Коллоидты химияның оптикалық қасиеттері

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 5 бет
Таңдаулыға:

Дисперсті системалардың оптикалық қасиеттерін зерттеу ондағы бөлшектердің құрылымын, түрін, өлшемін және концентрациясын анықтауға септеледі. Коллоидты ерітінділердің оптикалық және молекулалық-кинетикалық қасиеттерін біріктіріп, өзара ұштастырып зерттеген нәтижелі. Дисперсті системадағы электромагнитті жарық толқынының қозғалысын қарастырайық. Дисперстік ортадан өтетін жарық бөлшектермен әрекеттесіп, жұтылады, шағылысады немесе шашырайды. Жарықтың бөлшек бетіне тиіп, онан шағылысуы оптиканың геометриялық заңы бойынша, яғни толқын ұзындығы бөлшек өлшемінен кіші болса ғана жүзеге асады. Спектрдің көрінетін бөлігі үшін бұл шарт ірі дисперсті системаларда ғана сақталады. Ал, бөлшек өлшемі толқын ұзындығынан едәуір кіші болатын коллоидты системаларға басқа жарық шашырату құбылысы тән.

Дисперсті система арқылы өткен жарық сәуленің интенсивтілігі біршама төмендейді және бірден екі процесті тудырады: жұту және шашырату. Жарық жұтылған кезде оның энергиясы жылуға айналады. Боялған орталардың көмегімен жарық жұтудың негізгі заңдылығын Ламберт пен Беер анықтаған. Ламберт заңына орай, ерітіндінің өте жұқа қабаты арқылы өтетін жарық интенсивтілігінің өзгеруі, өзі өткен ерітінді қабатының қалыңдығына тура пропорционалды, ал Беер заңына сәйкес ерітіндіде еріген зат концентрациясының жоғарылауы ерітінді қабатының қалыңдығы сияқты әсер етеді. Ламберт және Беер заңын дифференциалды тұрғыдан біріктіріп өрнектеуге болады:

dI=KC⋅dx (1)

мұндағы dI - өткен жарық интенсивтілігі; К-пропорционалдық коэффициенті; С-ерітінді концентрациясы; dx-жарық өткен ерітінді қабатының қалыңдығы.

Бұл теңдеудің интегралдық түрі:

І=І ₀ е ^-КСх (2)

немесе

ln (3)

мұндағы І ₀ - ерітіндіге түскен жарық интенсивтілігі; І - ерітіндіден шыққан жарықтың интенсивтілігі.

Осы тұста ескерте кететін бір жай бар: егер ерітінді концентрациясын өзгерткенде еріген зат диссоциацияланбаса немесе агрегацияланбаса, онда Ламберт-Беердің біріккен заңы орындалады.

(3) теңдеудің оң жағындағы бөлігін (lgІ ₀ /І) оптикалық тығыздық деп атайды. Ондағы пропорционалдық коэффициентін көбінесе жарық жұтудың молекулалық коэффициенті деп те атайды және оны ерітінді концентрациясы мен қабат қалыңдығы 1-ге тең болатын жағдайда оптикалық тығыздық ретінде қабылдайды. Жарықтың жұтылу заңын жоғарыдағы шарт орындалған жағдайда, яғни молекулалар мен бөлшектерде диссоциация мен агрегация жүрмегенде ғана дисперсті және коллоидты системаларға қолдануға болады екен. Дисперсті системаларға тән оптикалық құбылыс - жарықтың шашырауы . Жарық шашыраған кезде түскен сәуле энергиясы жылуға айналмастан, оны бөлшектер әр түрлі бағытта қайтадан шығарады. Сондақтан да шашыраған жарықты қараңғы фонға қарсы бүйірінен байқауға болады.

Жарықтың шашырауын жүйелі түрдезерттеу ХІХ ғасырдың ортасында басталды (1852ж. Брюкке; 1857ж. Фарадей; 1869ж. Тиндаль) . Әсіресе, жарық шашырауын Тиндаль өте тиянақты және нақтылы зерттеді, ол сондай-ақ, жарық шашырауын байқаудың бірден-бір жеңіл де қарапайым әдісін ұсынды. Тиндаль әдісі бойынша коллоидты ерітіндіні қараңғы жерге орналастырып, оның бүйір жағынан жарық сәулесін түсіреді. Осындағы бүйір жағынан көрінетін сәуле Тиндаль конусы деп аталды.

