double arrow

Определение размеров частиц нанодисперсных систем, не подчиняющихся уравнению Релея.


Цель 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 lgD (или lgτ) от lgλ 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=8πr/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 .

n Z n Z
3.812 2.0 2.807 5.5
3.686 2.5 2.657 6.0
3.573 3.0 2.533 6.5
3.436 3.5 2.457 7.0
3.284 4.0 2.379 7.5
3.121 4.5 2.329 8.0
3.060 5.0 - -

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 lgD - lgλ. 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 λвак и lg Dср. Построить график в координатах lg λвак - 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.

Номер светофильтра λвак,нм lg λвак D Dср lg Dср
       
 
 
       
       
       
       
       
       

3.Рассчитать среднее значение длин волн λср:

4. Полученное среднее значение длин волн λср 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


Сейчас читают про: