Теория светорассеяния Рэлея - раздел Химия, Предмет коллоидной химии Перед Рассмотрением Основных Положений Теории Рэлея Необходимо Вспомнить, Что...
Перед рассмотрением основных положений теории Рэлея необходимо вспомнить, что собой представляет световая волна и за счет чего происходит рассеяние света.
Световая волна представляет собой переменное электромагнитное поле. При прохождении световой волны через коллоидную систему переменное во времени электромагнитное поле вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи являются вторичными источниками излучения света.
В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями, вследствие интерференции распространяется только в первоначальном направлении. (Интерференция – это сложение в пространстве 2-х или нескольких волн, при котором происходит усиление или ослабление результирующей волны.
Если в среде имеются неоднородности с различными показателями преломления, например, коллоидные частицы, то диполи излучают нескомпенсированное излучение во всех направлениях, т.е. рассеянный свет.
Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света Iр с интенсивностью падающего света I0:
где 
- показатель преломления дисперсной фазы;
- показатель преломления дисперсионной среды;
νч – частичная концентрация;
V – объем частицы;
λ – длина волны света.
Уравнение Рэлея справедливо при условиях:
1. частицы дисперсной фазы имеют сферическую форму;
2. частицы не проводят электрический ток;
3. частицы не поглощают свет, т.е. являются бесцветными;
4. коллоидный раствор разбавлен до такой степени, что расстояние между частицами > λ.
Проанализируем уравнение Рэлея.
1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (
). Если 
, то светорассеяние отсутствует и в неоднородной среде.
2. Интенсивность рассеянного света пропорциональна 1/λ4. Следовательно при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны синей и фиолетовой частей спектра.
Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете – красноватую. Голубой цвет неба обусловлен рассеянием света мельчайшими капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе солнца объясняется тем, что утром и вечером (при расположении солнца вблизи горизонта) наблюдается, главным образом, свет, проходящий через атмосферу.
Зависимость интенсивности рассеянного света от λ имеет практическое значение. Красный цвет выбран сигналом опасности, так как он виден в туманную погоду на большие расстояния вследствие малого рассеяния. Лампы синего цвета применяются для светомаскировки, например, когда необходимо, чтобы они остались незамеченными с самолетов. Синие лучи при прохождении через толстый слой атмосферы, особенно если в ней содержатся частицы пыли ли тумана, полностью рассеиваются.
3. Интенсивность рассеянного света пропорциональна частичной концентрации νч. Установим взаимосвязь между частичной и массовой концентрацией:
,
где ρ – плотность частицы.
Тогда
Подставим в уравнение Рэлея:
Из уравнение следует, что Iр ~ V. Объем сферической частицы равен:
Следовательно, измеряя интенсивность рассеянного света можно определить размер коллоидных частиц. Эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц, когда d < 0,1λ. Для видимой части спектра λ = 400 – 750 нм, тогда размер частиц, который можно определить в области видимого спектра составляет 85 – 40 нм.
Все темы данного раздела:
Сплошной среды и дисперсной фазы
Все дисперсные системы образуют две большие группы – лиофильные и лиофобные.
Лио – жидкость, филио – любить, фобио – отторгать.
1) лиофильные (гидрофильные) системы характе
Поверхностно-активные вещества
Вещества, которые при растворении снижают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение растворите
Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса
Уравнение Гиббса связывает величину адсорбции со способностью растворенного вещества изменять поверхностное натяжение. Выводится из объединенного уравнения I и II законов термодинамики для внутренн
Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра
Экспериментально были получены изотермы адсорбции различных ПАВ. Все они имели одинаковую форму – имелся горизонтальный участок (рис. 11). Для веществ одного гомологического ряда все изотермы в пре
Особенности адсорбции на твердом адсорбенте
Адсорбция происходит на межфазной поверхности газ-твердое тело, жидкость-твердое тело.
