводят на спектрофотометре.

Последовательность выполнения работы.

1. Включить спектрофотометр в сеть. Прогреть прибор в течение 10-15 минут.

2. Измерить оптическую плотность D золя сульфата бария с помощью спектрофотометра, используя светофильтр №3. В кюветодержатель поставить две заполненные кюветы: кювету с дистиллированной водой и кювету с образцом золя. Закрыть крышку прибора и с помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с дистиллированной водой находилась против фильтра.

3. Поворачивая рукоятку грубой установки вправо(по часовой стрелке) установить стрелку на отметку 100% пропускания(верхняя шкала прибора).

4. С помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с раствором находилась против фильтра. Определить оптическую плотность D по нижней шкале прибора. Значение оптической плотности золя должно находиться в пределах 0,70-0,95. Провести еще два измерения и данные об оптической плотности D и средней оптической плотности D_ср для данного светофильтра занести в таблицу 2.

5. Повторить аналогичные измерения оптической плотности D для светофильтров №4-9. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2. Экспериментальные данные для расчета размеров частиц дисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея.

Номер светофильтра	λвак,нм	lg λвак	D	Dср	lg Dср

Обработка и оформление результатов.

1. Найти значения lg λ_вак и lg D_ср. Построить график в координатах lg λ_вак - lg D_ср и определить показатель степени n через тангенс угла наклона прямой.

2. По данным таблицы 1 построить график в координатах Z-n, из которого определить значение параметра Z, соответствующее ранее определенному n.

3.Рассчитать среднее значение длин волн λ_ср:

4. Полученное среднее значение длин волн λ_ср подставить в уравнение (2) и рассчитать значение среднего радиуса частиц r золя сульфата бария.

Контрольные вопросы.

1.Для описания светорассеяния каких систем используется уравнение Геллера?

2.Какие золи называют «белыми»?

3. Какой оптический метод определения размеров наночастиц использован в данной работе?

Литература.

1.Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов.-М.:Химия, 1988.

2. Зимон А.Д. Коллоидная химия. М.: Агар, 2007.

3. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии.-Под ред. Ю.Г.Фролова и А.С.Гродского._М.:Химия,1986.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Дата добавления: 2017-02-01