Ефектът на Тиндал в химията

Ефектът на Тиндал или феноменът на Тиндал се състои от разсейване на светлината, причинено от среда, в която има малки частици в суспензия, като например в случая на мляко, колоиди или стая с дим или в която въздухът се е издигнал прах. Този ефект прави видими светлинни лъчи, които иначе биха минали незабелязани.

Типичен пример за ефекта на Тиндал възниква, когато отворим прозорец в тъмна стая и можем да видим лъча светлина, който пресича стаята, докато стигне до пода. Също така, когато включим фаровете на кола през нощта в мъглата или когато видим слънчевите лъчи през клоните на дърветата в облачна гора.

Това явление е кръстено на Джон Тиндал, британски физик и професор по естествена философия в Кралския институт в Лондон, който го изучава широко през 19 век. Това явление се нарича още разсейване на Релей-Дебай.

Ефектът на Тиндал е един от няколкото феномена на разсейване на светлината , които ни позволяват да обясним много от наблюденията, които правим всеки ден, свързани с начина, по който светлината взаимодейства с различни видове частици.

Характеристики на ефекта на Тиндал

• Това е вид еластично разсейване, което означава, че не включва промени в дължината на вълната и следователно енергията на падащия фотон се запазва.
• Причинява се от относително големи частици с размери, сравними с дължината на вълната на видимата светлина или по-големи.
• Зависи както от размера на частиците, така и от молекулното тегло на веществата, които изграждат всяка частица.
• Зависи от поляризацията на падащата светлина.
• Среща се в колоиди и суспензии, но не и в реални разтвори.

Ефектът на Тиндал срещу разсейването на Рейли срещу разсейването на MIE

Ефектът на Тиндал и разсейването на Релей са тясно свързани. И двете са явления на разсейване на светлината, причинени от частици, присъстващи в среда като газ или течност. Освен това и в двата случая разсеяната светлина не претърпява промяна в дължината на вълната, тоест енергията на фотоните се запазва, така че те са примери за еластично разсейване.

И накрая, както при ефекта на Тиндал, така и при разсейването на Релей се наблюдава, че видимата светлина с най-къса дължина на вълната (синя и виолетова светлина) е тази, която се разсейва с най-голям интензитет.

Основната разлика между двата вида разсейване е размерът на частиците, отговорни за разсейването на светлината. В случая на ефекта на Тиндал това се наблюдава само когато частиците са относително големи, с диаметри, сравними с дължината на вълната на падащата светлина, тоест около 400-700 nm, и дори може да са по-големи. Това попада в обхвата на размера на много колоидни частици.

За разлика от това, в случай на разсейване на Rayleigh, това се случва с много по-малки частици между 1/10 и 1/20 от дължината на вълната или дори по-малко. Този тип разсейване възниква при отделни атоми и молекули , докато ефектът на Тиндал възниква или при макромолекули с голямо молекулно тегло, или при частици, съставени от много по-малки молекули.

От друга страна е дисперсията на MIE. Този термин се отнася до теоретична рамка за обяснение на разсейването на електромагнитно излъчване (т.е. светлина) от сферични частици. Моделът на разсейване MIE се състои от пълна теоретична разработка на уравненията на Максуел за обяснение и характеризиране на явления на разсейване като разсейване на Релей и ефекта на Тиндал.

Използване на ефекта на Тиндал в химията и други области

Ефектът на Тиндал се използва широко в голямо разнообразие от индустрии. Измерването на връзката между интензитета на падащата светлина и светлината, която успява да премине през пробата, позволява да се определи мътността на пробата. Това от своя страна е свързано с количеството на суспендираните частици и техния размер. От друга страна, интензитетът на светлината, разпръсната от пробата, при различни ъгли на наблюдение, също така позволява експериментално определяне на средния размер на частиците в суспензията, което намира много практически приложения в индустрията.

Разграничаване между колоиди и истински разтвори

Най-простото приложение на ефекта на Тиндал е, че ни позволява лесно да различим кога сме в присъствието на разтвор или колоид. С невъоръжено око колоид, като пресечен желатин, изглежда напълно прозрачен и има хомогенен външен вид, много подобен на този на разтвор. Тоест, трудно е да се различи колоидът от разтвора.

Въпреки това, ако осветим проба от колоид с лазер или просто с фокусиран лъч светлина в тъмна стая, ефектът на Тиндал ще направи светлинния лъч видим в пробата, което не е така в реално решение поради това разтворените вещества в разтвора са частици, твърде малки, за да генерират разсейване от ефекта на Тиндал. Следователно този ефект позволява да се разпознават колоидите по бърз и лесен начин.

турбидиметрия

Турбиметрията или измерването на мътността е техника, подобна на техниките за атомна и молекулярна абсорбция. Тази техника се използва широко при анализа на качеството на водата и се състои в измерване на количеството светлина, предадено през проба от вода или друг материал. Използвайки емпиричен закон, подобен на закона за абсорбцията на Ламбърт-Биър, може да се определи количеството на суспендираните твърди вещества в пробата, което е важен параметър за качеството на водата.

Мътността се дефинира като отрицателен логаритъм от връзката между интензитета на светлината, която успява да премине през непроменената проба (I) и интензитета на падащата светлина (I 0 ₎ :

След това тази мътност се свързва с концентрацията на суспендираните частици посредством следния израз:

Където k е константа на пропорционалност (еквивалентна на моларната абсорбция на закона на Lambert-Beer), l е дължината на оптичния път или дебелината на пробата и C е концентрацията на частиците в суспензията.

При тази техника интензитетът на разсеяната светлина се измерва в същата посока като падащата светлина с помощта на оборудване, наречено турбидиметър.

нефелометрия

Нефелометрията е техника, подобна на турбидиметрията, с тази разлика, че вместо да се измерва интензитетът на светлината в същата посока като падащата светлина, тя се измерва в позиция на 90° спрямо нея. Тази техника също се основава на дисперсията на големи частици от колоид (ефект на Тиндал) и се използва широко за количествено определяне на количеството на определени антитела като имуноглобулини M, G и A (IgG, IgM и IgA).

В допълнение, нефелометрията се използва и за:

• Извършете измервания на мътността
• Наблюдавайте кинетиката на свързване с протеини
• Наблюдавайте микробния растеж в културални бульони
• Направете скрининг за разтворимост на лекарства
• Контрол на петролния процес

Измерване на радиалната дисперсионна функция

В случай на малки частици, разсейването на Тиндал може да се моделира чрез теорията на RGD или теорията на MIE. В тези случаи дисперсията не е еднаква по различните ъгли на наблюдение. Начинът, по който интензитетът варира с ъгъл, известен като функция на радиална дисперсия, зависи до голяма степен от връзката между дължината на вълната на светлината и диаметъра на частицата. Поради тази причина измерването на функцията на радиално разсейване, като се знае дължината на вълната на падащата светлина, прави възможно експерименталното определяне на размера на частиците в суспензията.

Това е особено полезно при характеризирането и контрола на качеството на много индустриални процеси и продукти като аерозоли, бои и др.

Примери за явления, дължащи се на ефекта на Тиндал

Синият цвят на очите се дължи на разсейването на Тиндал, което се случва в ириса. Както споменахме в началото, суспендираните частици разпръскват синята светлина повече от другите цветове на светлината, поради което ирисът винаги връща повече синя светлина, отколкото влиза в окото. Този ефект всъщност се проявява в очите на всички хора. Причината някои да имат кафяв или почти черен ирис е, че имат слой меланин върху ириса, който абсорбира синята светлина, разпръсната от ириса, като по този начин му придава характерния цвят.

Номерът, който крадците във филмите използват, за да видят лазери за сигурност в банки и други зони с висока степен на сигурност, се основава на ефекта на Тиндал. Издухването на малко талк или някакъв друг фин прах създава малка въздушна суспензия от твърди частици, която разпръсква силно колимираната светлина от лазерите, правейки ги видими за очите ни.

Сигналът на Батман , който се проектира над облаците и през мъглата на Готам, когато комисар Гордън трябва да говори със супергероя, се вижда само благодарение на ефекта на Тиндал. Ако този тип разсейване не съществуваше, лъчът светлина щеше да премине през облаците и да отиде в безкрайното пространство, без да можем да го видим, тъй като нямаше да има фотон, който да се върне, за да достигне до очите ни и да генерира образа на прилепа.

Препратки

Бартън, Р. (2021 г., 20 ноември). Джон Тиндал | ирландски физик . Енциклопедия Британика. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Британика, редакторите на енциклопедия. (2021 г., 20 април). Ефект на Тиндал | Дефиниция и факти . Енциклопедия Британика. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

на BYJU. (2021 г., 22 март). Насоки на Общия регламент за защита на данните (GDPR) BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Медина, М. (2018, 4 февруари). Турбидиметрия и нефелометрия . Биоаналитикът. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

Национална библиотека по медицина. (2022 г., 18 февруари). Количествен нефелометричен тест . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Нефелометрия – приложение, теоретична основа, инструментариум . (n.d.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, 5 декември). Оптични свойства на колоидите . Химик69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Валеро, М. (nd). ТЕМА II: ДИСПЕРСИЯ НА СВЕТЛИНАТА . Гредос.Усал.Ес. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf