Определение размеров частиц нанодисперсных систем, не подчиняющихся уравнению РелеяЦель работы: Экспериментальное определение размера частиц нанодисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея, с использованием уравнения Геллера. (Работа рассчитана на 3 часа)
Краткое теоретическое введение С увеличением размеров частиц закон Релея перестает соблюдаться и интенсивность рассеянного света становится обратно пропорциональной длине волны в степени, меньшей чем четвертая. В этом случае пользуются либо уравнениями, вытекающими из общей теории светорассеяния, либо эмпирическими соотношениями. В частности, если размер (диаметр) частиц составляет от 1/10 до 1/3 длины световой волны и показатели преломления частиц и среды не сильно различаются, для описания светорассеяния в системе можно воспользоваться следующими эмпирическими уравнениями, предложенными Геллером:
D = kλ -n и τ = k λ -n, (1)
где k и k - константы, не зависящие от длины волны. Зависимости lg D (или lgτ) от lg λ в соответствии с уравнениями (1) представляют собой прямую линию, тангенс угла наклона которой равен показателю степени n с минусом. Значение показателя степени n в этих уравнениях зависит от соотношения между размером частицы и длиной волны падающего света, характеризуемого параметром Z:
Z=8π r/λ (2)
С увеличением Z значение n уменьшается, стремясь в пределе к 2 для частиц, радиус которых больше длины волны. При малых значениях Z соблюдается уравнение Релея и n = 4. Значения n для Z от 2 до 8 приведены в табл.1.
Таблица 1. Показатель степени n в уравнении Геллера в зависимости от параметра Z.
Показатель степени n в уравнениях (1) находят на основе турбидиметрических данных. Для этого экспериментально измеряют оптическую плотность системы при различных длинах волн (в достаточно узком интервале λ) и строят график в координатах lg D - lg λ. Показатель n определяют по тангенсу угла наклона полученной прямой. По значению n находят соответствующее значение параметра Z, а затем по формуле (2) рассчитывают средний радиус частиц исследуемой дисперсной системы. Этот метод, как и уравнение Релея, применим только для «белых» золей, т.е. для неокрашенных дисперсных систем (метод базируется только на светорассеянии). Приборы и методы измерений Измерения оптической плотности золя проводят на спектрофотометре.
Последовательность выполнения работы 1. Включить спектрофотометр в сеть. Прогреть прибор в течение 10-15 минут. 2. Измерить оптическую плотность D золя сульфата бария с помощью спектрофотометра, используя светофильтр №3. В кюветодержатель поставить две заполненные кюветы: кювету с дистиллированной водой и кювету с образцом золя. Закрыть крышку прибора и с помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с дистиллированной водой находилась против фильтра. 3. Поворачивая рукоятку грубой установки вправо (по часовой стрелке) установить стрелку на отметку 100% пропускания (верхняя шкала прибора). 4. С помощью ручки прибора передвинуть кюветодержатель так, чтобы кювета с раствором находилась против фильтра. Определить оптическую плотность D по нижней шкале прибора. Значение оптической плотности золя должно находиться в пределах 0.70-0.95. Провести еще два измерения и данные об оптической плотности D и средней оптической плотности Dср для данного светофильтра занести в таблицу 2. 5. Повторить аналогичные измерения оптической плотности D для светофильтров №4-9. Данные занести в таблицу 2.
Обработка и оформление результатов 1. Найти значения lg λ вак и lg Dс р. Построить график в координатах lg λ вак - lg Dср и определить показатель степени n через тангенс угла наклона прямой. 2. По данным таблицы 1 построить график в координатах Z-n, из которого определить значение параметра Z, соответствующее ранее определенному n.
Таблица 2. Экспериментальные данные для расчета размеров частиц дисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея.
3.Рассчитать среднее значение длин волн λ ср:
4. Полученное среднее значение длин волн λ ср подставить в уравнение (2) и рассчитать значение среднего радиуса частиц r золя сульфата бария.
Контрольные вопросы
1. Для описания светорассеяния каких систем используется уравнение Геллера? 2. Какие золи называют «белыми»? 3. Какой оптический метод определения размеров наночастиц использован в данной работе?
Литература 1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов.-М.: Химия, 1988. 2. Зимон А.Д. Коллоидная химия. М.: Агар, 2007. 3. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии.- Под ред. Ю.Г.Фролова и А.С.Гродского.-М.: Химия, 1986.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
|
