Оптические свойства коллоидных растворов.

По оптическим свойствам коллоидные растворы существенно» отличаются от истинных растворов низкомолекулярных веществ, а также от грубодисперсных систем. Наиболее характерными оптическими свойствами коллоидно-дисперсных систем являются опалесценция, эффект Фарадея — Тиндаля и окраска. Все эти явления обусловлены рассеянием и поглощением света коллоидными частицами.

В зависимости от длины волны видимого света и относительных размеров частиц дисперсной фазы рассеяние света принимает различный характер. Если размер частиц превышает длину световых волн, то свет от них отражается по законам геометрической оптики. При этом часть светового излучения может проникать внутрь частиц, испытывать преломление, внутреннее отражение и поглощаться.

Если размер частиц меньше длины полуволны падающего света, наблюдается дифракционное рассеяние света; свет как бы обходит (огибает) встречающиеся на пути частицы. При этом имеет место частичное рассеяние в виде волн, расходящихся во все стороны. В результате рассеяния света каждая частица является источником новых, менее интенсивных волн, т. е. происходит как бы самосвечение каждой частицы. Явление рассеяния света мельчайшими частицами получило название опалесценции. Оно свойственно пре­имущественно золям (жидким и твердым), наблюдается только в отраженном свете, т. е. сбоку или на темном фоне. Выражается это явление в появлении некоторой мутноватости золя и в смене («переливах») его окраски по сравнению с окраской в проходящем свете. Окраска в отраженном свете, как правило, сдвинута в сторону большей частоты видимой части спектра. Так, белые золи (золь хлорида серебра, канифоли и др.) опалесцируют голубоватым цветом.

Эффект Фарадея — Тиндаля. Дифракционное рассеяние света впервые было замечено М. В. Ломоносовым. Позднее, в 1857 г., это явление наблюдал Фарадей в золях золота. Наиболее детально явление дифракции (опалесценции) для жидких и газовых сред было изучено Тиндалем (1868).

Если взять один стакан с раствором хлорида натрия, а другой — с гидрозолем яичного белка, трудно установить, где коллоидный раствор, а где истинный, так как на вид обе жидкости бесцветны и прозрачны (рис. 6.5). Однако эти растворы можно легко различить, проделав следующий опыт. Наденем на источник света (настольную лампу) светонепроницаемый футляр с отверстием, перед которым в целях получения более узкого и яркого пучка света поставим линзу. Если на пути луча света поставить оба стакана, в стакане с золем увидим световую дорожку (конус), в то время как в стакане с хлоридом натрия луч почти не заметен. По имени ученых, впервые наблюдавших это явление, светящийся конус в жидкости был назван конусом (или эффектом) Фарадея — Тиндаля. Этот эффект является характерным для всех коллоидных растворов.

Появление конуса Фарадея — Тиндаля объясняется явлением рассеяния света коллоидными частицами размером 0,1—0,001 мкм.

Длина волн видимой части спектра 0,76—0,38 мкм, поэтому каждая коллоидная частица рассеивает падающий на нее свет. Он виден в конусе Фарадея — Тиндаля, когда луч зрения направлен под углом к проходящему через золь лучу.Таким образом, эффект Фарадея — Тиндаля —явление, идентичное опалесценции, и отличается от последней только видом коллоидного состояния, т. е. микрогетерогенности системы.

Теория рассеяния света коллоидно-дисперсными системами была разработана Рэлеем в 1871 г. Она устанавливает зависимость интенсивности (количества энергии) рассеянного света (I) при опалесценции и в конусе Фарадея — Тиндаля от внешних и внутренних факторов. Математически эта зависимость выражается в виде формулы, получившей название формулы Рэлея:

Рис.6.5

6.1

где I — интенсивность рассеянного света в направлении, перпендикулярном к лучу падающего света; К — константа, зависящая от показателей преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы; n — число частиц в единице объема золя; λ — длина волны падающего света; V — объем каждой частицы.

Из формулы (6.1) следует, что рассеяние света (I) пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы (или для сферических частиц — шестой степени их радиуса) и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Таким образом, рассеяние коротких волн происходит относительно более интенсивно. Поэтому бесцветные золи в проходящем свете кажутся красноватыми, в рассеянном — голубыми.

Окраска коллоидных растворов.В результате избирательною поглощения света (абсорбции) в сочетании с дифракцией образуется та или иная окраска коллоидного раствора. Опыт показывает, что большинство коллоидных (особенно металлических) растворов ярко окрашено в самые разнообразные цвета, начиная от белого и кончая совершенно черным, со всеми оттенками цветового спектра. Так, золи As₂S₃ имеют ярко-желтый, Sb₂S₃ — оранжевый, Fe(OH)₃ — красновато-корич­невый, золота — ярко-красный цвет и т. п.

Один и тот же золь имеет различную окраску в зависимости от того, в проходящем или отраженном свете она рассматривается. Золи одного и того же вещества в зависимости от способа приготовления могут приобретать различную окраску— явление полихромии (многоцветности). Окраска золей в данном случае зависит от степени дисперсности частиц. Так, грубодисперсные золи золота имеют синюю окраску, большей степени дисперсности — фиолетовую, а высокодисперсные — ярко – красную. Интересно отметить, что цвет металла в недисперсном со­стоянии не имеет ничего общего с его цветом в коллоидном состоянии.

Необходимо отметить, что интенсивность окраски золей в десятки (а то и в сотни) раз больше, чем молекулярных растворов. Так, желтая окраска золя As₂S₃ в слое толщиной в 1 см хорошо заметна при массовой концентрации 10^-3 г/л, а красный цвет золя золота заметен даже при концентрации 10^-5 г/л.

Красивая и яркая окраска многих драгоценных и полудрагоценных камней (рубинов, изумрудов, топазов, сапфиров) обусловлена содержанием в них ничтожных (не определимых даже на лучших аналитических весах) количеств примесей тяжелых металлов и их оксидов, находящихся в коллоидном состоянии. Так, для искусственного получения яркого рубинового стекла, употребляемого для автомобильных, велосипедных и прочих фонарей, достаточно на 1000 кг стеклянной массы добавить всего лишь 0,1 кг коллоидного золота.

Ультрамикроскоп. На явлении светорассеяния в конусе Фарадея — Тиндаля основан один из важнейших методов исследования высокодисперсных систем — с помощью ультрамикроскопа.

В отличие от обычного микроскопа в ультрамикроскопе применено боковое освещение. При этом свет от осветителя не попадает в объектив микроскопа и в глаз наблюдателя, поэтому фон поля зрения микроскопа темный.

Этим методом можно вычислить размер коллоидной частицы по формуле

Пусть d — плотность частиц, С — массовая концентрация коллоидного раствора, V — выде­ленный оптический объем; ν — число частиц в объеме V;

Принимая форму частицы за куб или сферу, можно вычислить раз­мер коллоидной частицы по формуле (6.2):

6.2

где D — диаметр сферической частицы

d — плотность частиц, С — массовая концентрация коллоидного раствора, V — выде­ленный оптический объем; ν — число частиц в объеме V;

.