Efectul Tyndall în chimie

Efectul Tyndall sau fenomenul Tyndall constă în împrăștierea luminii cauzată de un mediu în care sunt mici particule în suspensie, precum în cazul laptelui, coloizilor sau a unei încăperi cu fum sau în care aerul s-a ridicat praf . Acest efect face vizibile fascicule de lumină care altfel ar trece nedetectate.

Un exemplu tipic al efectului Tyndall apare atunci când deschidem o fereastră într-o cameră întunecată și putem vedea fasciculul de lumină care traversează camera până ajunge la podea. De asemenea, când aprindem farurile unei mașini noaptea în mijlocul ceții sau când vedem razele soarelui prin ramurile copacilor dintr-o pădure înnorată.

Acest fenomen este numit după John Tyndall, fizician britanic și profesor de filozofie naturală la Institutul Regal din Londra, care l-a studiat pe larg în secolul al XIX-lea. Acest fenomen se mai numește și împrăștiere Rayleigh-Debye.

Efectul Tyndall este unul dintre numeroasele fenomene de împrăștiere a luminii care ne permit să explicăm multe dintre observațiile pe care le facem în fiecare zi legate de modul în care lumina interacționează cu diferite tipuri de particule.

Caracteristicile efectului Tyndall

• Este un tip de împrăștiere elastică, ceea ce înseamnă că nu implică modificări ale lungimii de undă și, prin urmare, energia fotonului incident este conservată.
• Este cauzată de particule relativ mari, de dimensiuni comparabile cu lungimea de undă a luminii vizibile sau mai mari.
• Depinde atât de dimensiunea particulelor, cât și de greutatea moleculară a substanțelor care alcătuiesc fiecare particulă.
• Depinde de polarizarea luminii incidente.
• Apare în coloizi și suspensii, dar nu și în soluții reale.

Efectul Tyndall versus împrăștierea Rayleigh versus împrăștierea MIE

Efectul Tyndall și împrăștierea Rayleigh sunt strâns legate. Ambele sunt fenomene de împrăștiere a luminii cauzate de particulele prezente într-un mediu, cum ar fi un gaz sau un lichid. În plus, în ambele cazuri lumina împrăștiată nu suferă nicio modificare a lungimii de undă, adică energia fotonilor este conservată, deci sunt exemple de împrăștiere elastică.

În fine, atât în ​​efectul Tyndall, cât și în împrăștierea Rayleigh, se observă că lumina vizibilă cu cea mai scurtă lungime de undă (lumină albastră și violetă) este cea care este împrăștiată cu cea mai mare intensitate.

Principala diferență dintre ambele tipuri de împrăștiere este dimensiunea particulelor responsabile de împrăștierea luminii. În cazul efectului Tyndall, acest lucru se observă numai atunci când particulele sunt relativ mari, cu diametre comparabile cu lungimea de undă a luminii incidente, adică în jur de 400-700 nm, și pot fi chiar mai mari. Aceasta se încadrează în intervalul de dimensiuni a multor particule coloidale.

În schimb, în ​​cazul împrăștierii Rayleigh, aceasta se întâmplă cu particule mult mai mici între 1/10 și 1/20 din lungimea de undă sau chiar mai puțin. Acest tip de împrăștiere are loc cu atomi și molecule individuali , în timp ce efectul Tyndall apare fie cu macromolecule cu greutate moleculară mare, fie cu particule formate din multe molecule mai mici.

Pe de altă parte este dispersia MIE. Acest termen se referă la un cadru teoretic pentru a explica împrăștierea radiației electromagnetice (adică a luminii) de către particule sferice. Modelul de împrăștiere MIE constă într-o dezvoltare teoretică completă a ecuațiilor lui Maxwell pentru a explica și caracteriza fenomene de împrăștiere, cum ar fi împrăștierea Rayleigh și efectul Tyndall.

Utilizări ale efectului Tyndall în chimie și în alte domenii

Efectul Tyndall a fost utilizat pe scară largă într-o mare varietate de industrii. Măsurarea relației dintre intensitatea luminii incidente și lumina care reușește să treacă printr-o probă face posibilă determinarea turbidității probei. Aceasta, la rândul său, este legată de cantitatea de particule în suspensie și de dimensiunea acestora. Pe de altă parte, intensitatea luminii împrăștiate de o probă, la diferite unghiuri de observație, face posibilă și determinarea experimentală a dimensiunii medii a particulelor în suspensie, ceea ce își găsește multe aplicații practice în industrie.

Distingerea dintre coloizi și soluții reale

Cea mai simplă aplicare a efectului Tyndall este că ne permite să distingem cu ușurință când ne aflăm în prezența unei soluții sau a unui coloid. Pentru ochiul liber, un coloid, cum ar fi gelatina coagulată, pare complet transparent și are un aspect omogen foarte asemănător cu cel al unei soluții. Adică, este dificil să distingem coloidul de o soluție.

Cu toate acestea, dacă iluminăm o probă dintr-un coloid cu un laser sau doar un fascicul de lumină focalizat într-o cameră întunecată, efectul Tyndall va face fasciculul de lumină vizibil în cadrul eșantionului, ceea ce nu este cazul într-o soluție reală datorită faptului că substanțele dizolvate din soluție sunt particule prea mici pentru a genera împrăștiere prin efectul Tyndall. Prin urmare, acest efect permite recunoașterea coloizilor într-un mod rapid și ușor.

turbidimetrie

Turbimetria, sau măsurarea turbidității, este o tehnică similară tehnicilor de absorbție atomică și moleculară. Această tehnică este utilizată pe scară largă în analiza calității apei și constă în măsurarea cantității de lumină transmisă printr-o probă de apă sau alt material. Folosind o lege empirică similară cu legea Lambert-Beer a absorbanței, se poate determina cantitatea de solide în suspensie dintr-o probă, care este un parametru important al calității apei.

Turbiditatea este definită ca logaritmul negativ al relației dintre intensitatea luminii care reușește să treacă prin proba netulburată (I) și intensitatea luminii incidente (I 0 ₎ :

Această turbiditate este apoi legată de concentrația particulelor în suspensie prin intermediul următoarei expresii:

Unde k este o constantă de proporționalitate (echivalent cu absorbtivitatea molară a legii Lambert-Beer), l este lungimea sau grosimea căii optice a probei și C este concentrația particulelor în suspensie.

În această tehnică, intensitatea luminii împrăștiate este măsurată pe aceeași direcție ca și lumina incidentă folosind un echipament numit turbidimetru.

nefelometrie

Nefelometria este o tehnică asemănătoare turbidimetriei, cu diferența că, în loc să măsoare intensitatea luminii în aceeași direcție cu lumina incidentă, se măsoară la o poziție la 90° față de aceasta. Această tehnică se bazează și pe dispersia particulelor mari ale unui coloid (efectul Tyndall) și este utilizată pe scară largă pentru a determina cantitativ cantitatea anumitor anticorpi precum imunoglobulinele M, G și A (IgG, IgM și IgA).

În plus, nefelometria este folosită și pentru:

• Efectuați măsurători de turbiditate
• Monitorizați cinetica de legare a proteinelor
• Monitorizați creșterea microbiană în bulioanele de cultură
• Faceți un screening al solubilității medicamentului
• Controlul procesului petrolier

Măsurarea funcției de dispersie radială

În cazul particulelor mici, împrăștierea Tyndall poate fi modelată prin intermediul teoriei RGD sau al teoriei MIE. În aceste cazuri, dispersia nu este uniformă de-a lungul diferitelor unghiuri de observare. Modul în care intensitatea variază în funcție de unghi, cunoscut sub numele de funcție de dispersie radială, depinde în mare măsură de relația dintre lungimea de undă a luminii și diametrul particulei. Din acest motiv, măsurarea funcției de împrăștiere radială cunoscând lungimea de undă a luminii incidente face posibilă determinarea experimentală a dimensiunii particulelor în suspensie.

Acest lucru este deosebit de util în caracterizarea și controlul calității multor procese și produse industriale, cum ar fi aerosoli, vopsele etc.

Exemple de fenomene datorate efectului Tyndall

Culoarea albastră a ochilor se datorează împrăștierii Tyndall care apare în iris. După cum am menționat la început, particulele suspendate împrăștie lumina albastră mai mult decât alte culori de lumină, motiv pentru care irisul returnează întotdeauna mai multă lumină albastră decât intră în ochi. Acest efect apare de fapt în ochii tuturor oamenilor. Motivul pentru care unii au irisul maro sau aproape negru este pentru ca au pe iris un strat de melanina care absoarbe lumina albastra imprastiata de iris, conferindu-i astfel culoarea caracteristica.

Trucul pe care hoții îl folosesc în filme pentru a vedea laserele de securitate în bănci și alte zone de înaltă securitate se bazează pe efectul Tyndall. Suflarea pe niște talc sau altă pulbere fină creează o mică suspensie în aer de particule solide care împrăștie lumina puternic colimată de la lasere, făcându-le vizibile pentru ochi.

Semnalul lui Batman care este proiectat deasupra norilor și prin ceața Gotham atunci când comisarul Gordon trebuie să vorbească cu super-eroul este vizibil doar datorită efectului Tyndall. Dacă nu ar exista acest tip de împrăștiere, fasciculul de lumină ar trece prin nori și ar merge în spațiul infinit fără ca noi să-l putem vedea, deoarece nu ar exista niciun foton care să revină pentru a ajunge în ochii noștri și a genera imaginea liliacului.

Referințe

Barton, R. (20 noiembrie 2021). John Tyndall | fizician irlandez . Enciclopedia Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Britannica, Editorii Enciclopediei. (20 aprilie 2021). efect Tyndall | Definiție și fapte . Enciclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

ale lui BYJU. (22 martie 2021). Regulamentul general privind protecția datelor (GDPR) Ghid BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Medina, M. (2018, 4 februarie). Turbidimetrie și Nefelometrie . Bioanalistul. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

Biblioteca Națională de Medicină. (2022, 18 februarie). Test de nefelometrie cantitativă . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Nefelometrie – Aplicație, Context teoretic, Instrumentare . (n.d.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, 5 decembrie). Proprietățile optice ale coloizilor . Chimist69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Valero, M. (nd). TEMA II: DISPERSIUNEA LUMINII . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf