5.3. Дисперсті жүйелерді зерттеудің оптикалық әдістері
Беттік қабаттардың құрамын зерттеу үшін, беттегі функционал топтарды, атомаралық және молекулаларалық байланыстарды анықтау үшін дәстүрлі оптикалық әдістер кеңінен қолданылады, олар: спектроскопия (инфрақызыл, ультракүлгін), рентгенография, электронография және басқалары. Қатты беттерді зерттеу үшін соңғы жылдары масс-спектрометрия, өрістік иондық микроскопия және т.б. қолданылып, бұл әдістерді вакуумда жүргізеді.
Сұйық-газ шекарасын зерттеу әдістері аз, себебі вакуумда сұйық күйді сақтап қалуға мүмкіндік жоқ. Сұйық беттердегі адсорбциялық қабаттар мен пленкаларды зерттеу үшін толық ішкі көп есе шағылысу әдісін қолданады. Ішкі шағылысу спектрлері адсорбция шамасын, қабаттың қалыңдығы мен анизотропиясын және олардың өзгеру заңдылықтарын анықтауға мүмкіндік туғызады.
Дисперсті жүйелерді зерттеудің оптикалық әдістерінің негізінде жарықтың шашырауы жатыр. Мұндай оптикалық әдістер дисперстік фазаның концентрациясын, өлшемін, пішінін және құрылымын анықтау үшін кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, мұндай әдістер жылдам өтетін процестер туралы ақпарат алу үшін үлгіні бөліп алуды және химиялық талдауды талап етпейді.
Нефелометрия және турбидиметрия.
Нефелометрия (грек тілінен «нефо» - «бұлт») Релей теңдеуіне негізделеді. Релей теңдеуінен
(5.5)
(5.5)-қатынас шашырау қарқындылығы бойынша дисперстік жүйелердің концентрациясын және бөлшектердің өлшемдерін анықтауға мүмкіндік береді. Іш абсолюттік мәнін анықтау қиын, сондықтан нефелометрияның салыстырмалы әдістері кең қолданылады.
Нефелометр (-сурет) деп аталатын арнайы қондырғыларда стандартық (1) және зерттелетін (2) ерітінділердегі жарықтың шашырау қарқындылықтары салыстырылады. Егер зерттеліп отырған және стандарттық жүйелердегі бөлшектер өлшемдері бірдей, ал концентрациялары әртүрлі болса, шашырау қарқындылықтары да әртүрлі болады. Ерітінділердегі жарықтың шашырау қарқындылықтары теңескенш, (4) экрандарын жылжытып отырады. Бұл жағдайда Релей теңдеуі бойынша, стандарттық ерітінді үшін
(5.6)
зерттелетін ерітінді үшін
(5.7)
мұндағы h1 және h2 – кюветалардағы жарық түскен бөліктердің биіктіктері.
(5.6)- және (5.7)-теңдеулері бойынша, стандарттық және зертелетін ерітінділер концентрациялары жарық түскен бөліктердің биіктіктеріне кері пропорционал, яғни осыдан зерттелетін ерітіндінің концентрациясы осыдан зерттелетін ерітіндінің концентрациясы оңай табылады:
, яғни . (5.8)
Егер бөлшектердің өлшемдерін табу керек болса, онда стандарттық және зертелетін ерітінділердің бірдей концентрацияларын алып, бөлшек көлемін анықтайды:
, яғни . (5.9)
Бөлшектердің формасын сфералық деп алып, олардың радиусын есептейді.
Бөлшектердің өлшемдерін анықтау үшін дисперсті жүйелердегі жарық шашырауының қарқындылығын өлшеумен (нефелометриямен) қатар, өткен жарықтың қарқындылығын азайту қабілеттілігін өлшеу, яғни турбидиметрия әдісін қолдануға болады. Мұндай өлшеулерді жүйенің лайлығын (оптикалық тығыздығын) анықтауға мүмкіндік беретін қарапайым спектрофотометрлердің көмегімен жүргізуге болады.
Турбидиметрия тәсілі зерттелетін жүйенің оптикалық тығыздығын өлшеуге негізделеді. Жарықты жұтпайтын («ақ») зольдер шашырамаған жарықты фиктивті жұтылған деп алып, Бугер-Ламберт-Бер теңдеуін қолдануға болады:
, (5.10)
мұндағы D – оптикалық тығыздық; In – жүйеден өткен жарықтың қарқындылығы; l – золь қабатының қалыңдығы.
Оптикалық тығыздықты өлшеу нәтижелері бойынша (5.10)-теңдеу арқылы жүйенің лайлығын, одан кейін (5.2)-теңдеуінен бөлшектердің өлшемін табуға болады.
Егер сфералық бөлшектердің диаметрі түскен жарық ұзындығының 1/20 бөлігін құрайтын болса және олар электрлікті өткізбесе, тек сол кезде ғана Рэлей теңдеуін бөлшектердің өлшемдерін есептеу үшін қолдануға болады. Полярланбаған жарық үшін (5.2)-теңдеу бойынша бөлшектердің радиусы
шамасына тең болады.
Осыдан сфералық бөлшектер үшін
Куб тәрізді бөлшектер үшін
Бұл теңдеулерді қолданудың негізгі шарты жарықтың жұтылмауы және екіншілік шашырамауы. Сондықтан Релей теңдеуі дисперстік фазасының концентрациясы өте аз болатын «ақ» зольдер, яғни жарықты жұтпайтын дисперстік жүйелер үшін қолданылады. Бөлшектердің радиусын табу үшін әр түрлі төмен концентрацияларда (с) жүйенің лайлығын өлшеп, τ/с шамасын с = 0 мәніне дейін экстраполяциялайды.
Бөлшектер өлшемдерінің артуымен Рэлей заңы орындалмайды және шашыраған жарық қарқындылығының толқын ұзындығына деген кері пропорционалдығы төртінші дәрежеден кеми бастайды. Мұндай жағдайда жарық шашырауының жалпы теориясынан шығатын теңдеулерді немесе эмпирикалық қатынастарды пайдалануға болады. Егер бөлшектердің өлшемдері толқын ұзындығының 1/20 мен 1/3 аралықтағы шамаларға тең болып, бөлшектер мен ортаның сыну көрсеткіштерінің айырмашылығы айтарлықтай болмаса, онда жүйедегі жарықтың шашырауын сипаттау үшін Геллер ұсынған
және (5.11)
эмпирикалық теңдеулерін қолдануға болады, мұндағы k мен k’ – толқын ұзындығына тәуелсіз константалар.
(5.11)-теңдеу бойынша lgD = f(lgλ) мен lgτ = f(λ) тәуелділіктері сызықты түрде болады және түзудің еңкіш бұрышының тангенсі m дәрежесінің теріс мәнін береді. (5.11)-теңдеулердегі m дәрежесі түскен жарықтың толқын ұзындығы мен бөлшек өлшемінің қатынасына байланысты:
. (5.12)
Z шамасының артуымен, радиустары толқын ұзындығынан үлкен бөлшектер үшін m мәні азайып 2-ге ұмтылады. Z-тің аз мәндерінде Рэлей теңдеуі орындалып, m = 2 болады. Z-тің 2 мен 4 аралығындағы мәндері келесі кестеде келтірілген:
Кесте
Достарыңызбен бөлісу: |
