Tyndall-ilmiö kemiassa

Tyndall-ilmiö eli Tyndall-ilmiö koostuu valon sironnasta, jonka aiheuttaa väliaine, jossa on pieniä hiukkasia suspensiossa, kuten maidon, kolloidien tai huoneen, jossa on savua tai ilma on noussut pölyä . Tämä vaikutus tekee näkyvistä valonsäteitä, jotka muutoin ohittaisivat havaitsematta.

Tyndal-ilmiön tyypillinen esimerkki syntyy, kun avaamme ikkunan pimeässä huoneessa ja näemme valonsäteen, joka ylittää huoneen, kunnes se saavuttaa lattian. Myös kun sytytämme auton ajovalot yöllä keskellä sumua tai kun näemme auringonsäteitä puiden oksien läpi pilvisessä metsässä.

Tämä ilmiö on nimetty brittiläisen fyysikon ja Lontoon kuninkaallisen instituutin luonnonfilosofian professorin John Tyndallin mukaan, joka tutki sitä laajasti 1800-luvulla. Tätä ilmiötä kutsutaan myös Rayleigh-Debye-sironnaksi.

Tyndall-ilmiö on yksi monista valonsirontailmiöistä , joiden avulla voimme selittää monia päivittäin tekemiämme havaintoja , jotka liittyvät valon vuorovaikutukseen erityyppisten hiukkasten kanssa.

Tyndall-efektin ominaisuudet

• Se on eräänlainen elastinen sironta, mikä tarkoittaa, että siihen ei liity aallonpituuden muutoksia, ja siksi tulevan fotonin energia säilyy.
• Sen aiheuttavat suhteellisen suuret hiukkaset, joiden koko on verrattavissa näkyvän valon aallonpituuteen tai suurempi.
• Se riippuu sekä hiukkasten koosta että kunkin hiukkasen muodostavien aineiden molekyylipainosta .
• Se riippuu tulevan valon polarisaatiosta.
• Sitä esiintyy kolloideissa ja suspensioissa, mutta ei todellisissa liuoksissa.

Tyndall-efekti vs. Rayleigh-sironta vs. MIE-sironta

Tyndall-ilmiö ja Rayleigh-sironta liittyvät läheisesti toisiinsa. Molemmat ovat valonsirontailmiöitä, jotka aiheutuvat väliaineessa, kuten kaasussa tai nesteessä, olevista hiukkasista. Lisäksi kummassakaan tapauksessa sironneen valon aallonpituus ei muutu, eli fotonien energia säilyy, joten ne ovat esimerkkejä elastisesta sironnasta.

Lopuksi sekä Tyndall-ilmiössä että Rayleigh-sironnassa havaitaan, että lyhimmän aallonpituuden omaava näkyvä valo (sininen ja violetti valo) on se, joka siroaa voimakkaimmin.

Suurin ero molempien sirontatyyppien välillä on valon sironnasta vastuussa olevien hiukkasten koko. Tyndall-ilmiön tapauksessa tämä havaitaan vain, kun hiukkaset ovat suhteellisen suuria, ja niiden halkaisijat ovat verrattavissa tulevan valon aallonpituuteen, eli noin 400-700 nm, ja voivat olla jopa suurempia. Tämä kuuluu monien kolloidisten hiukkasten kokoalueeseen.

Sitä vastoin Rayleigh-sironnan tapauksessa tämä tapahtuu paljon pienemmillä hiukkasilla, jotka ovat välillä 1/10 ja 1/20 aallonpituudesta tai jopa vähemmän. Tämän tyyppistä sirontaa esiintyy yksittäisillä atomeilla ja molekyyleillä , kun taas Tyndall-ilmiö esiintyy joko suuren molekyylipainon makromolekyyleillä tai hiukkasilla, jotka koostuvat monista pienemmistä molekyyleistä.

Toisaalta on MIE-dispersio. Tämä termi viittaa teoreettiseen kehykseen, joka selittää sähkömagneettisen säteilyn (eli valon) sironnan pallomaisilla hiukkasilla. MIE-sirontamalli koostuu Maxwellin yhtälöiden täydellisestä teoreettisesta kehityksestä sirontailmiöiden, kuten Rayleigh-sironta ja Tyndall-ilmiöiden, selittämiseksi ja karakterisoimiseksi.

Tyndall-ilmiön käyttö kemiassa ja muilla aloilla

Tyndall-ilmiötä on käytetty laajasti monilla eri aloilla. Tulevan valon voimakkuuden ja näytteen läpi onnistuvan valon välisen suhteen mittaaminen mahdollistaa näytteen sameuden määrittämisen. Tämä puolestaan ​​liittyy suspendoituneiden hiukkasten määrään ja niiden kokoon. Toisaalta näytteen eri havaintokulmissa sirottavan valon intensiteetti mahdollistaa myös suspensiossa olevien hiukkasten keskimääräisen koon kokeellisen määrittämisen, jolla on monia käytännön sovelluksia teollisuudessa.

Kolloidien ja todellisten liuosten erottaminen

Tyndall-ilmiön yksinkertaisin sovellus on, että sen avulla voimme helposti erottaa, milloin olemme liuoksen tai kolloidin läsnä ollessa. Paljaalla silmällä katsottuna kolloidi, kuten juoksetettu gelatiini, näyttää täysin läpinäkyvältä ja näyttää homogeeniselta hyvin samanlaiselta kuin liuoksella . Eli kolloidia on vaikea erottaa liuoksesta.

Jos kuitenkin valaistamme kolloidin näytettä laserilla tai vain fokusoidulla valonsäteellä pimeässä huoneessa, Tyndall-ilmiö tekee valonsäteen näkyväksi näytteen sisällä, mikä ei sen vuoksi pidä paikkaansa todellisessa ratkaisussa. liuoksessa olevat liuenneet aineet ovat hiukkasia, jotka ovat liian pieniä synnyttääkseen sironnan Tyndall-ilmiön vaikutuksesta. Siksi tämä vaikutus mahdollistaa kolloidien tunnistamisen nopeasti ja helposti.

sameusmitta

Turbimetria tai sameuden mittaus on samanlainen tekniikka kuin atomi- ja molekyyliabsorptiotekniikat. Tätä tekniikkaa käytetään laajasti veden laadun analysoinnissa, ja se koostuu vesi- tai muun materiaalin näytteen läpi kulkevan valon määrän mittaamisesta. Lambert-Beerin absorbanssilakia muistuttavan empiirisen lain avulla voidaan määrittää näytteessä olevien suspendoituneiden kiintoaineiden määrä, joka on tärkeä veden laadun parametri.

Sameus määritellään negatiiviseksi logaritmiksi häiriöttömän näytteen läpi onnistuneen valon voimakkuuden (I) ja tulevan valon intensiteetin (I 0 ₎ välisestä suhteesta :

Tämä sameus suhteutetaan sitten suspendoituneiden hiukkasten pitoisuuteen seuraavan lausekkeen avulla:

Kun k on suhteellisuusvakio (vastaa Lambert-Beerin lain molaarista absorptiokykyä), l on näytteen optisen reitin pituus tai paksuus ja C on suspensiossa olevien hiukkasten pitoisuus.

Tässä tekniikassa sironneen valon intensiteetti mitataan samassa suunnassa kuin tuleva valo käyttämällä laitetta, jota kutsutaan sameusmittariksi.

nefelometria

Nefelometria on turbidimetrian kaltainen tekniikka sillä erolla, että valon voimakkuuden mittaamisen sijasta samaan suuntaan kuin tuleva valo, se mitataan 90°:n kulmassa siihen nähden. Tämä tekniikka perustuu myös kolloidin suurten hiukkasten dispersioon (Tyndall-ilmiö) ja sitä käytetään laajalti tiettyjen vasta-aineiden, kuten immunoglobuliinien M, G ja A (IgG, IgM ja IgA) määrän kvantitatiiviseen määrittämiseen.

