Методом турбидиметрии

 

Цель работы: Определение оптическое плотности растворов олеата натрия (С₁₈Н₃₃О₂Na) и вычисление среднего радиуса глобул по уравнению Рэлея.

 

Краткое теоретическое введение

 

Рассеяние света – наиболее характерное для высокодисперсных систем оптическое явление. Теория рассеяния света, разработанная Рэлеем, применима, в частности, к золям диэлектриков, содержащим непроводящие электричество частицы, сферической формы и с радиусом r, много меньшим длины волны света l (r £ l /20).

Под действием электрического поля Е световой волны, в частице диэлектрика возникают индуцированные диполи с дипольным моментом m = a × Е (где a - поляризуемость), которые в свою очередь вследствие колебаний становятся вторичным источником излучения. Это вторичное излучение представляет собой свет, рассеиваемый частицей по всему пространству вокруг неё (то есть во всех направлениях).

Поляризуемость частицы зависит от соотношения между показателями преломления света n ₂ в дисперсной фазе и n ₁ в дисперсионной среде. Она также пропорциональна объёму частицы V, поскольку поляризуемость – это объёмное свойство. Интенсивность рассеяния света пропорциональна квадрату поляризуемости и, таким образом, квадрату объёма частицы V. Амплитуда волны, излучаемой диполем, пропорциональна квадрату частоты колебаний диполя, а интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, интенсивность рассеянного света пропорциональна четвёртой степени частоты колебаний диполей, или, что то же самое, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Таким образом, интенсивность света I _s, рассеянного одной частицей во всех направлениях, описывается уравнением:

, (7.1)

где l - длина волны света, I ₀ –его интенсивность, V – объём частицы, n ₂ и n ₁ – показатели преломления света веществом частицы и дисперсионной среды, соответственно.

Если в единице объёма дисперсной системы содержится n частиц, настолько удалённых друг от друга, что взаимодействие их электрических полей пренебрежимо мало, то полная интенсивность рассеяния света единицей объёма дисперсной системы составляет:

или

. (7.2)

Это уравнение является основой метода определения размеров частиц в растворе олеата натрия в настоящей работе. Разделив обе части этого уравнения на интенсивность падающего света I ₀, получим величину t, называемую коэффициентом мутности или просто мутностью. Её преимуществом является независимость от интенсивности падающего света:

. (7.3)

Проследим зависимость интенсивности рассеянного света I _s и мутности t от параметров, входящих в уравнения (7.2) и (7.3), и величин, которые характеризуют свойства данной коллоидной системы.

1) Величина t (как и интенсивность I _s) возрастает с увеличением разности (n ₂ – n ₁). Это означает, что рассеяние света отсутствует в дисперсной системе, когда показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды равны.

2) На интенсивность рассеяния I _s, как и мутность t, большое влияние оказывает длина волны света l, которая входит в знаменатель уравнения в четвёртой степени. Поэтому при освещении белым светом рассеиваются преимущественно короткие волны – относящиеся к фиолетовой и синей частям спектра. Этим можно объяснить голубую опалесценцию различных коллоидных систем, таких как молоко или табачный дым, при их боковом наблюдении по отношению к проходящему свету. Голубой цвет неба также вызван рассеянием света, которое в данном случае происходит на флуктуациях плотности атмосферы. Наиболее отчетливо синие окрашивание видно утром и вечером, когда источник света (солнце) находится ближе к горизонту и его лучи проходят более толстый слой атмосферы. В проходящем свете, обедненном коротковолновыми тонами, мы наблюдаем оранжево-красный цвет солнечных лучей.

3) Мутность t, как и интенсивность рассеянного света I _s, пропорциональна весовой концентрации дисперсных частиц. Это можно видеть, если учесть, что произведение V × n равно объёмной доле f частиц в золе, а произведение объёмной доли на плотность r вещества дисперсной фазы равно весовой концентрации " C ":

C = V × n × r.

Обозначив

, (7.4)

из уравнения (7.3) получим:

t = K × V×с / r. (7.5)

Следовательно, измерение мутности можно использовать для количественного анализа веществ, образующих коллоидные растворы с частицами постоянного размера.

4) Мутность дисперсной системы тем значительнее, чем крупнее частицы. Учитывая, что объёмная доля f составляет

f = n×М = C / r

из (7.4) получаем

t = K × f × V. (7.6)

В то же время, закон Рэлея выполняется только для сферических частиц с малым радиусом. В видимой части спектра область применимости ограничена условием r < 40 нм.

