Турбидиметрия
Турбидиметрия - метод исследования, основанный на измерении интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему. Интенсивность падающего светового потока ослабляется в результате его рассеяния дисперсной системой. Если принять рассеянный свет за фиктивно поглощенный, то можно получить простое соотношение, аналогичное уравнению Бугера-Ламберта-Бэра (3.4) для поглощения света молекулярными растворами.
Ослабление интенсивности света dI пропорционально интенсивности падающего света Io, проходящего через слой исследуемой системы толщиной dx:
- dI= t Iо dx, (3.12)
где t - коэффициент пропорциональности, характеризующий способность системы рассеивать свет. Его, как уже было сказано, называют мутностью.
В результате интегрирования в пределах от Iо до Iп и соответственно от х = о
до х = - толщины слоя системы получим
ln(Io/Iп) = t или Iп = Io ×e-tI, (3.13)
где In - интенсивность света, прошедшего через систему.
При выводе предполагалось, что изменение интенсивности света происходит, только за счет рассеяния. Поэтому уравнение (3.13) справедливо именно для систем, которые не поглощают света, т.е. для так называемых белых золей. Если золи еще и поглощают свет, то к величине t необходимо прибавить коэффициент поглощения.
Как видно из уравнения (3.13), мутность измеряется в единицах длины в минуc первой степени. Ее можно рассматривать как величину, обратную рассеянию, при котором интенсивность света снижается в е paз, т.е. до 37 % от первоначального значения. Например, для 1 %раствора полимеров это расстояние составляет около 10 м, а для чистых жидкостей - около 1 км.
Согласно уравнению (3.13) мутность связана с оптической плотностью D соотношением
ln(Io/Iп) = t = 2,3 lg(I0/Iп) = 2,3 D. (3.14)
Интенсивность прошедшего света можно представить в виде разности:
Iп = Io – I¢p,
где I'p -интенсивность света, рассеянного образцом толщиной . Разделив это уравнение на Iо и прологарифмировав, получим
-2,3 D= ln[1-(I¢p/Io)]. (3.15)
Принимая во внимание, что I'р «Iо, разлагая в ряд логарифм и пренебрегая бесконечно малыми величинами второго порядка, получаем
2,3 D» I'р/Iо = Ip /Io = t . (3.16)
Из сравнения уравнений (3.16) и (3.14) следует, что мутность выражается отношением интенсивностей рассеянного и падающего света, приходящихся на единицу толщины образца. Это отношение в соответствии с уравнением Рэлея запишем в виде
t = К× с ×J/l4 = К×n ×J2× l4 . (3.17)
Подставляя полученное выражение мутности (3.17) в (3.16), получим
D = K'× с×J /l4 =K nJ2 / l4. (3.18)
При постоянных l и уравнение (3.18) можно записать в виде
D = K¢¢cJ = K¢¢nJ2, (3.19)
где К" -константа, не зависящая от С и J.
Более строгий вывод дает следующее выражение вместо соотношения (3.18):
, (3.20)
где d -диаметр частиц, a -константа, зависящая от природы золя.
Если принять во внимание, что уравнение Рэлея справедливо при условии d £ 0,1 l, то членом d4 в знаменателе уравнения (3.20) можно пренебречь, и оно переходит (3.18).
Из формулы (3.19) следует, что оптические плотности двух золей с одинаковыми размерами частиц относятся как частичные концентрации сравниваемых дисперсных систем, а при одной и той жe объемной концентрации систем оптические плотности относятся как объемы частиц или кубы их диаметров (радиусов):
при J =const D1 /D2 = n1/ n2 = С1/С2, (3.21)
при С =const D1/D2 = J1/J2 = d13 /d23. (3.22)
Если дисперсная система содержит частицы, размер которых больше чем 0,I l, то, помимо увеличения интенсивности рассеяния в направлении падающего света и уменьшения ее в обратном направлении, проявляются отклонения от закона Рауля. Эти отклонения обусловлены другой зависимостью рассеяния света от длины волны и поляризационными явлениями. Они могут быть использованы для оценки размеров частиц.
С увеличением размеров частиц интенсивность рассеяния становится обратно пропорциональной длине волны в степени, меньше четвертой. Поэтому Геллер предложил выразить оптическую плотность и мутность следующими формулами вместо (3.17) и (3.18):
D = K× l-n и t = K¢× l-n, (3.23)
где К и К' - константы, не зависящие от длины волны.
Зависимости lg t (или lg D) от lg l в соответствии с уравнениями (3.23) представляет собой прямую, отрицательный тангенс угла наклона которой равен показателю степени n, то есть 4 для рэлеевского рассеяния и меньше четырех для светорассеяния большими частицами. По градуировочному графику (рис.3.4), построенному предварительно, например, по результатам электронно-микроскопического исследования, экспериментально определив величину n в соответствии с формулами Геллера, можно найти размер частиц.
Рис. 3.4.
Зависимость показателя степени при длине волны в уравнении Геллера от диаметра сферических частиц
Необходимо заметить, что для истинного рассеяния показатель степени n не может быть больше четырёх, при истинном же поглощении значение n может быть значительно больше.
Преимущество турбидиметрического метода исследования состоит в простоте методики измерений. В качестве турбидиметра - прибора для проведения турбидиметрических измерений (рис.3.3 б) - можно использовать широко распространенные фотоэлектроколориметры, предназначенные для определения оптической плотности окрашенных молекулярных растворов. В основу действия большинства фотоэлектроколориметров положен принцип уравнивания двух сравниваемых световых потоков, проходящих через кюветы с исследуемой истандартной системами, с помощью переменной щелевой диафрагмы (рис. 3.5).
Точность турбидиметрического метода небольшая, поскольку интенсивность рассеяния (относительно малая величина) определяется по разности двух больших значений интенсивностей падающего и проходящего света. Применение метода ограничивается золями, отличающимися сравнительно высокой мутностью.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 978 | Нарушение авторских прав
|