Жарықтың шашырау теориясын Релей (1871-1899жж. ) зерттеген. Оның бұл теориясын бөлшек өлшемі түсетін жарық толқынының ұзындығынан бірнеше есе кіші, шар тәрізді, ток өткізбейтін системаларға қолдануға болады. Жарық толқыны электр өрісінің әсерінен зольдегі диэлектрлік бөлшектерде индуцирленген дипольдер пайда болып, олардың өздері де сәуле таратады деген жорамал бар. Бөлшектер шашырататынын жарықтың интенсивтілігін (S ₁ ) келесі формула бойынша анықтауға болады.

(4)

мұндағы Ө - түсетін жарық шоғы мен шашыраған жарық шоғының бағыттары аралығындағы бұрыш; l - шар тәрізді бөлшек пен жарық шашырауын бақылайтын окулярге дейінгі аралық; V - бөлшек көлемі; λ - жарық толқынының ұзындығы; І ₀ - жарық интенсивтілігі; n ₁ және n ₀ - коллоидты бөлшек пен оны қоршаған отраның сыну көрсеткіштері.

Барлық бағытқа бөлшек шашыратқан жарықтың трлық интенсивтілігін мына формуламен есептейді:

(5)

Егер берілген коллоидты системадан бірлік өлшемдегі көлемді ойша бөліп алсақ және осы көлемде Ν ₁ бөлшек болып, олар бір-бірінен алыс орналасса, оларға электр өрісі әсер етпейтін болса, онда бірлік өлшемді көлем шашыратқан жарық интенсивтілігі төмендегідей:

R _N =N ₁ R ₁ (6)

Релей теңдеуінен (5), (6) коллоидты системалардағы бөлшек ірілеген сайын, жарықтың шашырауы күшейетінін көруге болады. әйтсе де бұл теория бойынша бөлшек өлшемі толқын ұзындығының ¹ / ₂₀ - інен аспауы қажет еткенін ескерген жөн. Жарықтың шашырауына толқын ұзындығы күшті әсер етеді. Сондай-ақ (5) және (6) теңдеулердегі толқын ұзындығының төртінші дәрежеде және бөлшек бөлімінде тұрғанын ескерсек, онда жарық шашырағанда қысқа толқынды сәуле таратылады. Сондықтан толқын ұзындығы әртүрлі сәулелер жиынтығы болып есептелетін кәдімгі ақ жарық шашыраған кезде қысқа толқынды сәулені таратып, ұзын толқындыларын өткізіп жібереді. Шашыраған жарықтың интенсивтілігі дисперсті фаза мен ортаның сыну көрсеткіштерінің айырмасына тікелей тәуелді болады. Ал егер олардың сыну көрсеткіштері өзара тең болса, онда мұндай система жарықты өте нашар шашыратады. Осы орайда тағы да назар аударарлық бір жай бар: егер дисперсті фаза мен орта оптикалық дисперстік көрсеткіштері арқылы ғана ерекшеленсе, онда система ашық түстерге боялады, мұны Христиансен эффекті дейді.

Гомогенді системада жарық шашырайды, ал дисперсті системадағы жарықтың шашырау қабілеті одан да басымырақ. Сан түрлі қоспалардан мұқият тазартылған газдардағы, сұйықтағы және кристалдағы жарықтың шашырауына олардың оптикалық бір қалыптылығының атомдар мен молекулалардағы жылулық қозғалыс әсерінен системаның бір бөлігіндегі атомдар мен молекулалардың концентрациясы орта мәннен артық болса, екінші бөлігінде кеміп кетеді. Мұндай орташа мәннен ауытқып кететін флуктуация теорисын, бұрын да айтылғандай Смолуховский зерттеп, ғылымға енгізген.

