Сравните интенсивности светорассеяния высокодисперсного полистирола, освещенного монохроматическим светом с длиной волны 680 нм, а затем с длиной волны 420 нм.

7. Оптические свойства дисперсных систем

7.1 Нефелометрия и турбидиметрия

Явления, связанные с рассеянием света, широко используется для установления формы и размеров частиц. Аналитический метод определения концентрации частиц, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, называется нефелометрией.
Схема нефелометрии представлена на рис. 10.2. В одну из его кювет наливают эталонный раствор, в другую
· испытуемый. Интенсивность света, рассеиваемого суспензиями или золями в обеих кюветах, можно уравнять, подобрав соответствующую высоту h кюветы с испытуемым раствором. Отношение высот двух кювет обратно пропорционально отношению концентраций содержащихся в них частиц дисперсной фазы.
Обычно объемная концентрация дисперсной фазы известна или легко определяется. Зная концентрацию или размер частиц в стандартной системе, можно рассчитать соответственно размер частиц или их концентрацию в исследуемой дисперсной системе.
Массовую концентрацию золя или его дисперсность определяют следующим образом. Кюветы с золями освещают равномерно падающим светом и меняя высоту освещенной части золей h1 и h2, добиваются равенства интенсивности света, рассеянного обоими золями.
В некоторых случаях предпочитают сравнивать интенсивность не рассеянного света, а интенсивности световых потоков, проходящих через рассеивающую среду. Этот метод анализа называется турбидиметрией. Таким образом, турбидиметрия основана на измерении интенсивности проходящего света через дисперсную систему света. Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным, и поэтому можно принять, что закономерности рассеяния света, подчиняются уравнению Бугера-Ламберта-Беера.

7.2 Примеры решения задач

Пример 1. В дисперсной системе со средним радиусом частиц 1
·10(7 см высота столба в нефелометре составляет 5,8 см, тогда как в исследуемом золе того же состава и равной концентрации частиц одинаковая освещенность поля в нефелометре достигается при высоте столба равной 3,4 см. Определить средний радиус частиц в этом золе.
Решение.
Используя уравнение (2.19) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], вычисляем средний радиус частиц золя: r = rст[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](= 1
·10(7([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](= 1,34
·10(7 см.


Пример 2. Оптическая плотность стандартной суспензии с концентрацией частиц 20 г/м3 равна 0,34, а исследуемого коллоидного раствора 0,28. Определить концентрацию частиц этого раствора.

Решение. Оптическая плотность золя равна
D = lg I0/I = 2,303
·
·Cм
·l,
где
·
· молярный коэффициент поглощения;
См
· молярная концентрация золя,
l
· толщина слоя золя (длина кюветы).
Для стандартной суспензии Dcт = lg I0/Iст = 2,303
·
·Cм ст
·l
Для исследуемого коллоидного раствора Dх = lg I0/Iх = 2,303
·
·Cм х
·l
Молярная концентрация См = С/М,
где С
· массовая концентрация золя, г/л;
М
· молярная масса золя, г/моль.
Dх/ Dcт = Cм ст / Cм х = Сст/Сх;
Сх = Сст
· Dх / Dcт (= 20
· 0,28 / 0,34 = 16,47 г/м3.

Пример 3. Определите экстинкцию куска хлеба толщиной 12мм, если длина волны падающего света равна 0,6 мкм. Коэффициент поглощения в данных условиях составляет 270 м
·1.

Решение.
D = lg I0/I = 2,303
·
·C
·l
Э = D = lgI0/I =
·
·C
·l / 2,303 = 270
·12
·10-3 / 2,303 = 1,41.


8.2 Задачи для самостоятельного решения

Сравните интенсивность светорассеяния эмульсии санорина в красном ((1 = 700 нм) и в синем свете ((2 = 436 нм). Сделайте вывод о том, какой свет лучше применять при нефелометрии.

Как изменится интенсивность рассеянного света, если фруктовый сок, являющийся дисперсной системой, подвергнуть воздействию света длиной волны
·1 = 430 и
·2 = 680 нм?

Покажите, в каком случае и во сколько раз интенсивность рассеянного дисперсной системой света больше: при освещении синим светом
·1 = 410 нм или красным светом
·2 = 630 нм. Светорассеяние происходит в соответствии с законом Релея и интенсивности падающих монохроматических пучков равны.

В процессе переработки диффузного сока (промежуточного продукта производства сахара) размер частиц увеличивается. Как изменится интенсивность рассеянного света при увеличении размера частиц с 20 до 80 нм, если концентрация и плотность материала частиц, а также интенсивность падающего света остались постоянными?

Сравните интенсивности рассеяния света золями с радиусом частиц 15 и 75 нм. В каком случае и насколько интенсивность рассеяния света будет больше?

Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабления светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса по результатам измерения оптической плотности D в кювете длиной 5,0 см при длине волны света
·:
Варианты
1
2
3
4

Концентрация латекса, г/л
0,2
0,5
0,4
0,8


·, нм
400
440
490
540

D
0,347
0,402
0,552
0,203






Плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и 1,653, показатель преломления воды 1,333.

Сравните интенсивности светорассеяния высокодисперсного полистирола, освещенного монохроматическим светом с длиной волны 680 нм, а затем с длиной волны 420 нм.

Используя уравнение Рэлея, сравните интенсивности рассеяния двух эмульсий с равными радиусами частиц и концентрациями: бензола в воде (показатель преломления n = 1,50) в воде и n-пентана (n =1,36) в воде. Показатель преломления воды n0 = 1,33.

Сравните интенсивности рассеяния эмульсий бензина (показатель преломления n =1,38) в воде и тетралина (n = 1,54) в воде при 293К. Показатель преломления воды n0 = 1,33. Размер частиц и концентрации эмульсий одинаковы

Сравните интенсивности светорассеяния эмульсий гексана (показатель преломления n = 1,375) в воде фенола (n =1,54) в воде при 318 К. Показатель преломления воды n0 = 1,33. Размер частиц и концентрации эмульсий одинаковы.

Получены следующие значения интенсивности проходящего светового излучения I через слой золя мастики различных концентраций С и толщины l:

Концентрация С, % мас.
0,1
0,4
0,8

Толщина слоя l
·102, м
5,0
2,5
2,5

Доля прошедшего излучения, %
30,0
9,0
1,3


Проверьте применимость закона Бугера – Ламберта – Бера к золю мастики, вычислив коэффициент поглощения для каждой концентрации золя мастики.


Получены следующие значения интенсивности проходящего светового излучения I (
· = 0,6 мкм) через слой золя мастики различных концентраций С и толщины l:

Концентрация С, % мас.
0,1
0,2
0,6

Толщина слоя l
·102, м
5,0
2,5
2,5

Доля прошедшего излучения, %
65,8
63,9
27,0


Проверьте применимость закона Бугера – Ламберта – Бера к золю мастики, вычислив коэффициент поглощения для каждой концентрации золя мастики.


Для проверки применимости закона Бугера – Ламберта – Бера (при
· = 0,47 мкм) вычислите коэффициент поглощения для каждой концентрации золя мастики по следующим данным:

Концентрация С, % мас.
0,1
0,4
0,8

Толщина слоя l
·102, м
5,0
2,5
2,5

Доля прошедшего излучения, %
77,0
59,1
37,0


Получены следующие значения интенсивности проходящего светового излучения I (
· = 0,47 мкм) через коллоидные растворы гидроксида железа различных концентраций С и толщины l :

Концентрация С, % мас.
0,02
0,08
0,10

Толщина слоя l
·102, м
5,0
2,5
2,5

Доля прошедшего излучения, %
32,5
10,9
5,9


Проверьте применимость закона Бугера – Ламберта – Бера к золю мастики, вычислив коэффициент поглощения для каждой концентрации золя гидроксида железа.


Получены следующие значения интенсивности проходящего светового излучения I (
· = 0,50 мкм) через коллоидные растворы гидроксида железа различных концентраций С и толщины l :

Концентрация С, % мас.
0,08
0,10
0,20

Толщина слоя l
·102, м
5,0
2,5
2,5

Доля прошедшего излучения, %
18,6
11,8
1,7


Проверьте применимость закона Бугера – Ламберта – Бера к золю мастики, вычислив коэффициент поглощения для каждой концентрации золя гидроксида железа.

С помощью нефелометра сравнивались мутности двух гидрозолей мастики разных концентраций. Получены следующие экспериментальные данные: мутности определяемого и стандартного золей стали одинаковыми при высоте освещенной части первого золя h1 = 5
·10-3 м и высоте второго золя h2 = 19,0
·10-3 м. Средний радиус частиц стандартного золя 120 нм. Определите радиус частиц второго золя.

Рассчитайте средний радиус частиц гидрозоля латекса полистирола, пользуясь данными, полученными с помощью нефелометра: высота освещенной части стандартного золя h1 = 8
·10-3 м, средний радиус частиц r1= 88 нм, высота освещенной части неизвестного золя h2 = 18
·10-3 м. Концентрации стандартного и неизвестного золя одинаковы.

