Tyndall-effekten i kemi

Tyndall-effekten eller Tyndall-fenomenet består av spridning av ljus som orsakas av ett medium där det finns små partiklar i suspension, till exempel i fallet med mjölk, kolloider eller ett rum med rök eller där luften har stigit upp, damm . Denna effekt gör synliga ljusstrålar som annars skulle passera oupptäckta.

Ett typiskt exempel på Tyndall-effekten uppstår när vi öppnar ett fönster i ett mörkt rum och vi kan se ljusstrålen som korsar rummet tills den når golvet. Även när vi tänder strålkastarna på en bil på natten mitt i dimman eller när vi ser solljusstrålarna genom trädgrenar i en molnig skog.

Detta fenomen är uppkallat efter John Tyndall, brittisk fysiker och professor i naturfilosofi vid Royal Institute of London, som studerade det mycket under 1800-talet. Detta fenomen kallas även Rayleigh-Debye-spridning.

Tyndall-effekten är ett av flera ljusspridningsfenomen som gör att vi kan förklara många av de observationer vi gör varje dag relaterade till hur ljus interagerar med olika typer av partiklar .

Tyndall-effektens egenskaper

• Det är en typ av elastisk spridning, vilket innebär att den inte involverar förändringar i våglängd, och därför bevaras energin hos den infallande fotonen.
• Det orsakas av relativt stora partiklar, av storlekar jämförbara med våglängden för synligt ljus eller större.
• Det beror både på storleken på partiklarna och på molekylvikten hos de ämnen som utgör varje partikel.
• Det beror på polariseringen av det infallande ljuset.
• Det förekommer i kolloider och suspensioner, men inte i verkliga lösningar.

Tyndall-effekten kontra Rayleigh-spridning kontra MIE-spridning

Tyndall-effekten och Rayleigh-spridningen är nära besläktade. Båda är ljusspridningsfenomen orsakade av partiklar som finns i ett medium som en gas eller en vätska. Dessutom genomgår inte det spridda ljuset i båda fallen någon förändring i våglängd, det vill säga fotonernas energi bevaras, så de är exempel på elastisk spridning.

Slutligen, både i Tyndall-effekten och i Rayleigh-spridningen, observeras att det synliga ljuset med den kortaste våglängden (blått och violett ljus) är det som sprids med störst intensitet.

Den största skillnaden mellan båda typerna av spridning är storleken på de partiklar som är ansvariga för spridningen av ljus. När det gäller Tyndall-effekten observeras detta endast när partiklarna är relativt stora, med diametrar jämförbara med våglängden för det infallande ljuset, det vill säga runt 400-700 nm, och kan till och med vara större. Detta faller inom storleksintervallet för många kolloidala partiklar.

Däremot, i fallet med Rayleigh-spridning, sker detta med mycket mindre partiklar mellan 1/10 och 1/20 av våglängden eller ännu mindre. Denna typ av spridning sker med individuella atomer och molekyler , medan Tyndall-effekten sker antingen med makromolekyler med stor molekylvikt eller med partiklar som består av många mindre molekyler.

Å andra sidan är MIE-spridningen. Denna term hänvisar till ett teoretiskt ramverk för att förklara spridningen av elektromagnetisk strålning (dvs. ljus) av sfäriska partiklar. MIE-spridningsmodellen består av en fullständig teoretisk utveckling av Maxwells ekvationer för att förklara och karakterisera spridningsfenomen som Rayleigh-spridning och Tyndall-effekten.

Användning av Tyndall-effekten inom kemi och andra områden

Tyndall-effekten har använts flitigt i en mängd olika branscher. Mätningen av förhållandet mellan intensiteten av infallande ljus och ljuset som lyckas passera genom ett prov gör det möjligt att bestämma provets grumlighet. Detta är i sin tur relaterat till mängden suspenderade partiklar och deras storlek. Å andra sidan gör ljusintensiteten som sprids av ett prov, vid olika observationsvinklar, det också möjligt att experimentellt bestämma medelstorleken på partiklarna i suspension, vilket har många praktiska tillämpningar inom industrin.

Att skilja på kolloider och verkliga lösningar

Den enklaste tillämpningen av Tyndall-effekten är att den gör att vi enkelt kan skilja när vi är i närvaro av en lösning eller en kolloid. För det blotta ögat verkar en kolloid, som jäst gelatin, vara helt genomskinlig och har ett homogent utseende som mycket liknar en lösning. Det vill säga att det är svårt att skilja kolloiden från en lösning.

Men om vi belyser ett prov av en kolloid med en laser eller bara en fokuserad ljusstråle i ett mörkt rum, kommer Tyndall-effekten att göra ljusstrålen synlig i provet, vilket inte är fallet i en verklig lösning pga. de lösta ämnena i lösning är partiklar för små för att generera spridning av Tyndall-effekten. Därför tillåter denna effekt att känna igen kolloider på ett snabbt och enkelt sätt.

turbidimetri

Turbimetri, eller mätning av grumlighet, är en teknik som liknar atomära och molekylära absorptionstekniker. Denna teknik används i stor utsträckning vid analys av vattenkvalitet och består av att mäta mängden ljus som överförs genom ett vattenprov eller annat material. Med hjälp av en empirisk lag som liknar Lambert-Beers absorbanslag, kan mängden suspenderade fasta ämnen i ett prov bestämmas, vilket är en viktig parameter för vattenkvalitet.

Grumlighet definieras som den negativa logaritmen för förhållandet mellan intensiteten av ljus som lyckas passera genom det ostörda provet (I) och intensiteten av infallande ljus (I 0 ₎ :

Denna grumlighet är sedan relaterad till koncentrationen av de suspenderade partiklarna med hjälp av följande uttryck:

Där k är en proportionalitetskonstant (ekvivalent med den molära absorptionsförmågan enligt Lambert-Beer-lagen), är l den optiska väglängden eller tjockleken för provet och C är koncentrationen av partiklarna i suspension.

I denna teknik mäts intensiteten av det spridda ljuset i samma riktning som det infallande ljuset med hjälp av utrustning som kallas en turbidimeter.

nefelometri

Nephelometri är en teknik som liknar turbidimetri, med skillnaden att istället för att mäta ljusintensiteten i samma riktning som det infallande ljuset, mäts den i en position 90° till den. Denna teknik är också baserad på spridning av stora partiklar av en kolloid (Tyndall-effekt) och används i stor utsträckning för att kvantitativt bestämma mängden av vissa antikroppar såsom immunglobuliner M, G och A (IgG, IgM och IgA).

Dessutom används nefelometri också för att:

• Utför grumlighetsmätningar
• Övervaka proteinbindningskinetiken
• Övervaka mikrobiell tillväxt i odlingsbuljonger
• Gör screening för läkemedelslöslighet
• Petroleumprocesskontroll

Mätning av den radiella spridningsfunktionen

När det gäller små partiklar kan Tyndall-spridning modelleras med hjälp av RGD-teorin eller MIE-teorin. I dessa fall är spridningen inte enhetlig längs de olika observationsvinklarna. Sättet på vilket intensiteten varierar med vinkeln, känd som den radiella dispersionsfunktionen, beror till stor del på förhållandet mellan ljusets våglängd och partikelns diameter. Av denna anledning, mätning av den radiella spridningsfunktionen med kännedom om våglängden för det infallande ljuset gör det möjligt att experimentellt bestämma storleken på partiklarna i suspension.

Detta är särskilt användbart vid karakterisering och kvalitetskontroll av många industriella processer och produkter såsom aerosoler, färger, etc.

Exempel på fenomen på grund av Tyndall-effekten

Den blå färgen på ögonen beror på Tyndall-spridning som uppstår i iris. Som nämnts i början sprider suspenderade partiklar blått ljus mer än andra ljusfärger, varför iris alltid returnerar mer blått ljus ut än det kommer in i ögat. Denna effekt uppstår faktiskt i alla människors ögon. Anledningen till att vissa har brun eller nästan svart iris beror på att de har ett lager av melanin på iris som absorberar blått ljus som sprids av iris, vilket ger den dess karaktäristiska färg.

Knepet som tjuvar i filmer använder för att se säkerhetslasrar i banker och andra högsäkerhetsområden är baserat på Tyndall-effekten. Att blåsa på lite talk eller något annat fint pulver skapar en liten luftburen suspension av fasta partiklar som sprider det starkt kollimerade ljuset från lasrarna och gör dem synliga för våra ögon.

Batmans signal som projiceras ovanför molnen och genom Gotham-diset när kommissarie Gordon behöver prata med superhjälten är bara synlig tack vare Tyndall-effekten. Om denna typ av spridning inte existerade skulle ljusstrålen gå genom molnen och gå in i oändlig rymd utan att vi kunde se det, eftersom det inte skulle finnas någon foton som skulle återvända för att nå våra ögon och generera bilden av fladdermusen.

Referenser

Barton, R. (2021, 20 november). John Tyndall | Irländsk fysiker . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Britannica, The Editors of Encyclopaedia. (2021, 20 april). Tyndall effekt | Definition & Fakta . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

BYJU’s. (2021, 22 mars). Allmänna riktlinjer för dataskyddsförordningen (GDPR) BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Medina, M. (2018, 4 februari). Turbidimetri och nefelometri . Bioanalytikern. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

National Library of Medicine. (2022, 18 februari). Kvantitativt nefelometritest . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Nefelometri – Tillämpning, teoretisk bakgrund, instrumentering . (n.d.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, 5 december). Optiska egenskaper hos kolloider . Kemist 69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Valero, M. (nd). ÄMNE II: SPRIDNING AV LJUS . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf