Bài 12.TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA HỆ KEO

T�NH CH?T QUANG H?C C?A H? KEO
Tr?n Lý M? Nhõn
Nguy?n Th? Minh Khoa
Hu?nh Van D?ng





I. SỰ PHÂN TÁN ÁNH SÁNG
II. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
III. MÀU SẮC CỦA HỆ KEO
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU HỆ KEO

Khi ánh sáng chiếu qua hệ phân tán ta có thể thấy các hiện tượng sau:
Sự khúc xạ tia sáng bởi các hạt của pha phân tán
Sự truyền tia sáng qua hệ
Sự phản xạ tia sáng bởi các hạt của pha phân tán
Sự phân tán tia sáng
Sự hấp thụ tia sáng bởi pha phân tán để chuyển quang năng thành nhiệt năng



Trong đó sự truyền tia sáng qua hệ đặc trưng cho hệ dung dịch thực hay ion không màu. Còn sự khúc xạ và phản xạ tia sáng luôn quan sát được ở hệ vi dị thể. Đối với hệ keo, hai tính chất đặc trưng nhất là sự phân tán ánh sáng và sự hấp thụ ánh sáng
I. SỰ PHÂN TÁN ÁNH SÁNG
John Tyndall (1820 – 1893)
1. Hiệu ứng Tyndall


2.Sự phân tán ánh sáng
Năm 1857 nhà bác học Faraday và sau đó năm 1869 Tyndall đã lưu ý đến hiện tượng mờ đục. Đó là hiệu ứng Tyndall.
Hiện tượng này chỉ quan sát được khi bước sóng ánh sáng lớn hơn kích thước hạt của pha phân tán. Nếu bước sóng nhỏ hơn kích thước hạt thì xảy ra hiện tượng phản xạ.
Nguyên nhân: trường điện từ của ánh sáng làm phân cực hóa các nguyên tử và phân tử của môi trường. Sự phân cực hóa xảy ra với tần số bằng tần số của ánh sáng đi tới và các nguyên tử, phân tử tự nó trở thành nguồn phát sáng là ánh sáng phân tán.
Đặc tính của ánh sáng phân tán
Truyền theo mọi hướng
Cường độ của ánh sáng phân tán theo các hướng khác nhau là khác nhau
Ánh sáng phân tán thường bị phân cực
Đối với các hạt bé thì ánh sáng phân tán theo góc 0o và 180o hoàn toàn không phân cực, còn ánh sáng phân tán theo góc 90o là phân cực hoàn toàn
3. Phương trình Rayleigh
về sự phân tán ánh sáng
Năm 1871, nhà vật lý học Rayleigh đã thiết lập phương trình về sự phân tán ánh sáng cho các hệ phân tán gồm các hạt hình cầu, không dẫn điện và có bán kính r ≤ 0,5λ với nồng độ hạt nhỏ tức là các hạt cách nhau tương đối lớn.

Ipt, Io: cường độ ánh sáng phân tán và ánh sáng tới
n1, n2: chiết suất của pha phân tán và môi trường phân tán
γ: nồng độ hạt
v: thể tích của một hạt
λ: bước sóng ánh sáng tới
Lord Rayleigh
(1842 – 1919)
(V.1)
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân tán ánh sáng của hệ keo
Sự phân tán ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất





Sự phân tán tỉ lệ thuận bậc hai với thể tích hạt


Sự phân tán phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng
Do cường độ ánh sáng phân tán tỷ lệ nghịch bậc bốn với bước sóng nên bước sóng càng nhỏ thì bị phân tán càng mạnh và ngược lai.


Hệ không phân tán ánh sáng (nhũ tương của glycerin trong carbon tetra clorua được làm bền bằng natri oleat thì trong suốt)
Năm 1760, Lambert nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng su khi đi qua một môi trường nào đó và thiết lập được phương trình:





Trong đó: I,Io: cường độ ánh sáng
tia ló và tia tới
k: là hệ số hấp thụ dung dịch
l: bề dày của môi trường nghiên cứu

Theo định luật lambert thì nếu độ dày
của môi trường tăng lên heo cấp số
cộng thì cường độ của tia ló giảm
theo cấp số nhân


I = Ioe-kt (V.2)

II. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
Sau đó nhà bác học Beer xác định rằng: hệ số hấp thụ của dung dịch có dung môi không màu và trong suốt tỷ lệ với nồng độ mol của chất tan, tức là:


k = KC (V.3)
Trong đó: K là hệ số hấp thụ mol.
C là nồng độ mol của dung dịch
Thế V.3 vào V.2 ta được phương trình Lambert – Beer:
I = Ioe-KCl (V.4)
Lấy ln 2 vế của phương trình:
(V.5)
: mật độ quang của dd k/h là E (còn gọi là độ tắt hay độ hấp thụ
Tỷ số được gọi là độ trong suốt tương đối của dung dịch
Biến đổi (V.4) ta có
(V.6)
Được gọi là độ hấp thụ tương đối của dung dịch
Hệ số hấp thụ mol K là một hằng số, là đại lượng đặc trưng cho chất đã cho.Nếu chọn C = 1, l = 1 thì
Tức là K chính là mật độ quang của dd khi nồng độ mol và bề dày của lớp dd là đơn vị
K không phụ thuộc vào nồng độ nhưng biến thiên theo bước sóng của tia tới, nhiệt độ và bản chất của dung môi. Đl Lambert không chỉ đúng với dung dịch thực mà đúng với cả hệ keo có nồng độ loãng và bề dày của lớp dd nhỏ.
Kích thước hạt ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng gián tiếp qua sự phân tán ánh sáng. Do sự phân tán ánh sáng, một phần ánh sáng trắng đi qua hệ mất đi và một phần bức xạ làm cho chúng ta tưởng đó là sự hấp thụ. Vì vậy phương trình (V.4) cầ viết lại như sau:
I = Ioexp[-[K+F( r )]C.l]
III. MÀU SẮC CỦA HỆ KEO
hồng ngọc (chất lẫn là Fe)
Màu của các loại đá quý là do sự có mặt trong đá một lượng vô cùng nhỏ kim loại nặng và các oxit của chúng ở trạng thái phân tán keo
Ngọc bích (màu xanh do Crôm)
Đá Peridot
Màu sắc của hệ keo cực kỳ phức tạp .Nó phụ thuộc vào bản chất của pha phân tán, môi trường phân tán, độ phân tán, hình dạng, cấu tạo và phương quan sát cũng ảnh hưởng đến màu của hệ keo.
Các sol không màu mà pha phân tán là kim loại không hấp thụ chọn lọc các tia sáng thì khi chiếu ánh sáng thẳng thường có màu da cam, còn chiếu sáng ngang thì mờ đục màu xanh da trời. Tuy nhiên, cũng có nhiều sol kim loại có màu là do sự hấp thụ chọn lọc các tia sáng.
Màu sắc của sol kim loại cũng cực kỳ phức tạp. Đó là do sự hấp thụ ánh sáng bởi các hạt kim loại và một phần quang năng biến thành hiệt năng. Bên cạnh đó kim loại vừa hấp thụ mạnh ánh sáng lại vừa phân tán mạnh ánh sáng
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC ĐỂ NGHIÊN CỨU HỆ KEO
Ngày nay các phương pháp quang học là phương pháp phổ biến nhất để xác định kích thước, hình dạng và cấu tạo của hệ keo. Vì các phương pháp này thường nhanh chóng và tiện lợi, cho kết quả chính xác. Một số phương pháp thường dùng hiện nay là:
1. Phương pháp siêu hiển vi:

Năm 1903,Zicdentoff và Zsigmondy phát minh ra phương pháp kính siêu hiển vi có thể mô tả bằng hình sau:
Richard Zsigmondy
(1865 – 1929)
Kính siêu hiển vi
Sự khác biệt giữa kính siêu hiển vi và kính hiển vi thường
Kính hiển vi thường Sự quan sát tiển hành nhờ ánh sáng xuyên qua vật. Do đó hạt có màu tối và thị trường có màu sáng.
Kính siêu hiển vi
Thị trường thì tối vì ánh sáng từ nguồn không đập vào mắt người quan sát còn các hạt keo thì sáng vì nó phân tán ánh sáng.
Điều kiện sử dụng phương pháp siêu hiển vi
Khoảng cách giữa các hạt phải đủ lớn, lớn hơn cực phân chiết của kính hiển vi (khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm mà kính hiển vi có thể quan sát đựơc) tức là nồng độ hạt phải nhỏ. Nếu không các hạt dính lại, ta không phân biệt được.
Kích thước hạt cũng không quá bé hay quá lớn. Nếu các hạt quá bé thì cường độ ánh sáng phân tán quá bé, nếu quá lớn thì phản xạ xung quanh đều gây khó khăn cho việc quan sát.
Chiết suất của pha phân tán và môi trường phân tán phải đủ lớn. Nếu không thì cường độ ánh sáng yếu không thể nhìn rõ được.
Sơ đồ đường đi của ánh sáng qua kính tụ quang
n:số hạt trung bình có trong hệ.
V: thể tích hệ phân tán
Bên canh kính siêu hiển vi, người ta còn sử dụng kính siêu vi có kính tụ quang cho thị trường tối. Đó là một thấu kính được cắt mỏm trên và các bờ thì được mạ. Nguyên tắc là tia sáng từ dưới đi thẳng vào kính tụ quang rồi hội tụ vào một điểm nằm trong cuvet chứa hệ cần nghiên cứu đặt trên kính tụ quang. Do mặt dưới của kính tụ quang có một màng che hình tròn nên các tia sáng không thể xuyên qua nó để đi vào ống kính được và chỉ có những tia đập vào kính nhưng bên ngoài màng là đi lên qua cuvet (hình).Kính này rẻ, đơn giản và có thể lắp vào bất cứ một kính hiển vi nào.
Dựa vào phương pháp siêu hiển vi người ta có thể đếm được số hạt có trong một thể tích xác định. Tuy nhiên, việc xác định số hạt phải được thực hiện nhiều lần và lấy giá trị trung bình vì các hạt keo lúc nào cũng có chuyển động Brown.
Nếu biết được thể tích của hệ keo thì ta tính đượcnồng độ hạt:




Với n : số hạt trung bình có trong hệ
V: thể tích hệ phân tán

Nếu biết được khối lượng riêng của hạt là d và khối lượng m của pha phân tán trong một lit dd thì ta có thể tính được kích thước các hạt trong một đơn vị thể tích nghiên cứu:



trong đó: là thể tích của một hạt


(V.9)
(V.10)
Nếu hạt keo là hình cầu ta có thể tính được bán kính của hạt keo:





Nếu hạt hình lập phương ta tính được kích thước l của hạt:
(V.11)
(V.12)
Phương pháp siêu hiển vi không những xác định được kích thước trung bình của hạt mà còn có thể biết được hình dạng hạt.
Nếu ánh sáng quan sát được trong thị trường lấp lánh thì chứng tỏ nó bất đối xứng. Nguyên nhân là do các hạt không phải hình cầu bị ảnh hưởng của chuyển động Brown nên bị ánh sáng chiếu vào khác nhau về diện tích bị chiếu sáng và nó truyền vào mắt ta lượng ánh sáng khác nhau ở thời điểm khác nhau.
Nếu các hạt quan sát có lượng ánh sáng đều không lấp lánh thì chứng tỏ là dạng khá đối xứng.
Gần đây, người ta sử dụng kính siêu hiển vi dòng. Kính này có thể xác định nhanh chóng số hạt trong một đơn vị thể tích lyosol hay aerosol.
Nguyên tắc hoạt động: lyosol hay aerosol chảy dọc theo rãnh cuvet 2 được đặt cùng trục với ống kính hiển vi 5. Mỗi hạt đi vào vùng chiếu sáng bởi nguồn sáng 3 cho một đốm sáng. Tổng số đốm sáng đó có thể đếm được dễ dàng. Chia số đốm sáng cho thể tích lyosol hay aerosol mà bộ phận 1 đo được, từ đó tính được nồng độ hạt.
Ưu điểm: loại bỏ hầu hết các nhược điểm của kính siêu hiển vi và tiết kiệm được thời gian.
- Tự động hoá việc đếm bằng cách: kính được thay đổi thế nào để ánh sáng đi từ các hạt chiếu vào catod của một đèn khuếch đại ánh sáng. Một đốm sáng đi qua cuvet sẽ tạo nên một xung điện mà sau khuếch đại thì được ghi bởi một máy đếm
2. Phương pháp kính hiển vi electron
Người ta thay thế ánh sáng bằng một chùm electron nhanh. Dẫn tới việc tăng cường khả năng phân chiết của kính và có thể chụp được ảnh của hạt keo. Độ dài sóng của chùm electron là là 0.02 – 0.05 Å, xấp xỉ bằng kích thước nguyên tử. Khi đó khả năng phân chiết của kính hiển vi electron được nâng lên từ 5 – 10 Å. Hình ảnh thu được trên màn huỳnh quang có thể chụp ảnh được và sau đó phóng đại ảnh lên nhiều lần.
Do electron dễ bị phân tán và dễ bị hấp thụ nên việc hội tụ các tia sáng phải dùng điện trường hay từ trường gây nên nhờ các cuộn điện từ. để giảm bớt sự phân tán electron, bên trong kính hiển vi electron phải là môi trường chân không.

Ưu điểm: Có thể thấy được các hạt rất nhỏ với tất cả các đặc tính về hình dạng và cấu tạo.
Nhược điểm: Phải sử dụng tỉ mỉ, mẫu chuẩn bị phức tạp và phải đảm bảo môi trường chân không cao. Ngoài ra, mẫu đặt trong chân không nên không thể quan sát các hạt keo chính trong hệ được mà chỉ có thể quan sát nía trong kết tủa khô.
3. Phương pháp đo độ đục
Phương pháp này dựa trên sự phân tán ánh sáng của hệ keo. Xác định cường độ mờ đục của hệ đã cho có thể xác định được kích thước hạt keo hay nồng độ pha phân tán. Khi đó phương trình Rayleigh có thể đựợc viết lại như sau:

Với
và
(V.13)
Các đại lượng trong phương trình Rayleigh đã biết, chỉ cần xác đinh nồng độ thể tích của pha phân tán C và cường độ tuyệt đối của tia tới và tia phân tán (I0,Ipt) có thể tính được thể tích trung bình của hạt v. Tuy nhiên, việc xác định cường độ tuyệt đối của tia tới và tia phân tán đòi hỏi dụng cụ khá phức tạp nên để đơn giản người ta dùng một phơng pháp khác đó là phương pháp đo độ đục bằng một đục kế
4
6
8
9
10
7
5
2
3
1
Sơ đồ đục kế Kleinmann
1.Nguồn sáng
2,3.Cuvet đựng dung dịch
4,5.màn che di động
6,7.Thỏi thủy tinh
8,9.Lăng kính
10.Thị kính

Đối với phương pháp đo độ đục ta tiến hành đo độ mờ đục của dung dịch nghiên cứu so với độ mờ đục của dung dịch chuẩn (đã biết kích thước hạt).Từ đó tính ra kích thước hạt trong dung dịch nghiên cứu. Điều kiện để áp dụng phương pháp này là nồng độ thể tích của pha phân tán trong hai dung dịch là bằng nhau.
Đục kế gồm hai cuvet thủy tinh hình trụ giống hệt nhau, một ống đựng dung dịch nghiên cứu và một ống đựng dung dịch chuẩn. Cho chùm ánh sáng mạnh chiếu ngang vào hai cuvet hình trụ. Khi đó ta quan sát được hiệu ứng Tyndall. Phần dung dịch bị chiếu sáng ở hai ống hình trụ có thể điều chỉnh được bởi màng chắn. Ánh sáng phân tán bởi các dung dịch chứa trong cuvet đi qua hai thỏi thủy tinh nhúng vào trong dung dịch ở cùng độ sâu (nhàm mục đích loại trừ sự phản xạ ánh sáng trên các mặt khum của dung dịch trong cuvet). Từ hai cuvet, ánh sáng phân tán hướng về thị kính nhờ hệ thống lăng kính.thị kính nằm phía trên hai cuvet được chia ra làm hai phần để nhận ánh sáng phân tán từ hai cuvet tới.

Cách xác định: Khi nâng hoặc hạ các màn chắn tức là ta điều chỉn cường độ sáng ở hai nửa thị kính bằng nhau. Nghĩa là cường độ ánh sáng phân tán của dung dịch nghiên cứu bằng cường độ ánh sáng của dung dịch chuẩn. Khi đó ta có:





Nếu biết được kích thước hạt trong dung dịch chuẩn thì dễ dàng biết được thể tích trung bình của dung dịch nghiên cứu
(V.14)
V.15
Lưu ý: Phương pháp này chỉ áp dụng tốt cho hệ đơn phân tán. Ngoài ra, bước sóng λ trong phương trình Rayleigh chỉ không phụ thuộc vào kích thước hạt đối với các sol có độ phân tán cao nên phương pháp này chỉ áp dụng cho hệ dị thể có độ phân tán cao.
Từ phương pháp đo độ đục ta có thể xác đinhj được nồng độ thể tích của hệ keo nghiên cứu. Với điều kiện là dung dịch chuẩn và hệ keo nghiên cứu phải chứa các hạt có cùng bản chất và cùng kích thước. Khi đó pt (V.15) có thể viết lại:
(V.16)
Hiện nay, người ta sử dụng đục kế quang điện. Bằng cách xác định cường độ dòng ánh sáng i và i’ tác dụng vào tế bào quang điện của ánh sáng phân tán từ dung dịch keo nghiên cứu. Khi đó phương trình (V.15) và (V.16) có thể viết lại như sau:






Tóm lại, phương pháp này chỉ thích hợp với sol không màu. Đối với sol có màu và nhất là sol kim loại thì phương pháp này không áp dụng được. Vì sự phân tán ánh sáng của hệ này không tuân theo phương trình Rayleigh