3. Дисперстік жүйелерді зерттеуге арналған қандай оптикалық әдістерді білесіздер? Ультрамикроскопия негіздіерін түсіндіріңіз.

Шашыраған жарықтың қарқындылығын өлшеуге негізделген оптикалық әдіс нефелометрия әдісі деп аталады.

Түсті зольдерді зеттеу үшін турбидиметрия әдісі арқылы жарықтың шашырауын бағалайды. Ол үшін жарықты зерттелетін зольге сә йкес жұтатын жарықтың фильтрлерін қолданады. Бөлшектердің радиустары және концентрациясы аз болғанда, зольдер Бугер-Ламберт-Бер заңына бағынады.

Дисперсті жүйелерді зеттеудің оптикалық әдістері.

Беттік қабаттардың құрамын зерттеу үшін беттегі функционалды топтарды, атомаралық және молекулааралық байланыстарды анықтау үшін дәстүрлі оптикалық әдістер кеңнен қолданылады, олар: спектроскопия (инфрақызыл, ультракүлгін), ренгенография, электронография және т.б. қатты беттерді зерттеу үшін соңғы жылдары масс-спектрометрия, өрістік-иондық микроскопия және т.б. қолданылып, бұл әдістерді вакуумда жүргізеді

Ультрамикроскоптық әдіс. Аббенің дифракциялық теориясы бойынша оптикалық микроскоптар тек бөлшектердің шамасы λ\2sina-ден жоғары болғанда ғана толық мәлімет бере алады.(мұнда,λ-толқын ұзындығы, n ортаның сыну көрсеткіші, a бөлшекті көру бұрышының жартысы).

Осы теорияға сүйене отырып,есептеу микроскоптың қабілеті шамасы 2.5·10^-5см жоғары болатын бөлшектерге ғана жететінін көрсетеді.Ендеше,коллоидтық бөлшектерді жәй микроскоптар арқылы байқауға болмайды.1903 жылы Р.Зигмонди мен Г.Зидентопф коллоидтық бөлшектерді зерттейтін – ультрамикроскоп деген құралды жасады.

Ультрамикроскоптың жәй микроскоптан айырмашылығы егер кәдімгі микроскоппен біз коллоидтық жүйеден өтетін жарықты көретін болсақ,ал ультрамикроскоптан коллоидтық жүйеден шашыраған жарықты көреміз.Сондықтан да жәй микроскопта бөлшектер жарықты жұтатын болғандықтан,қараңғы болып көрінеді де,ал ультрамикрокопта шашырататын болғандықтан,қараңғыда бөлшектер жарқылдаған нүктелер тәрізді көрінеді.Егер бөлшектер дербес дисперстік болса,онда броундық қозғалыстың әсерінен жылжып жүрген жарқылдаған нүктелерді байқауға болады.

Ультрамикроскоппен байқағанда мынадай жағдайларды сақтау керек:

1. Бөлшектер арасы қашық болу үшін,қарастырып отырған кірнеміз сұйылтылған болу керек.Олай болмаған жағдайда бөлшектер бір— бірімен қосылады да оларды байқау қиынға соғады.

2. Бөлшектер өте кіші және өтек үлкен болмау керек.Бірінші жағдайда оларды шашыраған жарықтың қарқындылығының өте аздығынан байқай алмаймыз.Екінші жағдайда бөлшектердің айналасында түзілетін дифракциялық сақиналар қарауға кедергі жасайды.

3. Дисперстік фазаның сыну көрсеткіші дисперсиялық ортаның сыну көрсеткішінінен әлдеқайда жоғары болуы керек.Олай болмаса жарықтың шашырауы аз болады да,бөлшектер жөнді байқалмайды.

4.Дисперстік жүйелердің қандай молекулалық-кинетикалық қасиеттері болады деп ойлайсыздар? Броундық қозғалыстың статистикалық теориясының маңызын қарастырыңыз.

Броундық қозғалыс. 1827 жылы ағылшын ботанигі Р. Броун гүл тозаңдарының сулы суспензиясын микроскопта көре отырып, олардың үздіксіз ретсіз қозғалыста болатындығын және ол қозғалыстың уақыт өте келе тоқтамайтындығын және сыртқы энергия көздеріне тәуелді емес екендігін бақылаған. Коллоидты және микрогетерогенді жүйелердегі бөлшектердің жылулық қозғалысы броундық қозғалыс деп аталды. Броун анықтай алмаған бұл құбылыстың табиғатын көптеген зерттеушілер кейіннен тозаңның тіршілік әрекетімен, жүйеде конвекциялық ағындардың болуымен, электрлік құбылыстармен, ортаның бөлшектердің бетін әр түрлі шылауымен түсіндіруге тырысты. Бірақ мұның бәрі дұрыс болмады. Тек 1888 жылы Гуи және 1900 жылы Экснер броундық қозғалыстың молекулярлы – кинетикалық табиғаты бар екендігі, яғни жылулық қозғалыс салдарынан болатындығы туралы ұйғарым жасады. Бұл ұйғарымның дұрыстығы Энштейн мен Смолуховскийдің теориялық есептеулерімен, Перрен, Сведбергтің эксперименттік жұмыстарымен дәлелденді. Қазіргі кезде коллоидты бөлшектердің бұл қозғалысы жылулық қозғалыста болатын орта молекулаларының коллоидты бөлшектерді ретсіз соққылауы салдарынан туындайтыны анықталды.

1-сурет. Броундық қозғалыс диаграммасы

Егер бөлшек өлшемі айтарлықтай кішкентай болса, оған жан-жағынан келетін соққылар саны бірдей емес болып, бөлшек өте кұрделі траектория бойынша әр түрлі бағытта қозғалады. Бөлшек өлшемі мен массасы артқан сайын, соққылардың компенсациялану ықтималдығы да артып, бөлшек инерциясы да үлкен болады. Осылайша, өлшемі 5 мкм шамасындағы үлкен бөлшектер белгілі-бір орталық маңайында толқындық (колебательные) қозғалыстарға ие болады. Ал бөлшек диаметрі 5 мкм жоғары болса, броундық қозғалыс тоқтайды.

Бөлшектің орташа жылжуының (∆х) уақыт пен диффузия коэффициентіне тәуелділігі Эйнштейн теңдеуімен өрнектеледі:

∆х² = 2Dt; ∆x = 2Dt (34)

мұндағы ∆x – орташа жылжуы; ∆х² – орташа квадраттық жылжу; t – жылжуға кеткен уақыт; D- диффузия коэффициенті. Дисперсті ортадағы молекуладан үлкен өлшемде болатын дисперсті шар тәрізді бөлшектің диффузия коэффициентінің мәні былай анықталады:

D = RT / NA•1 / 6πηr (35)

Диффузия дегеніміз жүйедегі молекулар, иондар немесе коллоидты бөлшектердің хаосты жылулық қозғалысының әсерінен олардың концентрациясының өздігінен теңесу процесі.

1908 жылы Эйнштейн D диффузия коэффицентін Т жүйенің абсолютті температурасымен, η дисперсиялық орта тұтқырлығымен және r дисперсті фаза бөлшегінің радиусымен байланыстыратын теңдеуді қорытып шығарды. Эйнштейн теңдеуі

K= R / N_A – пропорционалдық коэффиценті

Формасы сфера тәріздіге ұқсас бөлшектер үшін В = 6πηr тең болғандықтан: Мұндағы В- бөлшек және орта арасындағы үйкеліс коэффициенті. R – универсал газ тұрақтысы;

Т – абсолюттік температура;

N_A – Авагадро саны;

η – ортаның динамикалық тұтқырлығы;

r – бөлшек радиусы;

π – осмостық қысым;

Эйнштейн теңдеуін пайдалана отырып, егер D, Т, η белгілі болса, 1 моль заттың массасын анықтай аламыз. Ол үшін алдымен бөлшек радиусын есептеу керек.

r = kT / 6πηD

1 моль зат үшін оның массасы келесі теңдеумен анықталады

М = 4/3 π r³ρ N_A

ρ – әдетте белгілі дисперсті фаза тығыздығы.

Дисперсті фазаның бөлшектері молекулалық-кинетикалық қозғалыс салдарынан кездейсоқ қозғалыстарға да душар болады.

Коллоидты системадағы броундық қозғалыс пен диффузияны зерттеу дисперсті системаның табиғатын тереңірек түсінуге көмектесіп, осы система мен молекулалық дисперсті системалар арасындағы молекулалық-кинетикалық орта қасиеттерін анықтайды.

Осмостық қысым

Шынайы ерітінділердің осмостық қысымын Нолле ашты. Бір жағы жабық, екінші жағында шала өткізгіші бар, шыны түтікті қант ерітіндісімен толтырып, түтікті суға батырғанда ондағы ерітіндінің көлемінің жоғарылайтындығын байқаған. Себебі, шала өткізгіш арқылы су түтік ішіне өтеді. Мұндай құбылысты осмос, ал осмосты тудыратын күштерді осмостық қысым деп атайды.

Айтарлықтай сұйытылған коллоидты ерітіндінің осмостық қысымын төмендегі теңдеу арқылы табуға болады

Мұндағы: m_{жалпы –} еріген зат массасы

m – бөлшек массасы

V – жүйе көлемі

N_{A –} Авагадро саны

Т – абсолюттік температура

ν - сандық концентрация

Седиментация

Диффузияны қарастырған кезде біз жүйеге гравитациялық өрістің (тартылыс күші) әсерін есепке алған жоқпыз. Массасы айтарлықтай үлкен бөлшектерге гравитациялық өріс әсер ететіндіктен олар тұнбаға түседі, тұнады немесе седиментацияланады.

Ауырлық күшінің әсерінен бөлшектердің тұнбаға түсу процесін седиментация деп атайды. Тұнбаға түсу жылдамдығы бөлшектердің көлеміне, тығыздығына, ортаға, сұйықтыққа және ауырлық күшінің уақытына тәуелді. Стокс заңы бойынша қозғалу кезінде бөлшектер сфералық тұтқыр ортада қарсылық күшін сезеді, ол тең

мұндағы, - орта тұтқырлығы, , r – бөлшек радиусы, м.

U – тұнба түсу жылдамдығы, м/сек,

Егер дисперсті системадағы ауырлық күші мен диффузия күші өзара тең болса, онда седиментация мен диффузия жылдамдықтарының тепе-теңдігімен сипатталатын седиментациялық тепе-теңдік деп аталатын күй орнайды.