Презентация на тему "Оптические свойства дисперсных систем"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Оптические свойства дисперсных систем. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем М.Ю. Плетнёв, д.х.н. ПЯ и ДС(Лекция IV Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

• 
  Слайд 2

  План лекции

  Оптические свойства дисперсных систем. Взаимодействие света с веществом. Физическая сущность рассеяния света,опалесценция. Рассеяние поляризованного и неполяризованного света малыми и большими частицами.Уравнение Рэлея и его анализ. Оптические методы исследования дисперсных систем. Нефелометрия и турбидиметрия;фотон-корреляционная спектроскопия. Поглощение света дисперсными системами. Уравнение Бугера-Ламберта-Бера. Оптическая плотность и мутность. Фиктивная абсорбция света в коллоидных системах. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Броуновское движение, его причины и общенаучное значение.Диффузия. Первый и второй законы Фика. Связь между средне-квадратичным сдвигом частиц и коэффициентом диффузии.Уравнение Эйнштейна-Смолуховского. Диффузионно-седиментационное равновесие. Гипсометрический закон.Седиментация в гравитационном поле. Седиментационное уравнение незаряженной частицы. Ультрацентрифуга.Кинетическая и термодинамическая седиментационная устойчивость. М.Ю. Плетнёв, доктор хим. наукКафедра коллоидной химии

• 
  Слайд 3
  

  При прохождении электромагнитной световой волны через золь наблюдаются следующие явления:

  Поглощение (абсорбция) света Преломление света Отражение света Рассеяние света (его зримым результатом является опалесценция) Абсорбция света веществом описывается известным уравнением Бугера-Ламберта-Бера: I= –I0 exp(–ε·l) гдеI – интенсивностьпрошедшего света, I0— интенсивность падающего света, l— толщина поглощающего слоя,ε – постоянная абсорбции, зависящая от природы вещества, длины световой волны и не зависящая от концентрации раствора. При прохождении света через коллоидную систему поглощение света происходит и дисперсионной средой, и дисперсной фазой. Если дисперсионная среда для света данной длины волны прозрачна, то поглотитель – только раздробленное вещество, и закон ЛББ будет иметь вид: I= –I0 exp(–Еlс) с — концентрация вещества; Е – постоянная абсорбции, отнесенная к единичной концентрации.

• 
  Слайд 4

  Рассяние света в коллоидных системах

  4 Эффект Тиндаля в золе серебра. Источник: Inet. При прохождении узкого пучка света через кювету c гидрозолем в темном помещении наблюдается светорассеяние в виде размытого светящегося луча (конуса Тиндаля). В разбавленном неокрашенном коллоидном растворе (например, серебра), освещенном белым светом, рассеяние проявляется как слабое голубоватое свечение раствора (опалесценция). Если такую систему наблюдать в поле зрения проточного ультрамикроскопа на темном неосвещенном фоне, то рассеяние от частиц заметно в виде светящихся точек. Под ультрамикроскопом в очень разбавленном растворе можно сосчитать число светящихся частиц (точек) в слое известного объема и тем самым определить частичную концентрацию (аэро)золя.

• 
  Слайд 5

  Уравнение Рэлея

  5 Если радиус частиц меньше длины полуволны падающего света r

• 
  Слайд 6

  Рассяние света в коллоидных системах

  6 Определение размеров частиц дисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Рэлея, производят по формуле Геллера: где Dλ– оптическая плотность; λ – длина волны падающего света; α – коэффициент, величина которого меняется от 1 до 4 в зависимости от диаметра частиц; К – постоянная. Эта зависимость имеет практическое значение, так как позволяет по экспериментально определенным величинам dλпри нескольких значениях λ, определить размеры частиц золя. Для этого достаточно построить прямую в координатах IgDλ – lgλ; тангенс угла наклона прямой равен коэффициенту α(это легко показать, прологарифмировав основное уравнение: IgDλ = lgK– αlgλ). Далее по калибровочной кривой Геллера для латексов, построенной в координатах α–Z, находят средний диаметр частиц исследуемой системы. Коэффициент α можно определить по методу Теорелла: пользуясь всего двумя светофильтрами, получают два значения Dλдля двух длин волн (желательно, чтобы различие в величинах λ, было возможно большим), а затем, пользуясь соотношением: находят коэффициент α.

• 
  Слайд 7

  Нефелометрия

  Среди универсальных и широко распространенных методов дисперсионного анализа систем, к которым применимо уравнение Рэлея, используются: Турбидиметрия – измерение мутности (по уменьшению интенсивности прошедшего света). Нефелометрия – измерение интенсивности света I, рассеянного под тем или иным углом. В обоих случаях расчет размера частиц по ур-нию Рэлея , как правило, не производится. Чаще оптические свойства исследуемой ДС сопоставляют со свойствами системы с известной концентрацией и размером частиц. Интенсивность света, рассеянного некоторым объемом W коллоидного раствора, пропорциональна произведению (c·W), т. е. общему числу рассеивающих частиц. На этой закономерности основан метод нефелометрии. В приборе нефелометре имеются две кюветы переменного объема W1 и W2. В одну из них помещают раствор с известной концентрацией c в другую—с неизвестной концентрацией сх. Объемы в кюветах W1или W2подгоняются таким образом, чтобы выполнялось равенство:

• 
  Слайд 8
  

  Фурье-спектроскопия(фотон-корреляционная спектроскопия)Метод динамического (квазиупругого лазерного) светорассеяния

• 
  Слайд 9

  Броуновское движение

  Тепловое движение частиц дисперсной фазы было названо броуновским в честь Р. Броуна, английского ботаника. Он первым наблюдал непрерывное, хаотичное движение мелких частиц цветочной пыльцы (затем и спор грибов), взвешенных в воде, в поле оптического микроскопа. Это движение происходит под действием ударов молекул дисперсионной среды, находящихся в состоянии теплового движения. Демонстрация броуновского движения: http://www.aip.org/history/einstein/brownian.htm http://www.youtube.com/watch?v=iB7Eu7U73qg&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=s6EPQJfXpb4&feature=related

• 
  Слайд 10

  Молекулярно-кинетические свойства ДС

  Частицы ультрамикрогетерогенных систем (золей, аэрозолей) участвуют в тепловом движении и подчиняются тем же молекулярно-кинетическим законам, которые действуют в отношении атомов и молекул. Это позволяет экспериментально определять размер, массу и концентрацию частиц дисперсной фазы. Особенность: в силу бóльшей массы, частицы золей движутся существенно медленнее молекул дисперсионной среды. Поэтому и диффузия в ультрамикрогетерогенных системах протекает существенно медленнее, чем в истинных растворах. Диффузией называют самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа в результате теплового движения. Процесс диффузии идет самопроизвольно, т.к. он сопровождается ростом энтропии системы. Равномерное распределение вещества в пределах системы отвечает ее наиболее равновесному состоянию. Количественно скорость диффузии описывается первым законом Фика: Id = D∙dn/dx. Диффузионный поток Id – перенос вещества в направлении х – пропорционален градиенту концентрации. Коэффициент пропорциональности – коэффициент диффузии D (м2/с). А. Эйнштейном было показано, что коэффициент диффузии связан с размерами частиц, участвующих в броуновском движении, уравнением:

• 
  Слайд 11

  Шедевризмы

• 
  Слайд 12

  Уравнение Эйнштейна-Смолуховского

  Траектория движения частиц в броуновском движении представляет собой ломаную линию неопределенной конфигурации. Перемещение частиц фиксируют, например, с помощью микрофотосъемки. Количественной мерой перемещения частицы при броуновском дви жении является величина среднего смещения (или сдвига) частицы Δ за некоторый промежуток времени t . Смещением или сдвигом частицы называют расстояние между проекциями начальной и конечной точек траектории на ось в выбранном направлении. Перемещение частиц может происходить в любом направлении, и его характеризуют среднеквадратичным значением: где n – число смещений (число отрезков ломаной линии); Δi – отдельные проекции смещения частицы на осьх. А. Эйнштейном и М. Смолуховским было показано, что среднее значение квадрата смещения сферической частицы за время t равно

• 
  Слайд 13
  

  где R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура; η – вязкость среды; r – радиус взвешенных частиц; NA – постоянная Авогадро; t, τ – время. Из уравнения Эйнштейна-Смолуховского следует, что величина Δ2 обратно пропорциональна радиусу частицы r . Это означает, что чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения. Смысл к-та диффузии: С увеличением размера частиц прежде всего прекращается поступательное броуновское движение, а затем – вращательное. Кафедра коллоидной химии им. С.С. Воюцкого

• 
  Слайд 14

  Седиментация

  Седиментация (от лат. sedimentum — осадок) — оседание взвешенных в жидкости твердых частиц под действием силы тяжести. На явлении седиментации основан седиментационный анализ — определение величины и относительного содержания частиц различных размеров по скорости оседания. Седиментация широко используется в технике при классификации порошков и для обогащения полезных ископаемых. По результатам опыта строят кривые седиментации и распределения частиц по размерам. Методы седиментации и ультрацентрифугирования применяются для изучения полидисперсности коллоидных систем, обусловленной существованием в коллоидных системах частиц различных размеров.

• 
  Слайд 15
  

  Скорость стационарного оседания частиц не зависит от их природы, а определяется размером частиц, разностью плотностей частиц и среды Δρ = ρ – ρ0и вязкостью среды η. Скорость оседания сферических частиц с радиусом rописывается уравнением Стокса: Измерив скорость оседания частиц v, можно вычислить радиусчастиц. На этом основан седиментационный анализ размеров грубодисперсных частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях ит.п. Размер (радиус) частиц вычисляют по формуле:

• 
  Слайд 16

  Гипсометрический закон Лапласа

  Взвешенные в газовой или жидкой среде частицы находятся под влиянием двух противоположно направленных процессов: Осаждением под действием силы тяжести (седиментации) Диффузионного переноса Т.е., диффузионно-седиментационное равновесие – игра теплового движения и седиментации. На высоте hконцентрация частиц nhрадиусом r описывается гипсометрическим законом (барометрическая формула) Лапласа: При h = 0 концентрация частиц - n0. Уравнения являются математической формулировкой гипсометрического закона Лапласа. Для количественной характеристики кинетической устойчивости часто принимают высоту h1/2, на которой концентрация частиц изменится ровно в два раза, т.е. n1/2= n0/2. В случае эмульсий М/В – не оседание, а всплытие частиц.

• 
  Слайд 17

  Пожалуйста, задавайте вопросы

  Кафедра коллоидной химии