Определение размеров частиц нанодисперсных систем.

Цель работы: Экспериментальное определение размера частиц нанодисперсных систем, подчиняющихся уравнению Релея.

Краткое теоретическое введение

Для сферических частиц, не проводящих электрического тока, малых по сравнению с длиной волны падающего света и отстоящих друг от друга на достаточно большом расстоянии(разбавленная система) Рэлей вывел следующее уравнение, связывающее интенсивность падающего света I₀ с интенсивностью света, рассеянного единицей объема системы I_p:

, (1)

где n₁ и n₂ - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды; ν-численная концентрация; υ-объем одной частицы; λ-длина световой волны.

Уравнение Релея может быть использовано для определения размеров частиц сферической формы, если их радиус r не превышает 1/20 длины волны λ падающего света. Радиус таких частиц равен:

, (2)

где τ-мутность системы, с- объемная концентрация дисперсной фазы.

Функция F определяется соотношением:

(3)

Уравнение Релея лежит в основе оптических методов определения размеров частиц и концентрации дисперсной фазы: ультрамикроскопии, нефелометрии и турбидиметрии.

Ультрамикроскопия от обычной микроскопии отличается тем, что объект (дисперсная система) освещается сбоку, а наблюдают рассеянный свет. Вследствие этого частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, и разрешающая сила микроскопа резко возрастает, что позволяет наблюдать частицы с диаметром до 2-3 нм.

Нефелометрия- метод исследования, при котором измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на кювету с дисперсной системой. Обычно объемная концентрация с дисперсной фазы известна или легко определяется. Поэтому соотношение(1) при данной длине волны удобно записать в виде:

, (4)

где k-константа.

Из уравнения (4) следует, что знаю концентрацию или размер частиц в стандартной системе, можно рассчитать соответственно размер частиц или их концентрацию в исследуемой дисперсной системе.

Турбидиметрия основана на измерении интенсивности проходящего через дисперсную систему света. Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным, поэтому есть все основания принять, что закономерности рассеяния света подчиняются уравнению Бугера-Ламберта-Бера:

, (5)

где I_п –интенсивность света, прошедшего через систему, D=lg I₀/I_п- оптическая плотность; l- толщина слоя системы.

Мутность τ= I_p/I₀, а отсюда и оптическая плотность D в соответствии с уравнением(1) пропорциональны концентрации и квадрату объема частиц. Это позволяет определять размеры частиц и их концентрацию по оптической плотности системы методом сравнения со стандартными системами с помощью фотоэлектроколориметра. Оптическую плотность золя определяют с помощью прибора ФЭК-56М, оптическая схема которого приведена на рис.1.

Рис.1.Оптическая схема прибора ФЭК-56М:

1,4,8,11- отклоняющие зеркала; 2,10- раздвижные диафрагмы; 3,9- кюветы; 5- источник света; 6- светофильтр;7- призма:;12- фотоэлементы.

Световой луч от источника света 5, пройдя через светофильтр 6, попадает на призму 7, которая делит световой луч на два потока. Отразившись от зеркал 4 и 8, параллельные световые лучи проходят через кюветы 3 и 9, падают на зеркала 1и 11 и затем поступают на фотоэлементы 12. По ходу первого светового луча можно устанавливать последовательно две кюветы(одна с золем, другая с дисперсионной средой).

Раздвижная диафрагма 10, расположенная по ходу правого луча света, при вращении связанного с ней барабана меняет свою площадь и тем самым меняет интенсивность светового потока, падающего на правый фотоэлемент. Раздвижная диафрагма 2, расположенная по ходу левого луча, служит для ослабления интенсивности светового потока, падающего на левый фотоэлемент. При равенстве интенсивностей обоих световых потоков стрелка регистрирующего микроамперметра находится в нулевом положении.

Правый световой луч является измерительным, левый- компенсационным.

Приборы и методы измерений

Измерения оптической плотности золя проводят на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М со светофильтром №6 (длина волны в вакууме λ_вак=540 нм).

Последовательность выполнения работы.

1. Включить КФК-2 в сеть. Прогреть прибор в течение 10-15 минут.

2. Приготовить золь методом замены растворителя. К 1 мл 1% спиртового раствора канифоли в колбе на 25 мл добавить при встряхивании 10 мл воды.

3. Перенести 1 мл приготовленного золя в колбу на 100 мл и довести дистиллированной водой до метки. Данный раствор имеет кратность разбавления 1:100.

4. Из полученного золя приготовить четыре пробы канифоли с кратностью разбавления 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000. Для этого в четыре колбы на 100 мл внести последовательно по 10, 5, 2, 1 мл раствора с кратностью 1:100. Долить в каждую колбу дистиллированной воды до метки.

5. Поставить светофильтр №6. В кюветодержатель поставить две заполненные кюветы: кювету с дистиллированной водой и кювету с очередным раствором(начиная с наименьшей концентрации). Закрыть крышку прибора и с помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с дистиллированной водой находилась против фильтра.

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

7. С помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с раствором находилась против фильтра. Определить оптическую плотность D по нижней шкале прибора. Для каждого образца канифоли измерения провести три раза и определить среднее значение. Записать данные об оптической плотности серии проб в таблицу1.

Обработка и оформление результатов.

1.Вычислить объемную концентрацию канифоли, используя данные о плотности частиц полимера(плотность частиц канифоли составляет 1,07 г/см³).

2.По формуле (5) рассчитать мутность τ. Полученные данные записать в таблицу.

3.Построить график в координатах τ/с-с. По этому графику экстраполяцией найти величину τ/с при с→0.

4. Полученное значение τ/с при с→0 использовать для расчета радиуса r частицы канифоли по формуле (2). При расчете функции F принять, что показатель преломления дисперсионной среды(воды) n₀=1,333, а частиц канифолиn₁ =1, 456. Длину волны в данной среде найти как λ=λ_вак/n₀.

Таблица1. Экспериментальные данные для расчета размеров частиц по уравнению Релея.

Объемная концентрация канифоли с, см^3/см^3	Оптическая плотность D	Среднее значение оптической плотности Dср	Мутность τ, м^-1	τ/с, м^-1

Контрольные вопросы.

1. Какие оптические методы используются для определения размеров наночастиц дисперсных систем?
2. Чем обусловлено светорассеяние в дисперсных системах?
3. Для каких дисперсных систем применимо уравнение Рэлея?

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. Коллоидно-химические основы нанонауки. Под ред. Шпак А.П., Ульберг З.Р. Киев. Академпериодика.2005.466с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Дата добавления: 2017-02-01