L’effetto Tyndall in chimica

L’effetto Tyndall o fenomeno Tyndall consiste nella diffusione della luce provocata da un mezzo in cui sono presenti piccole particelle in sospensione, come nel caso del latte, dei colloidi o di una stanza con fumo o in cui è salita aria di polvere . Questo effetto rende visibili i raggi di luce che altrimenti passerebbero inosservati.

Un tipico esempio di effetto Tyndall si verifica quando apriamo una finestra in una stanza buia e possiamo vedere il raggio di luce che attraversa la stanza fino a raggiungere il pavimento. Anche quando accendiamo i fari di un’auto di notte in mezzo alla nebbia o quando vediamo i raggi del sole attraverso i rami degli alberi in una foresta nuvolosa.

Questo fenomeno prende il nome da John Tyndall, fisico britannico e professore di filosofia naturale al Royal Institute di Londra, che lo studiò a lungo durante il XIX secolo. Questo fenomeno è anche chiamato scattering di Rayleigh-Debye.

L’effetto Tyndall è uno dei numerosi fenomeni di diffusione della luce che ci permettono di spiegare molte delle osservazioni che facciamo ogni giorno relative al modo in cui la luce interagisce con diversi tipi di particelle.

Caratteristiche dell’effetto Tyndall

• È un tipo di scattering elastico, il che significa che non comporta variazioni di lunghezza d’onda, e quindi si conserva l’energia del fotone incidente.
• È causato da particelle relativamente grandi, di dimensioni paragonabili alla lunghezza d’onda della luce visibile o maggiori.
• Dipende sia dalla dimensione delle particelle che dal peso molecolare delle sostanze che compongono ciascuna particella.
• Dipende dalla polarizzazione della luce incidente.
• Si verifica in colloidi e sospensioni, ma non in soluzioni reali.

L’effetto Tyndall rispetto allo scattering di Rayleigh rispetto allo scattering MIE

L’effetto Tyndall e lo scattering di Rayleigh sono strettamente correlati. Entrambi sono fenomeni di diffusione della luce causati da particelle presenti in un mezzo come un gas o un liquido. Inoltre in entrambi i casi la luce diffusa non subisce alcuna variazione di lunghezza d’onda, cioè l’energia dei fotoni si conserva, quindi sono esempi di diffusione elastica.

Infine, sia nell’effetto Tyndall che nello scattering di Rayleigh, si osserva che la luce visibile con la lunghezza d’onda più corta (luce blu e viola) è quella che viene diffusa con la maggiore intensità.

La principale differenza tra i due tipi di diffusione è la dimensione delle particelle responsabili della diffusione della luce. Nel caso dell’effetto Tyndall, questo si osserva solo quando le particelle sono relativamente grandi, con diametri paragonabili alla lunghezza d’onda della luce incidente, cioè intorno ai 400-700 nm, e possono anche essere maggiori. Questo rientra nella gamma di dimensioni di molte particelle colloidali.

Al contrario, nel caso dello scattering di Rayleigh, ciò si verifica con particelle molto più piccole tra 1/10 e 1/20 della lunghezza d’onda o anche meno. Questo tipo di scattering si verifica con singoli atomi e molecole , mentre l’effetto Tyndall si verifica sia con macromolecole di grande peso molecolare, sia con particelle costituite da molte molecole più piccole.

D’altra parte è la dispersione MIE. Questo termine si riferisce a un quadro teorico per spiegare la diffusione della radiazione elettromagnetica (cioè la luce) da parte di particelle sferiche. Il modello di scattering MIE consiste in uno sviluppo teorico completo delle equazioni di Maxwell per spiegare e caratterizzare fenomeni di scattering come lo scattering di Rayleigh e l’effetto Tyndall.

Usi dell’effetto Tyndall in chimica e in altri settori

L’effetto Tyndall è stato ampiamente utilizzato in un’ampia varietà di industrie. La misura del rapporto tra l’intensità della luce incidente e la luce che riesce ad attraversare un campione permette di determinare la torbidità del campione. Questo, a sua volta, è correlato alla quantità di particelle sospese e alla loro dimensione. D’altra parte, l’intensità della luce diffusa da un campione, a diversi angoli di osservazione, consente anche di determinare sperimentalmente la dimensione media delle particelle in sospensione, che trova molte applicazioni pratiche nell’industria.

Distinguere tra colloidi e soluzioni reali

L’applicazione più semplice dell’effetto Tyndall è che ci permette di distinguere facilmente quando siamo in presenza di una soluzione o di un colloide. Ad occhio nudo un colloide, come la gelatina cagliata, appare completamente trasparente e ha un aspetto omogeneo molto simile a quello di una soluzione. Cioè, è difficile distinguere il colloide da una soluzione.

Tuttavia, se illuminiamo un campione di un colloide con un laser o solo un raggio di luce focalizzato in una stanza buia, l’effetto Tyndall renderà visibile il raggio di luce all’interno del campione, cosa che non avviene in una soluzione reale a causa di ciò i soluti in soluzione sono particelle troppo piccole per generare scattering per effetto Tyndall. Pertanto, questo effetto consente di riconoscere i colloidi in modo rapido e semplice.

turbidimetria

La turbimetria, o misurazione della torbidità, è una tecnica simile alle tecniche di assorbimento atomico e molecolare. Questa tecnica è ampiamente utilizzata nell’analisi della qualità dell’acqua e consiste nel misurare la quantità di luce trasmessa attraverso un campione di acqua o altro materiale. Utilizzando una legge empirica simile alla legge di assorbanza di Lambert-Beer, è possibile determinare la quantità di solidi sospesi in un campione, che è un parametro importante della qualità dell’acqua.

La torbidità è definita come il logaritmo negativo del rapporto tra l’intensità della luce che riesce ad attraversare il campione indisturbato (I) e l’intensità della luce incidente (I 0 ₎ :

Questa torbidità è poi correlata alla concentrazione delle particelle sospese mediante la seguente espressione:

Dove k è una costante di proporzionalità (equivalente all’assorbività molare della legge di Lambert-Beer), l è la lunghezza del cammino ottico o lo spessore del campione e C è la concentrazione delle particelle in sospensione.

In questa tecnica, l’intensità della luce diffusa viene misurata lungo la stessa direzione della luce incidente utilizzando un’apparecchiatura chiamata torbidimetro.

nefelometria

La nefelometria è una tecnica simile alla turbidimetria, con la differenza che, invece di misurare l’intensità luminosa nella stessa direzione della luce incidente, viene misurata in una posizione a 90° rispetto ad essa. Anche questa tecnica si basa sulla dispersione di grandi particelle di un colloide (effetto Tyndall) ed è ampiamente utilizzata per determinare quantitativamente la quantità di alcuni anticorpi come le immunoglobuline M, G e A (IgG, IgM e IgA).

Inoltre, la nefelometria viene utilizzata anche per:

• Eseguire misurazioni della torbidità
• Monitorare la cinetica di legame alle proteine
• Monitorare la crescita microbica nei brodi di coltura
• Eseguire lo screening della solubilità del farmaco
• Controllo del processo petrolifero

Misura della funzione di dispersione radiale

Nel caso di particelle piccole, lo scattering di Tyndall può essere modellato mediante la teoria RGD o la teoria MIE. In questi casi la dispersione non è uniforme lungo i diversi angoli di osservazione. Il modo in cui l’intensità varia con l’angolo, noto come funzione di dispersione radiale, dipende in gran parte dal rapporto tra la lunghezza d’onda della luce e il diametro della particella. Per questo motivo, misurare la funzione di scattering radiale conoscendo la lunghezza d’onda della luce incidente permette di determinare sperimentalmente la dimensione delle particelle in sospensione.

Ciò è particolarmente utile nella caratterizzazione e nel controllo di qualità di molti processi e prodotti industriali come aerosol, vernici, ecc.

Esempi di fenomeni dovuti all’effetto Tyndall

Il colore blu degli occhi è dovuto alla dispersione di Tyndall che si verifica nell’iride. Come accennato all’inizio, le particelle sospese diffondono la luce blu più di altri colori di luce, motivo per cui l’iride restituisce sempre più luce blu di quanta ne entri nell’occhio. Questo effetto si verifica effettivamente agli occhi di tutte le persone. Il motivo per cui alcuni hanno l’iride marrone o quasi nera è perché hanno uno strato di melanina sull’iride che assorbe la luce blu diffusa dall’iride, conferendole così il suo caratteristico colore.

Il trucco usato dai ladri nei film per vedere i laser di sicurezza nelle banche e in altre aree ad alta sicurezza si basa sull’effetto Tyndall. Soffiando su un po’ di talco o qualche altra polvere fine si crea una minuscola sospensione aerea di particelle solide che disperde la luce altamente collimata dai laser, rendendoli visibili ai nostri occhi.

Il segnale di Batman che viene proiettato sopra le nuvole e attraverso la foschia di Gotham quando il Commissario Gordon ha bisogno di parlare con il supereroe è visibile solo grazie all’effetto Tyndall. Se questo tipo di scattering non esistesse, il raggio di luce attraverserebbe le nuvole e andrebbe nello spazio infinito senza che noi potessimo vederlo, poiché non ci sarebbe nessun fotone che ritornerebbe per raggiungere i nostri occhi e generare l’immagine del pipistrello.

Riferimenti

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