Коллоидные частицы по своим размерам меньше, чем длина полуволны видимого света, и поэтому их нельзя увидеть в обычный оптический микроскоп.
В 1903 г. австрийские ученые Р. Зигмонди и Г. Зидентопф предложили для исследования золей использовать ультрамикроскоп, основанный на наблюдении светорассеяния с помощью обычного микроскопа (рис. 58).
Рис. 58. Схема ультрамикроскопа: 1 – источник света; 2 – линзы;
3– щелевая диафрагма; 4–кювета с исследуемым раствором
При освещении золя сбоку ярким и тонким пучком света рассеянный отдельными коллоидными частицами свет виден в микроскопе как светящиеся точки на темном фоне. Для того, чтобы были отчетливо видны отдельные частицы, необходимо применять очень сильный источник света, например, вольтову дугу.
Золь должен быть достаточно разбавленным, иначе в микроскопе будет видна сплошная светящаяся полоса, а не отдельные точки.
Ультрамикроскоп дает возможность наблюдать частицы только в виде световых точек, поэтому прямыми наблюдениями определить размер и форму частиц нельзя, но можно подсчитать их число в единице объема золя, измерить смещение или сдвиг частицы (∆Х) за время t, наблюдать коагуляцию частиц в виде слияния двух точек.
Размеры коллоидных частиц и их примерную форму можно определить косвенным путем.
Зная объем раствора (V), наблюдаемого в поле ультрамикроскопа, массовую концентрацию частиц (ω) и подсчитанное их число n в объеме V, рассчитывают объем частицы (v) по формуле:
где ρ – плотность дисперсной фазы (плотность самого коллоидного раствора принимают равной плотности дисперсионной среды в виду его сильного разбавления).
Если коллоидная частица по форме приближается к сферической, то независимо от ее положения относительно направления светового потока, интенсивность ее освещения в поле ультрамикроскопа будет постоянной.
Другая картина наблюдается, если частицы имеют значительную асимметрию, например, имеют форму палочек или листочков. В этом случае интенсивность рассеянного света будет минимальной, если направление падающего луча параллельно длинной оси палочки или листа, и максимальной, если направление луча перпендикулярно длинной оси.
Вследствие непрерывного теплового движения частицы изменяют свое положение относительно направления светового потока, соответственно, будет изменяться яркость рассеянного света, направленного в сторону объектива. Это будет проявляться в виде мерцания светящихся точек.
Точные размеры и форму коллоидных частиц можно определить методом электронной микроскопии.
Ультрамикроскоп позволяет наблюдать частицы размером до 3 нм.
Механизм образования и строение коллоидной частицы – мицеллы
Как известно, любая коллоидная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсную фазу составляют коллоидные частицы, называемые иначе мицеллами (от латинского micelle–крошка, крупинка).
Мицелла в стабилизированном лиофобном золе имеет сложное строение. В ней различают две составные части: внутреннюю – электронейтральную, обычно называемую агрегатом или ядром, и внешнюю – ионогенную, в свою очередь, состоящую из двух ионных слоев или сфер. В связи с этим, внешнюю часть называют иначе двойным электрическим слоем (ДЭС).
Ядро или агрегат составляет основную массу мицеллы, имеет, как правило, в твердых частицах кристаллическое строение, и в зависимости от типа кристаллической решетки представляет собой комплекс, состоящий из атомов, разноименно заряженных ионов либо нейтральных молекул. Число их в зависимости от собственных размеров и размеров коллоидной частицы может изменяться в интервале от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч.
Двойной электрический слой мицеллы состоит из адсорбционного и диффузногослоев.
Ионы адсорбционного слоя испытывают со стороны ядра не только электростатические силы притяжения, но и физические силы другой природы, поэтому они прочно удерживаются на его поверхности и граничат со слоем жидкости, смачивающим твердую часть частицы.
Ионы диффузного слоя связываются с ядром только за счет электростатических сил. Они располагаются в прилегающем к нему слое жидкости. Под влиянием теплового движения могут свободно перемещаться в нем, уменьшая концентрацию по мере удаления от ядра.
Существует несколько механизмов образования ДЭС на поверхности коллоидных частиц в золях. Чаще всего его формирование происходит двумя способами: адсорбционным путем и путем поверхностной диссоциации.
Какой из них реализуется в той или иной коллоидной системе, зависит от способа ее получения и стабилизации, а также от природы вещества дисперсной фазы.