С помощью нефелометра стандартный золь йодида серебра концентрации 0,245% (об.) сравнивали с золем йодида серебра неизвестной концентрации. Получены следующие данные: высота столба в нефелометре для стандартного золя равна 5,0 см, для исследуемого золя
· 10,0 см. Определите концентрацию исследуемого золя йодида серебра.

С помощью нефелометра сравнивались мутности двух гидрозолей – стандартного и исследуемого. Мутности стали одинаковыми при высоте освещенной части стандартного золя 0,5 см, исследуемого золя – 1,9 см. Средний радиус частиц стандартного золя 120(10
·9м. Рассчитайте радиус частиц второго золя.

Постройте калибровочную кривую Геллера в координатах
· = f(dч) по следующим данным для частиц полистирольного латекса (
·
· характеристика дисперсности).
dч, нм
77,0
88,0
95,0
106,7
111,0
119,0


·
3,92
3,64
3,54
3,39
3,23
3,04

dч, нм
132,0
139,0
143,0
158,0
167,0
189,0


·
2,82
2,72
2,66
2,45
2,36
2,14





Используя экспериментальные данные, приведенные в таблице, определите средний диаметр частиц полистирольного латекса.


п/п
Оптическая плотность при длине волны
·, нм


415
485
527
685

1
0,195
0,127
0,099
0,048

2
0,474
0,329
0,259
0,133

3
0,324
0,215
0,160
0,084

4
0,189
0,129
0,104
0,050


Оптические свойства дисперсных систем
Примеры решения задач


1 Применение уравнения Рэлея

Пример 1. Поток света с длиной волны
· = 528нм, проходя через эмульсию CCl4 в воде толщиной слоя l = 5 см, ослабляется в результате светорассеяния в два раза. Рассчитайте радиус частиц дисперсной фазы, если её объемное содержание Cv = 0,8%, показатель преломления CCl4 n1 = 1,460, воды n0 = 1,333. Свет рассеивается в соответствии с уравнением Рэлея и ослабляется по закону Бугера-Ламберта-Бера.


Нефелометрия и турбидиметрия

Явления, связанные с рассеянием света, широко используется для установления формы и размеров частиц. Аналитический метод определения концентрации частиц, основанный на измерении интенсивности рассеянного света, называется нефелометрией.
Схема нефелометрии представлена на рис. 10.2. В одну из его кювет наливают эталонный раствор, в другую
· испытуемый. Интенсивность света, рассеиваемого суспензиями или золями в обеих кюветах, можно уравнять, подобрав соответствующую высоту h кюветы с испытуемым раствором. Отношение высот двух кювет обратно пропорционально отношению концентраций содержащихся в них частиц дисперсной фазы.
Обычно объемная концентрация дисперсной фазы известна или легко определяется. Зная концентрацию или размер частиц в стандартной системе, можно рассчитать соответственно размер частиц или их концентрацию в исследуемой дисперсной системе.
Массовую концентрацию золя или его дисперсность определяют следующим образом. Кюветы с золями освещают равномерно падающим светом и меняя высоту освещенной части золей h1 и h2, добиваются равенства интенсивности света, рассеянного обоими золями.
В некоторых случаях предпочитают сравнивать интенсивность не рассеянного света, а интенсивности световых потоков, проходящих через рассеивающую среду. Этот метод анализа называется турбидиметрией. Таким образом, турбидиметрия основана на измерении интенсивности проходящего света через дисперсную систему света. Рассеянный свет можно считать фиктивно поглощенным, и поэтому можно принять, что закономерности рассеяния света, подчиняются уравнению Бугера-Ламберта-Беера.
Пример 2. В дисперсной системе со средним радиусом частиц 1
·10(7 см высота столба в нефелометре составляет 5,8 см, тогда как в исследуемом золе того же состава и равной концентрации частиц одинаковая освещенность поля в нефелометре достигается при высоте столба равной 3,4 см. Определить средний радиус частиц в этом золе.
Решение.
Используя уравнение (2.19) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], вычисляем средний радиус частиц золя: r = rст[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](= 1
·10(7([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](= 1,34
·10(7 см.
Пример 5. Оптическая плотность стандартной суспензии с концентрацией частиц 20 г/м3 равна 0,34, а испытываемого коллоидного раствора 0,28. Определить концентрацию частиц этого раствора.
Решение. Из уравнения (2.22)
С( =  20[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] = 16,47 г/м3.
Пример 6. Определите экстинкцию куска хлеба толщиной 12мм, если длина волны падающего света равна 0,6 мкм. Коэффициент поглощения в данных условиях составляет 270 м
·1.
ln I0/I = D =
·
·C
·l
Э = D = lgI0/I =
·
·C
·l / 2,303 = 270
·12
·10-3 / 2,303 = 1,41.


Задачи для самостоятельного решения

1. Как изменится интенсивность рассеянного света, если фруктовый сок, являющийся дисперсной системой, подвергнуть воздействию света длиной волны
·1 = 430 и
·2 = 680 нм?

Сравните интенсивность светорассеяния эмульсии санорина в красном (( = 700 нм) и в синем свете (( = 436 нм). Сделайте вывод о том, какой свет лучше применять при нефелометрии

В процессе переработки диффузного сока (промежуточного продукта производства сахара) размер частиц увеличивается. Как изменится интенсивность рассеянного света при увеличении размера частиц с 20 до 80 нм, если концентрация и плотность материала частиц, а также интенсивность падающего света остались постоянными?

2. Используя закономерности светорассеяния в соответствии с теорией Рэлея и ослабления светового потока в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте радиус частиц дивинилстирольного латекса по результатам измерения оптической плотности D в кювете длиной 5,0 см при длине волны света
·:
Варианты
I
II
III
IV

Концентрация латекса, г/л
0,2
0,5
0,4
0,8


·, нм
400
440
490
540

D
0,347
0,402
0,552
0,203






Плотность и показатель преломления дисперсной фазы равны 0,945 г/см3 и1,653, показатель преломления воды 1,333.

3. Сравните интенсивности светорассеяния высокодисперсного полистирола, освещенного монохроматическим светом с длиной волны 680 нм, а затем с длиной волны 420 нм.

4. Используя уравнение Рэлея, сравните интенсивности рассеяния двух эмульсий с равными радиусами частиц и концентрациями: бензола в воде (показатель преломления n = 1,50) и n-пентана в воде (n =1,36). Показатель преломления воды n0 = 1,33.

5. Сравните интенсивности рассеяния эмульсий бензина в воде (показатель преломления n =1,38) и тетралина в воде (n =1,54) при 293К. Показатель преломления воды n0 = 1,33. Размер частиц и концентрации эмульсий одинаковы.

6. С помощью нефелометра сравнивались мутности двух гидрозолей мастики разных концентраций. Получены следующие экспериментальные данные: мутности определяемого и стандартного золей стали одинаковыми при высоте освещенной части первого золя h1 = 5
·10-3 м и высоте второго золя h2 = 19,0
·10-3 м. Средний радиус частиц стандартного золя 120 нм. Определите радиус частиц второго золя.

7. Рассчитайте средний радиус частиц гидрозоля латекса полистирола, пользуясь данными. Полученными с помощью нефелометра: высота освещенной части стандартного золя h1 = 8
·10-3 м, средний радиус частиц r = 88нм, высота освещенной части неизвестного золя h2 = 18
·10-3 м. Концентрации стандартного и неизвестного золя одинаковы.

8. С помощью нефелометра стандартный золь йодида серебра концентрации 0,245% (об.) сравнивали с золем йодида серебра неизвестной концентрации. Получены следующие данные: высота столба в нефелометре для стандартного золя равна 5,0см, для исследуемого золя
· 10,0 см. Определите концентрацию исследуемого золя йодида серебра.

9. С помощью нефелометра сравнивались мутности двух гидрозолей – стандартного и исследуемого. Мутности стали одинаковыми при высоте освещенной части стандартного золя 5(10
·3 м, исследуемого золя – 19(10
·3 м. Средний радиус частиц стандартного золя 120(10
·9м. Рассчитайте радиус частиц второго золя.

10. Определите коэффициент поглощения, если поток света при прохождении слоя дисперсной системы толщиной 3,1см, ослабляется в 2,7 раза.

11. Вычислите среднее значение молярного коэффициента поглощения при прохождении света (длина волны 470нм) через слой коллоидного раствора гидроксида железа различной концентрации при разной толщине слоя l. Данные опытов приведены ниже:

Концентрация С, % 0,10 0,05 0,04 0,02
Толщина слоя l
·10-3,м 2,5 2,5 5,0 5,0
% прошедшего света I 5,9 10,9 11,0 32,5



Приложенные файлы

  • doc 3308981
    Размер файла: 299 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий