Оптические методы дисперсионного анализа

К числу наиболее часто применяемым оптическим методам анализа дисперсных систем относятся микроскопия (оптическая, ультра- и электронная), нефелометрия, турбидиметрия и двой­ное лучепреломление.

Дисперсионный анализ можно осуществить путем непосред­ственного измерения размеров частиц или капель (т.е. в отно­шении суспензий и эмульсий, а также аэрозолей) и подсчета их числа при помощи оптического микроскопа.

На предметное стекло наносят суспензию или эмульсию и помещают ее под объектив микроскопа В поле зрения микроскопа должно находиться 20— 30 частиц или капель. В окуляр микроскопа помещают микрометрическую сетку (рис. 13.4), предварительно определив цену деления этой сетки. По числу делений шкалы микрометрической сетки оценивают размер частиц и подсчитывают число частиц или капель, размер которых соответствует определенной фракции (например, от а_х до д₂, Аа = а₂ - а_х). У частиц неправильной формы измеряют обычно длину и ширину.

Наименьший размер частиц, измеряемый с помощью оптического микроскопа, определяется его разрешающей способностью Л. Применительно к дисперной фазе разрешающая способность определяется размерами частиц, т.е. двумя точками, расположенными на противоположных концах частиц.

Она связана с длиной волны света (X) и равна

(13.6)

А = у/2п Sin a,

где п — показатель преломления; а — угол, образованный крайними лучами, которые направленны от объектива на частицы.

Длина волны видимого света составляет 400—700 нм. Из формулы (13.6) следует, что разрешающая способность наулучших оптических микроскопов не превышает 0,2 мкм. Размеры частиц высокодисперсных систем (см. табл. 1.3) не могут быть определены с помощью оптических микроскопов.

Более точные результаты дисперсионного анализа при по­мощи микроскопа получены для частиц диаметром более 2 мкм.

Для повышения точности дисперсионного анализа частицы дисперсной фазы фотографируют или проектируют в поле зре­ния микроскопа на экран телевизора, а также применяют ряд других методов автоматического счета числа и размеров частиц.

Рис. 13.4. Поле зрения микроскопа с микроскопической сеткой

Оптические методы анали­за, основанные на законе Рэ-лея (см. параграф 8Д), позво­ляют определить концентра­цию и размер частиц в диапа­зоне от 0,01 до 0,2 мкм. К этим методам относятся ультрамик­роскопия.

С помощью ультрамикрос­копа регистрируются не сами частицы, а рассеянный свет от этих частиц. На рис. 13.5 приведена упрощенная принципиаль­ная схема ультрамикрбскопа. Рассеяние света показано в отно­шении одной частицы 3, которая испытывает воздействие пада­ющего света 2, Интенсивность рассеянного света максимальна в направлении, перпендикулярном падающему свету. На фоне чер­ного экрана 1 эта интенсивность фиксируется устройством 6.

Число отблесков рассеянного света соответствует числу частиц л, если известна массовая концентрация частиц v_M, то можно подсчитать их объем

где V_ac — объем дисперсной системы; р — плотность материала частиц. Радиус сферической или эквивалентной ей частицы равен

г =(3 Г/471)¹/³.

При помощи ультрамикроскопа можно определить средний сдвиг частиц х [см. формулы (9.2) и (9.3)], Особенно в тех случаях, когда отблески частиц зафиксированы на фотопленку, а затем рассчитать размер частиц: г= ЯТт/ЗкцМА1с^2, (13.9) где т —' время наблюдения; к\ — вязкость дисперсионной среды; R и NA универсальная газовая постоянная и число Авогадро.

(13.8)

Рис. 13.5. Схема ультрамикроскопа:

1 — черный экран;

2 — световой поток;

3 — частица; 4 — рассеянный

частицей свет; 5 — кювета;

6 — устройство для фиксации

рассеянного света

В поточном ультрамикроскопе Дерягина и Власенко поток частиц проходит через специальную кювету в направлении оси микроскопа. Подсчет частиц производят с помощью фотоумножителя; каждый отблеск выдает электрический импульс и фиксируется счетчиком, сила тока зависит от интенсивности отблесков, которая позволяет определить не только число, но и размер частиц. Если поток частиц пропустить через электрическое поле, под действием которого происходит ориентация* несферических частиц (палочкообразных, пластинчатых и др.), то по интенсивности рассеянного света можно определить их форму и размер.

JTIo сравнению с ультрамикроскопом более высокой разрешающей способностью обладают электронный микроскоп (вплоть до фиксации отдельных молекул). В электронном микроскопе вместо световых лучей используется пучок электронов. Увеличенное изображение проектируется на светящийся экран или фотографируется,что позволяет наблюдать не отблеск, а действительные частицы, их размер, форму, рельеф поверхности, особенности строения макромолекул ВМС и мицелл коллоидных ПАВ (см. гл. 19—21).