El efecto Tyndall en química

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¿Qué es el efecto Tyndall?

El efecto Tyndall o fenómeno Tyndall consiste en la dispersión de la luz ocasionada por un medio en el que hay partículas pequeñas en suspensión, tal como en el caso de la leche, los coloides o una habitación con humo o en la que se ha levantado el polvo. Este efecto hace visibles a los haces de luz que de otra manera pasarían de largo sin detectarse.

Un ejemplo típico del efecto Tyndall se da cuando abrimos una ventana en un cuarto oscuro y logramos ver el haz de luz que atraviesa el cuarto hasta llegar al suelo. También cuando encendemos las luces de un automóvil en la noche en medio de la neblina o cuando vemos los rayos de la luz del sol a través de las ramas de los árboles en un bosque nublado.

Efecto Tyndall

Este fenómeno lleva el nombre del físico británico y profesor de filosofía natural del Instituto Real de Londres John Tyndall, quien lo estudió ampliamente durante el siglo XIX. A este fenómeno también se le llama dispersión Rayleigh-Debye.

El efecto Tyndall es uno de varios fenómenos de dispersión de la luz que nos permiten explicar muchas de las observaciones que hacemos todos los días relacionadas con la manera en la que la luz interactúa con distintos tipos de partículas.

Características del efecto Tyndall

  • Es un tipo de dispersión elástica, lo que significa que no involucra cambios en la longitud de onda, y, por lo tanto, se conserva la energía del fotón incidente.
  • Es causado por partículas relativamente grandes, de tamaños comparables con la longitud de onda de la luz visible o más.
  • Depende tanto del tamaño de las partículas como del peso molecular de las sustancias que conforman cada partícula.
  • Depende de la polarización de la luz incidente.
  • Se da en coloides y suspensiones, pero no en disoluciones reales.

El efecto Tyndall versus dispersión Rayleigh versus dispersión MIE

El efecto Tyndall y la dispersión de Rayleigh están muy relacionados. Ambos son fenómenos de la dispersión de la luz causados por partículas presentes en un medio como un gas o un líquido. Además, en ambos casos la luz dispersada no sufre ningún cambio en la longitud de onda, es decir, se conserva la energía de los fotones por lo que son ejemplos de dispersión elástica.

Finalmente, tanto en el efecto Tyndall como en la dispersión de Rayleigh se observa que la luz visible de longitud de onda más corta (la luz de color azul y violeta) es la que se dispersa con mayor intensidad.

La diferencia principal entre ambos tipos de dispersión es el tamaño de las partículas responsables por la dispersión de la luz. En el caso del efecto Tyndall, este solo se observa cuando las partículas son relativamente grandes, con diámetros comparables con la longitud de onda de la luz incidente, es decir, de alrededor de 400-700 nm, pudiendo incluso ser más grandes. Esto entra en el rango de tamaños de muchas partículas coloidales.

Efecto Tyndall reflectores

En cambio, en el caso de la dispersión Rayleigh, esta se da con partículas mucho más pequeñas de entre 1/10 y 1/20 de la longitud de onda o incluso menos. Este tipo de dispersión se da con átomos y moléculas individuales, mientras que el efecto Tyndall se da o con macromoléculas de gran peso molecular, o con partículas formadas por muchas moléculas más pequeñas.

Por otro lado está la dispersión MIE. Este término se refiere a un marco teórico para explicar la dispersión de radiación electromagnética (es decir, luz) por parte de partículas esféricas. El modelo de dispersión MIE consiste en un desarrollo teórico completo de las ecuaciones de Maxwell para explicar y caracterizar fenómenos de dispersión como la dispersión Rayleigh y el efecto Tyndall.

Usos del efecto Tyndall en química y otras áreas

El efecto Tyndall se ha utilizado extensivamente en una gran variedad de industrias. La medición de la relación entre la intensidad de luz incidente y la luz que logra atravesar una muestra permite determinar la turbidez de la muestra. Esto, a su vez, se relaciona con la cantidad de partículas en suspensión y su tamaño. Por otro lado, la intensidad de luz dispersada por una muestra, en distintos ángulos de observación también permite determinar experimentalmente el tamaño promedio de las partículas en suspensión, lo que encuentra muchas aplicaciones prácticas en la industria.

Distinción entre coloides y disoluciones reales

La aplicación más simple del efecto Tyndall es que permite distinguir fácilmente cuando estamos en presencia de una disolución o de un coloide. A simple vista, un coloide, como por ejemplo la gelatina cuajada, se ve completamente transparente y tiene un aspecto homogéneo muy similar al de una disolución. Es decir, resulta difícil distinguir el coloide de una disolución.

Sin embargo, si iluminamos una muestra de un coloide con un láser o simplemente con un haz de luz focalizada en un cuarto oscuro, el efecto Tyndall hará visible el haz de luz dentro de la muestra, cosa que no sucede en una disolución real debido a que los solutos en disolución son partículas demasiado pequeñas para generar dispersión por el efecto Tyndall. Por lo tanto, este efecto permite reconocer coloides de una manera rápida y sencilla.

Turbidimetría

La turbimetría, o medida de la turbidez, es una técnica similar a las técnicas de absorción atómica y molecular. Esta técnica se utiliza extensamente en el análisis de la calidad de agua, y consiste en medir la cantidad de luz transmitida a través de una muestra de agua u otro material. Utilizando una ley empírica similar a la ley de absorbancia de Lambert-Beer, se puede determinar la cantidad de sólidos en suspensión que contiene una muestra, lo cual es un parámetro importante de la calidad del agua.

Efecto Tyndall en la medición de la turbidez del agua

La turbidez se define como el logaritmo negativo de la relación entre intensidad de luz que logra atravesar la muestra inalterada (I) y la intensidad de luz incidente (I0):

Efecto Tyndall en la medición de la turbidez del agua

Esta turbidez luego se relaciona con la concentración de las partículas en suspensión por medio de la siguiente expresión:

Efecto Tyndall en la medición de la turbidez del agua

Donde k es una constante de proporcionalidad (equivalente a la absortividad molar de la ley de Lambert-Beer), l es el paso óptico o el espesor de la muestra y C es la concentración de las partículas en suspensión.

En esta técnica, la intensidad de la luz dispersada se mide a lo largo de la misma dirección de la luz incidente utilizando un equipo denominado turbidímetro.

Nefelometría

La nefelometría es una técnica similar a la turbidimetría, con la diferencia de que, en lugar de medir la intensidad de luz en la misma dirección de la luz incidente, se mide en una posición a 90° con respecto a esta. Esta técnica también se basa en la dispersión de las partículas grandes de un coloide (efecto Tyndall) y se utiliza con mucha frecuencia para determinar cuantitativamente la cantidad de ciertos anticuerpos como las imunoglobulinas M, G y A (IgG, IgM e IgA).

Además, la nefelometría también se utiliza para:

  • Llevar a cabo medidas de turbidez
  • Hacer seguimiento de la cinética de unión a proteínas
  • Monitorear el crecimiento microbiano en caldos de cultivo
  • Hacer screening de solubilidad de fármacos
  • Control de procesos de petróleo

Medición de la función radial de dispersión

En el caso de las partículas pequeñas, la dispersión de Tyndall se puede modelar por medio de la teoría RGD o la teoría MIE. En estos casos, la dispersión no es uniforme a lo largo de los distintos ángulos de observación. La manera como varía la intensidad con el ángulo, conocida como la función radial de dispersión, depende en gran medida de la relación entre la longitud de onda de la luz y el diámetro de la partícula. Por esta razón, medir la función radial de dispersión conociendo la longitud de onda de la luz incidente permite determinar experimentalmente el tamaño de las partículas en suspensión.

Esto resulta particularmente útil en la caracterización y control de calidad de muchos procesos industriales y de productos tales como aerosoles, pinturas, etc.

Ejemplos de fenómenos debidos al efecto Tyndall

El color azul de los ojos se debe a la dispersión por efecto Tyndall que ocurre en el iris. Como se mencionó al principio, las partículas en suspensión dispersan más la luz azul que los otros colores de luz, razón por la que el iris siempre regresa una mayor cantidad de luz azul hacia afuera de la que entra al ojo. Este efecto en realidad se da en los ojos de todas las personas. La razón por la que algunos tienen el iris de color café o casi negro es porque poseen una capa de melanina sobre el iris que absorbe la luz azul dispersada por el iris, dándole así su color característico.

Efecto Tyndall en los ojos azules

El truco que utilizan los ladrones en las películas para poder visualizar los láseres de seguridad en los bancos y demás zonas de alta seguridad se basa en el efecto Tyndall. Al soplar sobre un poco de talco o algún otro polvo fino, se crea una pequeña suspensión de partículas sólidas en el aire que dispersa la luz altamente colimada de los láseres, haciéndolos visibles a nuestros ojos.

La señal de Batman que se proyecta sobre las nubes y a través de la neblina de Ciudad Gótica cuando el comisionado Gordon necesita hablar con el súper héroe solo es visible gracias al efecto Tyndall. De no existir este tipo de dispersión, el haz de luz atravesaría las nubes y se dirigiría al espacio infinito sin que lo pudiéramos ver, ya que no habría ningún fotón regresándose para llegar a nuestros ojos y generar la imagen del murciélago.

Referencias

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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