В лабораторной работе №4 рассматриваются свойства дисперсных систем.
Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Кристаллы чистых веществ – сахара или поваренной соли, например, можно получить разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещество внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.
В природе чаще всего встречаются смеси различных веществ. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Такие системы мы будем называть дисперсными.
Дисперсной называется система, состоящая из двух или более веществ, причем одно из них в виде очень маленьких частиц равномерно распределено в объеме другого.
То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой.
Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называются гетерогенными (неоднородными). И дисперсную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсной среды и дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем:
| Дисперсионная среда | Дисперсиоонная фаза | Примеры дисперсных систем |
|---|---|---|
| Газ | Газ | Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ) |
| Газ | Жидкость | Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе), аэрозоли |
| Газ | Твердое вещество | Пыли в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури), аэрозоли |
| Жидкость | Газ | Шипучие напитки, пены |
| Жидкость | Жидкость | Эмульсии. Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма) |
| Жидкость | Твердое вещество | Золи, гели, пасты (кисели, студни, клеи). Речной и морской ил, взвешенные в воде; строительные растворы |
| Твердое вещество | Газ | Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки |
| Твердое вещество | Жидкость | Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т. д.) |
| Твердое вещество | Твердое вещество | Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы |
По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делятся на:
Коллоидные системы — это дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 100 нм, распределены в дисперсионной среде, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию.
Если на коллоидный раствор направить луч света, например, лазерной указки, то сбоку можно наблюдать освещенный конус (конус Тиндаля).
При прохождении света через дисперсную систему в зависимости от природы и размера частиц дисперсной фазы можно наблюдать:
В случае истинных растворов, где растворенное вещество присутствует исключительно в виде молекул или ионов, можно наблюдать лишь поглощение света, связанное с изменением электронного состояния растворенных частиц, и если они поглощают излучение из видимой области спектра, то раствор будет окрашен.
Для коллоидных систем эффект поглощения имеет место, если дисперсная фаза состоит из окрашенных частиц. Если же коллоидный раствор не поглощает в видимой области спектра, то его называют белым золем, а проявление эффектов отражения и рассеяния зависит от соотношения между длиной волны падающего излучения $λ$ и размерами частиц дисперсной фазы $r$, где $r$ – эффективный радиус частицы:
Рассеяние – это превращение части падающего света во вторичное излучение за счет упругого взаимодействия падающего излучения с коллоидной частицей, при этом во вторичном излучении сохраняется исходное значение длины волны $λ$, но изменяется направление распространения световой волны. Рассеяние приводит к тому, что луч света в дисперсных системах становится видимым и это проявляется в так называемом эффекте Тиндаля.
Интенсивность рассеянного света зависит от длины падающего излучения, размера, формы и концентрации рассеивающих частиц, оптических свойств дисперсионной среды и дисперсной фазы. В 1871 г. Релеем была предложена теория упругого рассеяния света, которая установила взаимосвязь между указанными переменными. Используя эту взаимосвязь, можно достаточно просто оценить размеры коллоидных частиц в опытах по рассеиванию света белыми золями, где мерой светорассеяния является мутность дисперсной системы $τ$, которую в свою очередь рассчитывают по величине измеряемой в опыте оптической плотности А коллоидного раствора (турбодиметрия).
Величина мутности $τ$ задает долю интенсивности общего светового потока, рассеянного по всем направлениям единицей объема (1 $см^3$) белого золя $I_{расс}$, относительно интенсивности падающего монохроматического излучения $I_0$ с данной длиной волны: $\tau = \frac{I_{расс}}{I_0}.$
Отношение $τ$ было рассчитано Релеем для разбавленного белого золя со сферическими частицами, радиус которых должен быть гораздо меньше длины волны, т.е. если в опыте использовать монохроматическое излучение из видимой области спектра с длинами волн от 400 до 780 нм, то радиус определяемых частиц не должен превышать 40 - 50 нм: $$ \tau = 24\pi^3(\frac{n_1^2 - n_0^2}{n_1^2 + 2n_0^2})^2\frac{vV^2}{\lambda^4}, $$ где $n_1$ и $n_0$ - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсной среды соответственно; $v$ - концентрация частиц дисперсной фазы; $V$ – объем коллоидной частицы; $\lambda$ - длина световой волны в данной дисперсионной среде.
Теория рассеяния света дисперсными системами, разработанная Рэлеем, показывает, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны падающего света в четвертой степени, т.е. коротковолновое излучение рассеивается более интенсивно, чем длинноволновое. Красный свет имеет наибольшую в видимой области спектра длину волны (620 - 760 нм) и рассеивается в меньшей степени, поэтому запрещающие сигналы светофоров и других регулирующих устройств имеют красный цвет – он виден на больших расстояниях. Наоборот, сине-фиолетовый свет (380-450 нм) интенсивно рассеивается аэрозольными частицами воздуха и может быть использован для светомаскировки. Голубой цвет чистого неба обеспечивают рассеянные на неоднородностях атмосферы синефиолетовые лучи от находящегося в зените Солнца, а красновато-оранжевую окраску неба во время закатов и рассветов – прошедшие сквозь толщу атмосферы прямые лучи от Солнца, находящегося на линии горизонта.
Броуновское движение — беспорядочное, хаотичное движение коллоидно- и микроскопически-дисперсных частиц. Броуновское движение дисперсных частиц происходит вследствие непрерывного колебательного движения молекул дисперсионной среды. Интенсивность движения тем выше, чем больше температура, меньше вязкость среды и выше степень дисперсности
Проблема устойчивости дисперсных систем — одна из основных в коллоидной химии. Это связано с тем, что большинство коллоидных растворов термодинамически неустойчиво, и частицы дисперсной фазы в них имеют тенденцию к агрегации. В то же время скорость агрегации многих дисперсных систем мала, в этом случае коллоидный раствор не претерпевает изменений в течение длительного времени, и его можно считать кинетически устойчивым (метастабильным). В неустойчивых системах происходит коагуляция, ведущая к образованию более крупных частиц.
Устойчивость коллоидных растворов изменяется в очень широких пределах — продолжительность их существования составляет от долей секунды до сотен лет. Она зависит от многих факторов: размера и концентрации частиц вещества, температуры, присутствия электролитов.
Внешне флуоресценция и опалесценция схожи. Однако, флуоресценцию вызывает свет строго определенной длины волны, характерной только для данного вещества, а опалесценция не связана жестко с длиной волны.
На практике их можно различать по следующиму признаку. Флуоресценция чаще всего вызывается наиболее короткой невидимой частью спектра. Поэтому, если на пути белого света, вызывающего флуоресценцию в некоторой системе поставить красный светофильтр, флуоресценция исчезнет, а опалесценция останется.