Ультрамикроскопия - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Ультрамикроскопия (от лат. ultra, греч. mikros - маленький и skopeo - смотрю), оптический метод наблюдения и анализа коллоидных частиц в жидкой или газовой фазе с помощью ультрамикроскопов (УМ). Разработан и реализован P. Зигмонди и Г. Зидентопфом (1903), создавшими первый щелевой УМ (рис. 18). В нем исследуемая система неподвижна. Содержащая изучаемое вещество, кювета освещается (с помощью системы источник света - конденсор или линза - осветительный объектив) через прямоугольную щель, изображение которой проецируется в зону наблюдения. В окуляр наблюдательного микроскопа видны светящиеся точки, находящиеся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается.
Рис. 18. Схема щелевого ультрамикроскопа: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - оптическая щель; 4 - осветит, объектив; 5 - кювета; 6 - наблюдательный микроскоп.
В основе ультрамикроскопии лежит дифракция света на коллоидных частицах, размер которых меньше половины длины световой волны, в результате чего система начинает светиться. Частицы можно наблюдать в УМ как яркие дифракционные пятна, изучать их природу, оценивать концентрацию, однако изображений частиц микроскоп не создает. Яркость свечения, а следовательно, и видимость частиц зависят от разности показателей преломления частицы и дисперсионной среды. Если она велика (напр., взвесь металлических частиц в воде), то отчетливо фиксируются частицы размерами 2-4 нм (т. е. значительно меньше предела разрешения обычных микроскопов). Если эта разность мала (взвесь орг. частиц в воде), то обнаруживаются только частицы размерами не менее 20-40 нм. В лиофильных коллоидах (напр., гелях желатины, декстрина) поверхность частиц вследствие сольватации не обладает заметной разницей в показателях преломления относительно дисперсионной среды (воды), поэтому свечение в них значительно слабее. Минимальный размер обнаруживаемых частиц зависит также от интенсивности освещения, поэтому в УМ применяют сильные источники света (ртутные лампы высокого давления). Средний линейный размер коллоидных частиц можно определить методом ультрамикроскопии по формуле:
Й= (1)
Где с - массовая концентрация частиц;
V - наблюдаемый объем взвеси;
H - среднее число подсчитанных в этом объеме частиц;
С - плотность частиц.
В 1950-х гг. Б. В. Дерягин и Г. Я. Власенко разработали поточный УМ, в котором поток жидкого золя или аэрозоля движется по стеклянной трубке навстречу наблюдателю. Пересекая зону освещения, формируемую сильным источником света со щелевой диафрагмой, частицы дают яркие вспышки, регистрируемые визуально или с помощью фотометрической аппаратуры. Расположенный на пути светового луча фотометрический клин позволяет устанавливать нижний предел размеров регистрируемых частиц. Определяемые концентрации частиц в коллоидной системе достигают 1010 частиц в 1 см. В современных поточных УМ (рис.19) источниками света служат лазеры, а счет частиц производится фотоэлектронными умножителями, соединенными с мини-ЭВМ. Такие приборы позволяют исследовать коллоидные системы количественно с большой точностью, напр. строить диаграммы распределения микрочастиц по размерам, а также используются в гидродинамических исследованиях (для наблюдения характера движения жидкости или газа в сложных трубопроводных системах). В этих случаях микрочастицы стандартного размера (иногда флуоресцирующие) специально вносят в струю жидкости либо газа, отслеживают их траектории, измеряют скорости движения на различных участках, после чего компьютеры обрабатывают результаты и строят математическую модель гидродинамической системы.
Рис.19. Схема поточного ультрамикроскопа-анализатора: 1 - лазерный осветитель; 2 - конденсор; 3 - коллиматор; 4 - объектив; 5 - проточная кювета; 6 - наблюдательный микроскоп; 7 - световод; 8 - фотоэлектронный умножитель; 9 - усилитель-формирователь импульсов; 10 - компьютерный анализатор; 11 - графический дисплей; 12 - печатающее устройство; 13 - графопостроитель.
Ультрамикроскопия отличается от обычной микроскопии тем, что объект, в частности, дисперсная система, освещается сбоку мощным пучком света. Наблюдают рассеянный свет частицами, взвешенными в среде с иным показателем преломления. По существу, образуется как бы конус Тиндаля от каждой частицы. Так как интенсивность падающего света значительно выше интенсивности рассеянных лучей, то главным условием возможности наблюдения в микроскопе частиц является отсутствие распространения падающего света в направлении рассеянных лучей. Частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, даже если их диаметр намного меньше разрешающей силы объектива микроскопа. Кажущийся диаметр частицы равен сумме ее действительного диаметра и разрешающей силе микроскопа. Ультрамикроскопы применяют также для определения коэффициента диффузии дисперсных частиц в различных средах путем наблюдения их броуновского движения, для контроля чистоты атм. воздуха, воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.
Тиндаля эффект - свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Обусловлен дифракцией света на отдельных частицах или элементах структурной неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света. Характерен для коллоидных систем (например, гидрозолей, табачного дыма) с низкой концентрацией частиц дисперсной фазы, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления дисперсионной среды. Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании сфокусированного светового пучка сбоку через стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками, заполненную коллоидным раствором. Коротковолновая составляющая белого (немонохроматического) света рассеивается коллоидными частицами сильнее длинноволновой, поэтому образованный им конус Тиндаля в непоглощающем золе имеет голубой оттенок. Тиндаля эффект по существу то же, что опалесценция. Но традиционно первый термин относят к интенсивному рассеянию света в ограниченном пространстве по ходу луча, а второй - к слабому рассеянию света всем объемом наблюдаемого объекта. Тиндаля эффект воспринимается невооруженным глазом как равномерное свечение некоторой части объема рассеивающей свет системы. Свет исходит от отдельных точек - дифракционных пятен, хорошо различимых под оптическим микроскопом при достаточно сильном освещении разбавленного золя. Интенсивность рассеянного в данном направлении света (при постоянных параметрах падающего света) зависит от числа рассеивающих частиц и их размера. Со временем потребность в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно. По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц. (Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания. Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но по - прежнему не могли определить высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множестве со временем потребность в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров.
Решение проблемы заключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом к падающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных приборов определяют рассеяние под углом 90° (рис.20). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света. Ионное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием. Решение проблемы заключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом к падающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных приборов определяют рассеяние под углом 90° (рис.20). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.
Рис.20.Количество света рассеивающегося под углом
В нефелометрических измерениях мутность определяется по свету, рассеянному под углом 90°.Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами выражения мутности стали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности. Чтобы указать разницу между мутностью, определенной нефелометрическим и визуальным способами, результаты, полученные первым способом указывают NTU, а второго в JTU (1 JTU = 4 NTU). Кроме того, используются термины FNU (formazin nephelometric unit - нефелометрические единицы по формазину) и FAU (formazin attenuation unit - единицы затухания по формазину). FNU применяется при нефелометрических измерениях, а FAU при измерениях проходящего света. Все эти единицы относятся к стандартам на основе формазина.
Рис. 21. Стабильность стандартов StabCal™.
По оси абсцисс отложено время в днях, начиная с даты приготовления, по оси ординат - изменение мутности в процентах
Рис. 22.Сравнение показаний различных приборов по стандартам StabCal™ с показаниями по разбавленному формазину.
Похожие статьи
-
Концепция гидрофильно-липофильного баланса - Коллоидные поверхностно-активные вещества
В эмульсионной технологии существует эмпирическое правило: водорастворимые эмульгаторы обычно образуют эмульсии "масло в воде", в то время как...
-
КОЛЛОИДНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ УДАЛЕНИЕ - Химические свойства и строение воды
Очистка сточных вод -- лишь одно из направлений защиты гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных загрязнений. Главный путь защиты...
-
1) рассеяние света 2) флотация-всплывание каллоидных частиц на поверхность 3) сидиментация - выпадение в осадок коллоидных частиц 4)коагуляция-уменьшение...
-
Неионогенные ПАВ - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Неионогенные ПАВ - высокомолекулярные соединения, не образующие ионов в водном растворе. Их растворимость обусловлена наличием в молекулах гидрофильных...
-
Введение - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) -- химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного...
-
Специфические способы определения удельной свободной поверхностной энергии - Коллоидная химия
Поверхностная энергия , энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз, избыточная по сравнению с энергией в объеме. При увеличении поверхности раздела...
-
Применение коллоидных систем в повседневной жизни
I тип - суспензоиды (или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды). Коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, солей. Первичные частицы...
-
ПАВ и ПИВ - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Одним из основных свойств поверхностно-активных веществ является их способность адсорбироваться из объема жидкости, где они растворены, на поверхности...
-
Катионактивные ПАВ - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Катионактивными называют ПАВ, молекулы которых диссоциируют в водном растворе с образованием поверхностно-активного катиона с длинной гидрофобной цепью и...
-
КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ - Микрогетерогенные системы. Суспензии и пасты
При рассмотрении проблем охраны атмосферы от загрязнений встречаем следующие коллоидно-химичесие процессы: 1) конденсационное формирование частиц твердой...
-
Способы очистки коллоидных систем - Общая характеристика дисперсных систем и методы их получения
Некоторые молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем используют для очистки золей от электролитов и молекулярных примесей, которыми полученные...
-
Способы получения коллоидных систем - Общая характеристика дисперсных систем и методы их получения
Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные...
-
Жидкостное восстановление и радиолиз - Коллоидная химия
Энергия наночастица жидкостный радиолиз Жидкофазное восстановление. Жидкофазное восстановление. Химические восстановление зависит как от природы пары...
-
Формулы катионактивных ПАВ. - Коллоидные поверхностно-активные вещества
Катионактивные ПАВ меньше снижают поверхностное натяжение, чем анионактивные, но они могут взаимодействовать химически с поверхностью адсорбента,...
-
Методы очистки коллоидных растворов - Методы очистки и получения коллоидных растворов
При получении коллоидных растворов тем или иным методом, особенно с помощью химических реакций, практически невозможно точно предусмотреть необходимое...
-
Диспергированием называют тонкое измельчение твердых мате-риалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате...
-
Конденсационные методы получения коллоидных систем - Методы очистки и получения коллоидных растворов
Из классификации дисперсных систем по размеру частиц следует, что коллоидные растворы (золи) занимают промежуточное положе-ние между молекулярными и...
-
Коллоидная система молока - Химия и физика молока
1). Характеристика дисперсной фазы. 2). Структура мицелл казеина. 3). Коагуляция. В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки,...
-
Проявление молекулярно-кинетических свойств коллоидных систем неразрывно связано с их реологическими (вязкостными) свойствами. Реология - это наука о...
-
Водораствроримые витамины Большинство водорастворимых витаминов, поступающих с пищей или синтезируемых кишечными бактериями, проявляют активность после...
-
Принцип определения химического состава вещества любым методом сводится к тому, что состав вещества определяется по его Свойствам . Свойства веществ...
-
Введение - Классификация и номенклатура витаминов. Роль витаминов в обмене веществ
Целью данного реферата является на основе знаний о витаминах определить их сущность, классификацию и значение для организма взрослого и ребенка. Задачи:...
-
При использовании разомкнутых химико-технологических систем в большинстве случаев принципиально невозможно проведение процессов при практически полной...
-
Жирорастворимые витамины - Классификация и номенклатура витаминов. Роль витаминов в обмене веществ
Витамин А (ретинол) Все формы витамина А регулируют нормальный рост и дифференцировку клеток развивающегося организма; участвуют в фотохимическом акте...
-
В термодинамике понятие "энтропия" было введено Р. Клаузиусом (1865), который показал, что процесс превращения теплоты в работу следует общей физической...
-
Дисперсной называется система, состоящая из двух или более веществ, причем одно из них в виде очень маленьких частиц равномерно распределено в объеме...
-
Всасыванию мышьяка препятствуют витамины С и Е, сера, селен, фосфор и некоторые аминокислоты. При взаимодействии с некоторыми веществами происходит...
-
Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами. Адгезия. Межфазное...
-
Фактически это следствие первого начала термодинамики, но сформулирован раньше, чем первое начало. Тепловой эффект изобарного (или изохорного) процесса...
-
Особенности структуры аморфных наночастиц - Коллоидная химия
По геометрическому признаку (мерности дисперсных частиц) наносистемы можно разделить на три группы. 1. Трехмерные (объемные) наночастицы , у которых все...
-
Изолирование пестицидов из биологических материалов наиболее часто осуществляется экстракцией различными органическими растворителями: пентан, н-гексан,...
-
Хлорорганические соединения - Химико-токсилогический анализ на отдельные группы веществ. Пестициды
Физико-химические свойства и применение. Хлорорганические соединения (ХОС) широко применяют в качестве инсектицидов, акарицидов и фунгицидов для борьбы с...
-
Использование позвоночных для определения микроколичеств вещества. - Предмет аналитической химии
Классическими индикаторными организмами, широко используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных органах...
-
Уравнение реакции горения вещества в воздухе составляется с учетом того, что в нем на 1 моль кислорода приходится 3,76 молей азота. Например, реакции...
-
Авитаминоз и гиповитаминоз - Классификация и номенклатура витаминов. Роль витаминов в обмене веществ
Авитаминоз - патологическое состояние, развивающееся вследствие длительного и полного отсутствия витамина (ов) в организме. Гиповитаминоз -...
-
Воздушная известь - одно из древнейших вяжущих, широко применяемых в строительстве и промышленности. Известь - продукт умеренного обжига кальциевых и...
-
При подготовке пробы к анализу следует обращать внимание на внешний вид доставленных биообъектов, который может служить важной подсказкой при проведении...
-
Разнообразие объектов исследования является одной из характерных особенностей химико-токсикологического анализа. Объектами химико-токсикологического...
-
Деление путей поступления веществ в организм на энтеральный и парентеральные пути связано с обозначением введения веществ через ЖКТ или минуя ЖКТ....
-
Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах
Низкие температуры Низкие температуры, криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие...
Ультрамикроскопия - Коллоидные поверхностно-активные вещества