ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI

S P R A W O Z D A N I E

Temat: Wyznaczanie stężenia roztworów koloidalnych metodą nefelometryczną.

para nr 2 i 8, ćwiczenie nr 68

Towaroznawstwo

Grupa 14Zjawisko oddziaływania światła z materią, którego wynikiem jest zmiana kierunku jego rozchodzenia się, nazywamy rozpraszaniem światła. Zjawisko rozpraszania zachodzi w ośrodkach optycznie niejednorodnych, których współczynnik załamania zmienia się nieregularnie od punktu do punktu. Jako niejednorodności optyczne traktuje się cząstki danej substancji, składające się z wielu cząsteczek tej substancji, "wprowadzone" do innej substancji. Przykładem ośrodków optycznie niejednorodnych są ośrodki mętne, takie jak: aerozole (mgły, dymy), emulsje, roztwory koloidalne, matowe szkliwa. Przyczyną niejednorodności optycznych ośrodka mogą być również fluktuacje gęstości powstałe w wyniku ruchów termicznych cząsteczek cieczy i gazów. Oddziaływanie światła z cząsteczkami substancji można rozpatrywać jako oddziaływanie fali elektromagnetycznej z dipolami elektrycznymi. Cząsteczkę można rozpatrywać jako dipol elektryczny. Ładunek ujemny to ładunek elektronów walencyjnych, natomiast nośnikiem ładunku dodatniego są zręby atomowe cząsteczki. Składowa elektryczna fali świetlnej o wektorze elektrycznym

E = E₀ sin( t - k z)

gdzie:

indukuje w cząsteczce, okresowo zmienny w czasie, moment dipolowy

gdzie:  - polaryzowalność,

lub

Indukowany dipol wykonuje drgania wymuszone i staje się źródłem fali wtórnej o tej samej częstotliwości co fala padająca. Efekty makroskopowe przekazywania sygnału kolejnym dipolom elektrycznym (cząsteczkom ośrodka) i wysyłania przez nie fal wtórnych są następujące:

- w ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się zgodnie z kierunkiem wiązki padającej (wiązki pierwotnej),

- w ośrodku mętnym fale wtórne rozchodzą się w różnych kierunkach, jest to światło rozproszone.

Teorię rozpraszania światła w ośrodkach mętnych opracował Rayleigh. Zjawisko rozpraszania światła w ośrodku mętnym nazywa się rozpraszaniem Rayleigh'a.

Weźmy pod uwagę ośrodek optycznie niejednorodny, składający się z optycznie jednorodnego rozpuszczalnika i bezładnie rozmieszczonych w nim makrocząsteczek bądź cząstek rozpraszających o rozmiarach liniowych d znacznie mniejszych od długości  fali świetlnej wiązki padającej.

d < < 

Zgodnie z opisem Rayleigha, jeżeli na ośrodek rozpraszający pada światło niespolaryzowane, to natężenie I światła rozproszonego pod dowolnym katem  do kierunku wiązki pierwotnej obserwowane w punkcie A wyraża się wzorem:

gdzie:

I₀ - natężenie wiązki pierwotnej,

 - polaryzowalność,

 - długość fali wiązki pierwotnej (padającej),

r - odległość punktu A.

Jak wynika z powyższego wzoru natężenie światła rozpraszanego przez ośrodki mętne zależy zarówno od parametrów charakteryzujących falę padającą oraz od kierunku obserwacji, jak i od właściwości cząstek rozpraszających. Stąd wniosek, że badanie zjawiska rozpraszania światła może dostarczyć informacji o właściwościach fizykochemicznych centrów rozpraszających. Dla zbioru cząstek rozpraszających, np. "zawieszonych" w roztworze wodnym, oświetlonych światłem monochromatycznym, natężenie światła rozproszonego I w danym kierunku (w danym kącie bryłowym) zależy od parametrów charakteryzujących cząstki rozpraszające. Po przekształceniu powyższego wzoru można zapisać, że:

gdzie:

n - liczba cząstek rozpraszających w jednostce objętości,

V - objętość cząstki rozpraszającej,

 - długość fali światła,

K - współczynnik zależny od kierunku obserwacji i odległości od wiązki przechodzącej oraz od właściwości ośrodka.

W praktyce laboratoryjnej korzysta się ze wzorów Rayleigh'a również wtedy, gdy cząstki rozpraszające mają rozmiary liniowe d większe niż wymagają tego założenia teorii Rayleigh'a. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że w takich ośrodkach (układach) zależność natężenia I światła rozproszonego od długości fali wyraża się wzorem:

gdzie:

a < 4

Jeżeli równoległą wiązkę światła przepuścimy przez roztwór mętny, to wiązka ta ulega na swej drodze osłabieniu w wyniku rozpraszania. Spadek natężenia światła przechodzącego można opisać następującym wzorem:

I_p = I₀ e^{-  l}

gdzie:

I_p - natężenie światła przechodzącego,

l - długość drogi wiązki w ośrodku mętnym,

 - współczynnik zmętnienia, zwany też mętnością ośrodka.

Współczynnik zmętnienia T jest wielkością fizyczną charakterystyczną dla danego ośrodka mętnego. Wartość liczbowa tego współczynnika określa stopień osłabienia wiązki w wyniku rozpraszania, a więc stopień zmętnienia ośrodka. Z przedstawionych wyżej zależności wynika, że aby zbadać ilościowo zjawisko rozpraszania można zmierzyć natężenie światła rozproszonego I jest to metoda nefelometryezna, bądź mierzyć natężenie światła przechodzącego I_p - jest to metoda turbidymetryczna.

Stosując metodę turbidymetryczną mierzy się zazwyczaj turbidancję A_T - wielkość analogiczną do absorbancji.

Z równania I_p = I₀ e^{-  l} wynika, że:

A_T =  l

Pomiar turbidancji pozwala więc wyznaczyć współczynnik . Pomiar natężenia światła rozproszonego wykorzystuje się w nefelometrii do badania właściwości fizykochemicznych ośrodków mętnych, między innymi roztworów koloidalnych. Jak wynika ze wzoru
, natężenie światła rozproszonego zależy od liczby cząstek rozpraszających i od ich wielkości. Pomiary nefelometryczne mogą więc służyć do wyznaczania stężenia substancji rozpraszającej światło w roztworze oraz do określenia rozmiarów cząstek rozpraszających.

Dla roztworów, w których cząstki rozpraszające mają taką samą objętość (V = const) i dla danej długości fali światła padającego (światło monochromatyczne), natężenie światła rozproszonego w danym kierunku jest proporcjonalne do liczby cząsteczek (n), a więc i do stężenia (c) substancji powodującej rozpraszanie światła w roztworze:

natomiast

gdzie:

 - masa molowa,

N - liczba Avogadra,

stąd:

gdzie

czyli:

wobec tego stężenie (c) zawiesiny w roztworze można określić za pomocą natężenia światła rozproszonego. Aby uniknąć konieczności wyznaczania stałej B, wykonuje się pomiary względne. W tym celu należy zmierzyć natężenie I światła rozproszonego dla kilku roztworów substancji badanej o znanych stężeniach i wykreślić krzywą wzorcową roztworu
I = f(c), zwaną też krzywą zmętnienia. Następnie należy zmierzyć natężenie I_x światła rozproszonego przez roztwór o badanym stężeniu c_x i z wykresu odczytać wartość stężenia c_x. Wszystkie pomiary należy wykonać w tych samych warunkach, aby wartość współczynnika B była stała. Do porównywania natężeń światła rozproszonego służy nefelometr. Jako nefelometr może być użyty spektrofotometr z przystawką nefelometryczną. Wiązka światła wychodząca z monochromatora odbija się od zwierciadła i pada na kuwetę z roztworem. Światło rozproszone, skupione za pomocą układu soczewek, pada na fotoelement i powoduje przepływ prądu elektrycznego. Natężenie fotoprądu (i) jest proporcjonalne do natężenia (I) światła rozproszonego w pewnym kącie bryłowym.

i = b I

Dla danej długości fali i przy tym samym ustawieniu kuwety współczynnik b ma stałą wartość liczbową. Jeżeli natężenie światła rozproszonego przez rozpuszczalnik (wodę) w kuwecie oznaczymy przez I₀, a natężenie światła rozproszonego przez badany roztwór mętny przez I, to można zapisać:

i₀ = b I₀

czyli:

Stosunek odpowiednich fotoprądów równa się stosunkowi natężeń światła rozproszonego. Względne natężenie światła rozproszonego można więc odczytywać na skali transmisji. Transmitancja T równa się wartości liczbowej względnego natężenia światła rozproszonego I_W

OBLICZENIA I POMIARY:

Lp.	C [g/cm^3]	IW (ilość działek)
1 2 3 4 5 6 7 8	1,5 · 10^-4 2,5 · 10^-4 3,5 · 10^-4 5 · 10^-4 6,5 · 10^-4 7,5 · 10^-4 9 · 10^-4 x = 5,5512 · 10^-4	20 29 37 54 65 70 82 55

Y = Ax + B

A = 83380

B = 8,714

Y = 55

ΔA = 3295

ΔB = 1,869

ΔY = ΔI = 0,001

Niepewność pomiaru:

---