Из рис. 1, б видно, что, продолжая отрезок A/B/ линии седиментации до пересечения с осью ординат и проводя из точки пересечения y прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения ее с линией A/A// , мы получим конечную точку A прямой осаждения фракции, состоящей из крупных частиц. Проводя из начала координат линию OB, параллельную линии y B/ , до пересечения с линией B/B// , получим прямую осаждения фракции, состоящей из мелких частиц, с конечной точкой B .

Рис.1 Кривые седиментации монодисперсной (а) и полидисперсных (б, в) систем.

Если ординаты конечных точек A и B прямых осаждения обеих фракций выражают общее количество (по массе) этих фракций, то очевидно, что ордината точки B/ суммарной линии выражает общее количество обеих фракций (100 %) суспендированного вещества. Легко понять, что отрезки Oy и yx дают относительное содержание каждой фракции в процентах от общего количества суспендированного вещества.

Имеются графические и аналитические методы расчета кривой седиментации.

Монодисперсная система - это система, которая состоит из одинаковых по размеру частиц.

Полидисперсная система - это система, частицы которой имеют различные радиусы.

Так как коллоидные частицы под действием силы тяжести не седиментируют, то под действием центрифуги с большим ускорением можно заставить оседать достаточно быстро и коллоидные частицы.

Ультрацентрифугу используют для определения размера частиц.

6. Методы очистки золей: диализ, электродиализ, ультрафильтрация

Диализ. Очищаемый золь, заливают в сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярные примеси. Внешней средой, контактирующей с мембраной, является растворитель. Низкомолекулярные примеси, концентрация которых в золе или макромолекулярном растворе выше, переходят сквозь мембрану во внешнюю среду (диализат). Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими по величине. Если обновлять растворитель, то можно практически полностью избавиться от примесей.

Такое использование диализа целесообразно, когда цель очистки - удаление всех низкомолекулярных веществ, проходящих сквозь мембрану. Однако в ряде случаев задача может оказаться сложнее - необходимо освободиться только от определенной части низкомолекулярных соединений в системе. Тогда в качестве внешней среды применяют раствор тех веществ, которые необходимо сохранить в системе. Именно такая задача ставится при очистке крови от низкомолекулярных шлаков и токсинов (солей, мочевины и т.п.). Если удалять подряд все низкомолекулярные компоненты крови, то начинается разрушение клеток, что, в свою очередь, может привести к гибели организма.

Электродиализ. Очистку от электролитов можно значительно ускорить действием приложенной разности потенциалов (электромиграцией). Такой метод очистки называется электродиализом. Его используют для очистки различных биологических объектов (растворы белков, сыворотка крови и пр.).

Ультрафильтрация. Ультрафильтрация - метод очистки коллоидных систем путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомолекулярными примесями через ультрафильтры. Ультрафильтрами служат мембраны того же типа, что и для диализа. В мешочек из ультрафильтра наливают очищаемый золь или раствор высокомолекулярного вещества. К золю прилагают давление, избыточное по сравнению с атмосферным. Дисперсионную среду обновляют, добавляя к золю чистый растворитель.

Ультрафильтрация используется не только для удаления низкомолекулярных компонентов смеси, но и для концентрирования систем и разделения веществ с различной молекулярной массой. Этим методом очищают сточные воды, отделяют культуральные жидкости от продуктов микробиологического синтеза, концентрируют биологически активные вещества: белки, ферменты, антибиотики и т.д.

В последние годы ультрафильтрация наряду с диализом получила распространение в клинике для обработки крови. Этот метод применяется для выведения из организма токсических веществ и, если это необходимо, для удаления избытка жидкости.

II. Раздел «Оптические свойства коллоидных систем»

1. Оптические свойства коллоидных систем. Опалесценция и флуоресценция

Прохождение света через коллоидную систему вызывает три оптических эффекта: поглощение, отражение и рассеивание лучей. Поглощение свойственно всем системам, тогда как отражение более характерно для грубодисперсных систем (эмульсий и суспензий), где размер частиц больше, чем длина волны облучения. Поэтому, в отличие от молекулярных и ионных растворов, которые не имеют поверхности раздела фаз и оптически однородны, коллоидные растворы рассеивают свет.

Это проявляется опалесценцией в виде голубоватого матового свечения при освещении боковым светом. При пропускании параллельного пучка света через коллоидный раствор наблюдается конус рассеянного света - эффект Тиндаля. По способности рассеивать свет можно определять концентрацию коллоидных частиц в растворе - метод нефелометрии.

Опалесценция (светорассеяние) наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света, проявляющееся в мутности.

Рассеянный свет имеет ту особенность, что он распространяется во всех направлениях. Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна.

С опалесценцией внешне сходна, флуоресценция, характерная для истинных растворов некоторых красителей. Она заключается в том, что раствор при наблюдении в отраженном свете имеет иную окраску, чем в проходящем, и в нем можно видеть такой же конус Тиндаля, что и в типичных коллоидных системах. Однако по существу это совершенно различные явления. Опалесценция возникает в результате рассеяния света, при этом длина волны рассеянного света та же, что и падающего. Флуоресценция же представляет собой внутримолекулярное явление, заключающееся в селективном поглощении молекулой вещества светового луча и в трансформировании его в световой луч с другой, большей длиной волны.

2. Поглощение света дисперсными системами. Зависимость поглощения от концентрации. Закон Бугера-Ламберта-Бера

В 1760г. Ламберт, а еще ранее Бугер установили следующую зависимость между интенсивностью прошедшего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел:

,

где - интенсивность прошедшего света;

- интенсивность падающего света;

- коэффициент поглощения;

- толщина поглощающего света.

Согласно закону Бугера-Ламберта - каждый последующий слой поглощает ту же долю проходящего света, что и предыдущий.

Бер показал, что коэффициент поглощения растворов с абсолютно бесцветным и прозрачным растворителем пропорционален молярной концентрации растворенного вещества: .

Вводя значение молярного коэффициента поглощения в уравнение Бугера-Ламберта, получим закон Бугера-Ламберта-Бера:

,

Закон устанавливает зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя и концентрации растворенного вещества.

Логарифмируя уравнение, получим:

,

где - оптическая плотность раствора ;

- светопропускание раствора.

Если , тогда ,

Если , раствор не адсорбирует света, тогда закон Бугера-Ламберта-Бера имеет вид:

,

т.е. интенсивность прошедшего света будет равна интенсивности падающего.

Молярный коэффициент поглощения зависит от длины волны адсорбирующего света, температуры и природы растворенного вещества и растворителя и не зависит от концентрации раствора.

Закон Бугера-Ламберта-Бера приложим для золей высокой дисперсности, если слой жидкости не слишком толст, а концентрация раствора не слишком большая.

Для металлических золей уравнение светопоглощения должно учитывать дисперсность системы:

,

3. Рассеяние света коллоидными системами. Конус Тиндаля. Закон Релея и его анализ

Тиндаль (1869г.) наблюдал образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор.

Светорассеивание наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света, проявляющиеся в мутности, заметной визуально.

Все коллоидные растворы способны рассеивать свет (опалесцировать). Опалесценция становится особенно заметной, если через раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).

Релей вывел уравнение, связывающее интенсивность падающего света с интенсивностью света, рассеянного единицей объема системы .

,

где - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсной среды;

- численная концентрация;

- объем одной частицы;

- длина световой волны.

Уравнение Релея применимо для частиц, размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны. Для частиц большего размера изменяется обратно пропорционально не четвертой, а меньшей степени .

Когда частицы становятся настолько велики, что их размер значительно превышает , светорассеивание переходит в отражение света, не зависящее от длины световой волны.

Из уравнения Релея можно сделать следующие выводы:

· Для частиц данного размера интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации золя.

· Интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема частицы или для сферических частиц шестой степени их радиуса.

· При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску.

· Опалесценция золей интенсивнее, чем растворов ВМС из-за большей плотности.

· Опалесценция истинных растворов весьма незначительна, т.к. вследствие малого объема частиц выражение в численном уравнение Релея очень велико.

4. Оптические методы исследования: нефелометрия, ультрамикроскопия, турбидиметрия, электронная микроскопия

В нефелометрии измеряется интенсивность света, рассеянного дисперсной системой. Вместо измерения абсолютных значений рассеянного света на практике проводят сравнение интенсивностей лучей, рассеянных стандартным и исследуемым золем. На рис. 2,а приведена схема визуального нефелометра Кляйнмана (нефелометры иногда называют тиндалеметрами). При измерении подниманием или опусканием экранов изменяют высоту осветленной части пробирок с золями, добиваясь одинаковой осветленности в обеих половинах окуляра. При подчинении исследуемой монодисперсной системы уравнению Рэлея для интенсивности рассеянного света можно записать

Рис.2 Схема нефелометра -а Схема турбидиметра - б

а - 1 - зеркала, 2 - кюветы, 3 - призмы, 4 - окуляр.

б - 1 - пробирки с золями, 2 - экраны, 3 -призмы, 4 - окуляр

В турбидиметрии измеряют интенсивность света, прошедшего через стандартную и исследуемую дисперсную систему. Схема визуального турбидиметра приведена на рис. 2,б. Оптическая плотность раствора пропорциональна концентрации и объему частиц дисперсной фазы

D = k?cV .

При одинаковой осветленности поля зрения в окуляре имеем равенство cстандVстанд = cхVх, применение, которого аналогично рассмотренному для нефелометрии.

Ультрамикроскопия и электронная микроскопия.

Коллоидные частицы нельзя наблюдать в обычном микроскопе, так как их размеры меньше разрешающей способности микроскопа. Для средней части видимой области спектра можно достигнуть разрешающей способности не выше, чем 0,2 мкм. Ультрафиолетовый свет, специальная кварцевая оптика и фотографическая регистрация позволяют увеличить разрешающую способность и довести ее до 0,1 мкм, что является верхней границей коллоидной дисперсности. Р. Зидентопф и Р. Зигмонди в 1903 г. предложили так называемый ультрамикроскопический метод исследования коллоидных систем. Они применили сильное боковое освещение наблюдаемого под микроскопом раствора таким образом, чтобы свет не попадал в объектив микроскопа. При этом коллоидные частицы были видны как отдельные светлые точки, что позволяет установить их присутствие в растворе и наблюдать за их движением.

При ультрамикроскопическом наблюдении можно судить о том, в какой степени коллоидные частицы сферически симметричны. Свет, рассеиваемый сферическими частицами, имеет постоянную интенсивность при их движении в растворе. Если частицы не сферичны, а имеют, например, палочкообразную или пластинчатую форму, то при движении они мерцают.

Страницы: 1, 2, 3, 4