В отличие от жидкой твердая поверхность энер
Требования, предъявляемые к адсорбентам
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют углеродные сорбенты (древесный или костный уголь, графитированная термическая сажа ГТС), бентонитовые глины, силикагель, цеолиты и др.
Уг
Основные теории адсорбции на твердых адсорбентах
Все теории разработаны для адсорбции газов и паров твердыми телами, поскольку система твердое тело-газ состоит всего из двух компонентов и поэтому удобна для теоретического рассмотрения явления адс
Уравнение Фрейндлиха
На практике часто для аналитического описания зависимости адсорбции на твердом адсорбенте от концентрации адсорбтива применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Капиллярная конденсация
При давлении, равном давлению насыщенного пара рs, начинается капиллярная конденсация.
Процесс сорбции пар
Ионная адсорбция из растворов
Ионная адсорбция — адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.
Ионная адсорбция является более сложным процессом по сравнен
Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция — это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.
Твердый адсорбент, практически нерастворим
Адгезия и смачивание
Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.
Возможны три случая адгезии:
Двойного электрического слоя
Существует несколько теорий строения ДЭС, наиболее значительные из них
– теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.);
– теория Гуи-Чепмена (1910-1913 г.г.);
– терия Штерна (1924
Строение мицеллы гидрофобного золя
Дисперсная фаза и прилегающий двойной электрический слой составляют мицеллу гидрофобного золя(micella – уменьшительное от лат. mica – крошка, крупица).
Основу мицеллы составляет
Влияние электролитов
По характеру воздействия на потенциал ядра (j0-потенциал) электролиты подразделяют на индифферентные и неиндифферентные.
Индифферентные (безразличные) электролиты не имею
Влияние индифферентных электролитов.
При добавлении к золю индифферентных электролитов потенциал ядра j0 не изменяется, следовательно, общее число противоионов, необходимых для его компенсации, останется прежним, но изменит
Влияние неиндифферентных электролитов.
При введении в золь неиндифферентных электролитов возможны два случая.
1 случай – в золь вводится электролит, содержащий потенциалопределяющий ион (неиндифферентный ион). Второй ион в элек
Электрофорез
Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.
При наложении внешнего электрического поля п
Применение электрофореза.
1. Метод электрофореза широко используется для определения z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.
Потенциал седиментации
Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при движении (седиментации) частиц в неподвижной жидкости.
Рассмотрим коллоидную систему, находящуюся в емкости (например
Электроосмос
Электроосмос – движение дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического п
Потенциал течения
Потенциал течения (протекания) – это явление возникновения разности потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-
Лиофобных золей
Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии
Gпов = sS,
связанным как с большой удельной п
Седиментационная устойчивость
Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).
Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (сред
Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО
Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.
В основе теории ДЛФО лежи
Коллоидных систем
1. Адсорбционно-ионный фактор.
Обусловлен наличием на поверхности частиц двойного электрического слоя и z-потенциала. Чем больше силы отталкивания, тем выше потенциальный барьер, и тем бол
Коагуляция гидрофобных дисперсных систем
Коагуляция – процесс слипания частиц дисперсной фазы с образованием крупных агрегатов.
Коагуляция является следствием нарушения агрегативной устойчивости лиофобных золей. В результа
Концентрационная коагуляция
Концентрационная коагуляция происходит под действием индифферентного электролита, при этом потеря устойчивости вызывается сжатием диффузной части ДЭС при неизменном потенциале ядра (рис. 41)
Нейтрализационная коагуляция
Нейтрализационная коагуляция происходит при добавлении к золю неидифферентного электролита. При этом потенциалобразующие ионы связываются в малорастворимое соединение, что приводит к уменьше
Явление неправильных рядов
Наблюдается при коагуляции золей электролитами, вызывающих нейтрализацию заряда ядра и перезарядку золя. Данное явление заключается в том, что при добавлении таких электролитов золь сначала остаетс
Кинетика коагуляции
Для начала коагуляции необходимо, чтобы частицы преодолели энергетический барьер ΔUк и попали в первый минимум. Для этого необходимо уменьшить силы отталкивания, т.е. снизить
Теория быстрой коагуляции Смолуховского
Основные положения:
1. Частицы монодисперсны и имеют сферическую форму.
2. Частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения.
Константа скорости быстрой коагуляции
1. Теоретическое определение константы скорости быстрой коагуляции.
Скорость быстрой коагуляции определяется только диффузионной стадией.
Константа скорости медленной коагуляции
При медленной коагуляции силы отталкивания еще присутствуют, т.е. 0 < ς < 30 мВ. Чтобы частицы попали в первый минимум (I min), они должны преодолеть потенциальный барьер ΔU
Рассеяние света
Рассеяние света является характерным свойством коллоидных растворов, отличающим их от истинных.
При пропускании светового луча через прозрачную коллоидную систему, то при наблюдении освеща
Поглощение света и окраска золей
Многие коллоидные растворы имеют окраску, что указывает на поглощение ими света. Поглощение света – ослабление светового потока при прохождении его сквозь среду.
Для истинных растворов пог
Оптические методы исследования коллоидных растворов
На явлении рассеяния света коллоидными частицами основан ряд важнейших методов их исследования.
Ультрамикроскопия.
При использовании видимого света обычный микроскоп позво
Броуновское движение
Броуновским движением называют хаотическое равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе за счет воздействия молекул дисперсионной среды.
Диффузия
Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.
В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперс
Особенности строения полимеров
В макромолекулах ВМС имеется два типа связей:
– химические связи, соединяющие атомы в полимерной цепи, очень прочные;
– межмолекулярные связи, возникающие за счет сил Ван-дер-Ваал
Набухание ВМС
При контакте полимера с растворителями происходит его набухание.
Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, со
Термодинамика набухания
Процесс набухания идёт самопроизвольно, т.е при р, Т = const
ΔG < 0,
ΔG = ΔH – TΔS. (7.1)
На перво
Факторы, влияющие на набухание
1. Природа ВМС и растворителя (неполярные полимеры хорошо набухают и растворяются в неполярных растворителях, полярные – в полярных).
2. Время жизни ВМС: чем старше полимер, тем хуже он на
Свойства растворов ВМС
Растворение ВМС является самопроизвольным процессом и приводит к уменьшению свободной энергии системы. Поэтому растворы ВМС являются термодинамически устойчивыми и не требуют присутствия стабилизат
Коллоидные ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ
Коллоидными ПАВ называют поверхностно-активные вещества, способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул ПАВ (от 20 до 100).
Способност
Применение коллоидных ПАВ
1. Пищевая промышленность.
Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет уд
Устойчивость пен
Пены, как и другие дисперсные системы, термодинамически неустойчивы. Их образование сопровождается повышением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает самопроизвольные процессы, которые ведут
Методы разрушения пен
Некоторые технологические процессы, особенно в химической, текстильной и пищевой промышленности, сопровождаются нежелательным пенообразованием. В ряде случаев образование пены может вызвать серьезн
Практическое применение пен
Пенообразование используют во многих отраслях народного хозяйства – в производстве строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластичных масс (пенопласты), при обогащении
Золи и суспензии
Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – Т/Ж, которые различаются размерами и концентрацией дисперсной фазы. Наряд
Основные свойства и устойчивость порошков
К основным технологическим свойствам порошков относят:
1) сыпучесть;
2) слеживаемость в процессе хранения, комкование порошков (аутогезия);
3) уплотняемость – изменение о
Практическое применение порошков
Порошкообразные материалы находят широкое применение в промышленности. В любой отрасли промышленности в той или иной степени используются многочисленные порошкообразные материалы: строительные мате
Типы структур в дисперсных системах
Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого тип
Студни и студнеобразование
Структурированию растворов ВМС способствует анизометричность макромолекул и наличие в полимерных цепочках чередующихся полярных и неполярных фрагментов. В растворах полимеров возможно образование к
Новости и инфо для студентов