Пользуясь формулой Рэлея, можно экспериментально определить объём частицы V, а следовательно, и её радиус r:

. (7.7)

Для измерения мутности коллоидных растворов обычно используют нефелометрию или турбидиметрию. Метод нефелометрии основан на измерении интенсивности рассеянного света, тогда как в методе турбидиметрии измеряют ослабление интенсивности света, прошедшего через коллоидный раствор. В настоящей работе используется последний метод.

При прохождении света через дисперсную систему, интенсивность светового потока ослабляется в результате рассеяния во всех направлениях. Ослабление интенсивности d I пропорционально интенсивности проходящего света I и приращению толщины слоя d x (рис. 7.1), причем коэффициентом пропорциональности служит мутность t:

– d I = t × I ×d x. (7.8)

Разделяя переменные и интегрируя уравнение (7.8) в пределах от I ₀ до I _T и от х = 0 до х = L:

получим:

(7.9)

где I _T - интенсивность света, прошедшего в дисперсной системе путь L.

Оптическая плотность раствора по определению равна

. (7.10)

Из уравнений (7.9) и (7.10) следует

t = 2,303 D / L. (7.11)

Воспользовавшись уравнением (7.6), которое следует из уравнения Рэлея (7.2) [см. также уравнения (7.3) и (7.4)] и уравнением (7.11) можно вычислить объём частицы

. (7.12)

Уравнение Рэлея справедливо для разбавленных золей, поскольку оно не учитывает взаимодействия электрических полей частиц и вторичного рассеяния света. Поэтому следует определять величину t для ряда растворов с разной степенью разбавления и экстраполировать величину (t / f) до f = 0. Таким образом, в качестве рабочего уравнения следует принять вместо (7.12)

. (7.12а)

 

Приборы и методы измерений

 

Измерения оптической плотности растворов олеата натрия проводят на фотоэлектроколориметре КФК-2 со светофильтром № 4 с длиной волны в вакууме l _вак = 440 нм.

 

Последовательность выполнения работы

 

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

2. Приготовить растворы олеата натрия путем разбавления 1%-ого раствора. Разбавления проводят следующим образом.

К 20 мл исходного 1%-ого раствора олеата натрия добавляют 20 мл дистиллированной воды; к 20 мл полученного раствора с содержанием 0,5% добавляют 20 мл дистиллированной воды; к 20 мл вновь полученного раствора с содержанием 0,25% добавляют 20 мл дистиллированной воды, при этом получают раствор с содержанием 0,125% олеата натрия.

3. Поставить светофильтр № 4.

4. В кюветодержатель поставить две заполненные кюветы: кювету с дистиллированной водой и кювету с очередным раствором (начиная с меньшей концентрации). Выписать длину L кюветы с исследуемым раствором (она указана на боковом стекле кюветы). Закрыть крышку прибора и с помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с дистиллированной водой находилась против фильтра.

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

6. С помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с раствором находилась против фильтра. Определить оптическую плотность D по нижней шкале прибора.

7. Процентные содержания олеата натрия, измеренные оптические плотности и длину использованной кюветы записать в журнал.

 

Обработка и оформление результатов

 

1. Вычислить весовую концентрацию " С " и объемную долю олеата натрия f для каждого разведения по известному процентному содержанию вещества в растворе и плотности r = 0,79 г/см³.

Например, весовая концентрация раствора с массовой долей 0,5 % растворённого вещества составляет С = 0,5×10^–2 г/см³ и f = С / r.

2. Вычислить значения t = 2,303 D / L, где L – длина кюветы.

3. Вычислить значения t / f и оформить таблицу 7.1.

4. Построить график зависимости t / f = ¦(f) и найти путём экстраполяции.

5. Вычислить коэффициент K по уравнению (7.4), подставив l = l _вак/ n ₁, где n ₁ = 1,333, n ₂ = 1,447, l _вак = 440 нм.

6. Вычислить объём глобулы по уравнению (7.12а)

7. Вычислить средний размер глобул уравнению (7.7).

 

Таблица 7.1

 

% олеата натрия	D	C, г/см3	f	t, м–1	t / f, м–1
0,125
0,25
0,50
1,00

 

Контрольные вопросы

 

1. Оптические свойства дисперсных систем.

2. Уравнение Рэлея и его анализ.

3. Границы применимости уравнения Рэлея.

4. Для определения каких свойств дисперсных систем используют уравнение Рэлея?

5. Объяснить, почему зависимость t / f от f надо экстраполировать к нулевой концентрации.

 

Литература

 

Балакирев А.А., Бабак В.Г., Дехтяренко Н.Г., Иванова И.А., Монисова Р.А. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Часть 2. М: ВЗИПП 1986, Лаб. работа 9.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. М: Агар, 2007.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М: Химия, 1975, Глава 2.

 

Работа № 8

 

---

Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 28; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!