Lisäksi nefelometriaa käytetään myös:

• Suorita sameusmittaukset
• Tarkkaile proteiinisitoutumiskinetiikkaa
• Seuraa mikrobien kasvua viljelyliemissä
• Tee lääkkeiden liukoisuusseulonta
• Öljyprosessin ohjaus

Säteittäisen dispersion funktion mittaus

Pienten hiukkasten tapauksessa Tyndall-sironta voidaan mallintaa RGD-teorian tai MIE-teorian avulla. Näissä tapauksissa dispersio ei ole tasainen eri havaintokulmissa. Tapa, jolla intensiteetti vaihtelee kulman mukaan, eli säteittäinen dispersiofunktio, riippuu suurelta osin valon aallonpituuden ja hiukkasen halkaisijan välisestä suhteesta. Tästä syystä radiaalisen sirontafunktion mittaaminen tietäen tulevan valon aallonpituuden mahdollistaa kokeellisen suspensiossa olevien hiukkasten koon määrittämisen.

Tämä on erityisen hyödyllistä monien teollisten prosessien ja tuotteiden, kuten aerosolien, maalien jne., karakterisoinnissa ja laadunvalvonnassa.

Esimerkkejä Tyndall-efektistä johtuvista ilmiöistä

Silmien sininen väri johtuu iiriksessä esiintyvästä Tyndall-sironnasta. Kuten alussa mainittiin, suspendoituneet hiukkaset sirottavat sinistä valoa enemmän kuin muut valon värit, minkä vuoksi iiris palauttaa aina enemmän sinistä valoa ulos kuin tulee silmään. Tämä vaikutus esiintyy itse asiassa kaikkien ihmisten silmissä. Syy siihen, miksi joillakin on ruskea tai melkein musta iiris, johtuu siitä, että niiden iiriksessä on melaniinikerros, joka imee iiriksen hajottamaa sinistä valoa ja antaa sille tyypillisen värin.

Temppu, jolla varkaat elokuvissa näkevät turvalaserit pankeissa ja muilla erittäin turvallisilla alueilla, perustuu Tyndall-efektiin. Puhallettaessa talkkia tai muuta hienoa jauhetta syntyy pieni ilmassa oleva kiinteiden hiukkasten suspensio, joka hajottaa lasereista tulevan erittäin kollimoituneen valon, jolloin ne näkyvät silmillemme.

Batmanin signaali , joka heijastuu pilvien yläpuolelle ja Gothamin sumun läpi, kun komissaari Gordonin on puhuttava supersankarille, näkyy vain Tyndall-efektin ansiosta. Jos tällaista sirontaa ei olisi olemassa, valonsäde kulkisi pilvien läpi ja menisi äärettömään avaruuteen ilman, että näkisimme sitä, koska mikään fotoni ei palaisi tavoittamaan silmämme ja luomaan kuvan lepakkosta.

Viitteet

Barton, R. (2021, 20. marraskuuta). John Tyndall | irlantilainen fyysikko . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Britannica, Encyclopaedian toimittajat. (2021, 20. huhtikuuta). Tyndall-efekti | Määritelmä ja tosiasiat . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

BYJU:n. (2021, 22. maaliskuuta). Yleiset tietosuoja-asetuksen (GDPR) ohjeet BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Medina, M. (2018, 4. helmikuuta). Turbidimetria ja nefelometria . Bioanalyytikko. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

Kansallinen lääketieteen kirjasto. (2022, 18. helmikuuta). Kvantitatiivinen nefelometriatesti . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Nefelometria – sovellus, teoreettinen tausta, instrumentointi . (n.d.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, 5. joulukuuta). Kolloidien optiset ominaisuudet . Kemisti 69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Valero, M. (nd). AIHE II: VALON HAJOITTAMINEN . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf