Bài 12.TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA HỆ KEO

T NH CH T QUANG H C Í Ấ Ọ
C A H KEOỦ Ệ
Trần Lý Mỹ Nhân
Nguyễn Thị Minh Khoa
Huỳnh Văn Đằng


•
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 0
o
và 180
o
hoàn toàn không phân
cực, còn ánh sáng phân tán theo góc 90
o

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.
opt
I
v
nn
nn
I
4
2
2
2
2
1
2
2
2
1
3
.
24
λ
γ
π









+
−
=
I
pt
, I
o
: cường độ ánh sáng phân
tán và ánh sáng tới
n
1
, n
2
: 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.
⇒≈− 0
2
2
2
1
nn
Hệ không phân tán ánh sáng (nhũ tương
của glycerin trong carbon tetra clorua được
làm bền bằng natri oleat thì trong suốt)
constv =.
γ

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,I
o
: 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 = I
o
e
-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 = I
o
e
-KCl (V.4)
Lấy ln 2 vế của phương trình:
KCl
I
I
o
=ln
(V.5)
I
I
o
ln
: 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
I
I
o

Biến đổi (V.4) ta có
KCl
o
o
KCl
o
KCl
o
e
I
II
e
I
I
e
I
I
−−−
−=
−
⇔−=−⇒= 111
(V.6)
o
o
I

II
−
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
I
I
K
o
ln=
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 = I
o
exp[-[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
n
=
γ
ndvm =
nd

m
v =→
(V.9)
(V.10)
v

•
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:
3
2
4
3
3
4
nd
m
r
nd
m
rv
π
π
=→==
(V.11)
3
3
nd
m

l
nd
m
lv =→==
(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.