Шашыраған жарықтың ерекшелігі, оның поляризациялануы және оның поляризациялану дәрежесінің максимумы түсетін сәуле бағытына перпендикуляр орналасады. Ал әр түрлі бағытта шашыраған жарықтың поляризациялану дәрежесі, бөлшек түріне байланысты болады екен. Мысалы, шар тәрізді бөлшектен таралған сәулені оған перпендикуляр жағынан бақылағанда толық полюстенеді екен, ал бөлшек ұзын таяқша тәрізді болып және жарық шоғына перпендикуляр болса, онда шашыратылған жарықтың небәрі 70 % -і полюстенеді екен. Түскен жарықтың өзгеруі мен осы өзгеріске тәуелді құбылыстар коллидты системадағы бөлшектің түріне, өлшеміне, табиғатына, концентрациясына тәуелді болады. Бұл тәуелділіктерді оптикалық қасиеттке негізделген әдістер арқылы зерттеуге болады екен. Енді солардың арасындағы өндіріске жиі қолданылатын нефелометрия мен ультрамикроскопия әдісіне тоқталайық.

Нефелометрия. Бұрын да айтылғандай, дисперсті системадағы жарықтың шашырауына байланысты құбылыстар бөлшектің түрі мен өлшемін анықтау үшін кеңінен қолданылады. Жарықтың шашырағандағы интенсивтілігін өлшеуге негізделіп, бөлшектердің концентрациясын анықтауға арналған аналитикалық әдісті нефелометрия деп атайды. Оның негізгі жұмыс жүйесі 1-суретте көрсетілген. Ондағы А және В кювета. Олардың біріне мысал, А кюветаға барлық сипаты белгілі қалыпты ерітінді, ал екіншіге (В) зерттелетін коллоидты ерітінді құйылады. Олардың бүйір жағынан жарық түсіріледі, сонда жарық кювета ішіндегі коллоидты не дисперсті бөлшектерден шашырайды. Жарықтың интесивтілігі қозғалғыш тетік (Д) арқылы теңестіріледі де, қалыпты және өлшенетін кюветалардың h ₁ және h ₂ аралықтары өлшенеді. Мұнда h ₁ белгілі, өйткені ол қалыпты ерітіндіге қатынасты. Екі кюветаның ара қашықтығын нұсқайтын h ₁ және h ₂ өзара қатынасы, олардағы концентрация мөлшеріне кері қатыгнаста болады. Кейбір жағдайларда шашыраған жарық интенсивтілігінен гөрі, шашырататын орта арқылы өтетін жарық шоғының интенсивтілігін салыстыру ыңғайлы.

Анализдеудің мұндай түрдегі әдісін турбидециметрия деп атайды. Жарық шашырататын орта арқылы өткен жарықтың интенсивтілігін келесі теңдеу арқылы өлщеуге болады:

І=І ₀ е ^-КСх (7)

мұндағы С - бөлшектер концентрациясы; l - кювета қалыңдығы , K - лайлық коэффициенті.

Сөз соңында опалесценцияға ұқсас эффектердің бар екенін ескерткен жөн. Мұндайда жарық квантының әсерінен электрондар әр түрлі энергетикалық деңгейге ауысуы мүмкін. Туындайтын өзгерісті аса сезімтал оптикалық аспаптар тез тіркеп, тиісті мәлімет көрсетеді.

Ультрамикроскопия. Коллоидтық дәрежеде ұнталған бөлшектер кәдімгі микроскопта көрінбейді. Мұндайда ультрамикроскопты қолданады. Аббе ұсынған жарықтың диффракциялық теориясы бойынша, оптикалық құралдардың көрсету мүмкіндігі екі нүкте арасы λ(2n⋅sin α) қатынасынан кем болмайтын жағдайда ғана болады (λ - жарық толқынының ұзындығы; n - ортанрың сыну көрсеткіші; α - бөлшекті бақылайтын бұрыштың жартысы) . Осы теория мен қатынасқа негізделіп жүргізілген көптеген есептеулерге қарап, мұндай оптикалық микроскопта көрінетін бөлшектің шекті өлшемін анықтауға болады. Осындай есептеулер кезінде алынған шама 2, 5 х 10 ^-5 - 1, 8 х 10 ^-5 см аралығында болады екен. Демек коллоидты бөлшектер кәдімгі микроскопта көрінбегенімен ультрамикроскопта жақсы көрінеді.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.