Tyndall effect. Эффект Тиндаля - Химия и Химики № 2 2023

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Tyndall effect (introduction) - pt.1 / Эффект Тиндаля (вступление)

The formation of a Tyndall cone in distilled water, alkaline solution of iron (III) hydroxide and colloidal solution (or fine suspension) of phenolphthalein is shown below.

Во время экспериментов с малорастворимыми гидроксидами, я использовал эффект Тиндаля, чтобы обнаружить наличие коллоидных частиц или тонкой суспензии в растворе. Принцип очень простой: луч света невидим в вакууме или в оптически-однородной среде, - если наблюдать его со стороны. Наличие в среде дисперсных частиц (например, частиц золота в коллоидном растворе или пузырьков воздуха в воде) вызывает рассеяние света, в результате луч становится видим: при наблюдении сбоку мы видим конуса света, который получил название конуса Тиндаля, а само явление называется - эффект Тиндаля (Tyndall effect). Чистые растворители не дают конус Тиндаля, равно, как и истинные растворы. Равно, как и газы, лишенные примеси конденсированных частиц.

Например, раствор соли или сахара не дает конуса Тиндаля, воздух, очищенный от пыли и частиц аэрозоля тоже не дает конус Тиндаля, а суспензия крахмала в воде или пыль муки в воздухе - дают.

Для экспериментов я сначала использовал свет диодного фонарика, потом взял зеленый лазер (мощную лазерную указку) и обнаружил, что... луч лазера видно сбоку даже в дистиллированной воде, более того, - он виден и в воздухе ~~кухни~~ лаборатории. Последнее не стало неожиданностью: многие с детства помнят лучи солнца, которые врываются в комнату в просвет штор, - они четко видимы со стороны: мы наблюдаем конусы света, а, если присмотреться, можно заметить и отдельные пылинки, которые двигаются и блестят в лучах солнца. Аналогичные конусы мы наблюдали и, когда луч прожектора в темноте освещает туман, или лучи скрытого солнца вырываются из-за облаков.

В чем была неожиданность? Луч лазера очень узкий (пыли в него попадает не так и много) и я не ожидал, что он станет видим в освещенном помещении (с количеством пыли "не выше среднего"). Но луч лазера хоть и узкий, зато яркий: пылинки или частички тумана, которые в него попадали, давали более яркое свечение, чем от света солнца. Красный лазер (тоже указка), который был у меня до этого, такого эффекта не давал: была видна только светящаяся точка в месте попадания, но, чтобы был видим сам луч, приходилось использовать дым (мощность этого лазера была гораздо меньше).

Мимо воли вспомнил разные фильмы в стиле action, в которых герои активировали дымовые шашки, чтобы стал видим лазер прицела снайпера. Без дыма можно наблюдать только точку, а дым выдает именно путь луча, по которому находят место расположения стрелка. Или, когда в банке / музее грабительница достает пудреницу и осторожно дует в нее, чтобы создать облако пудры перед собой и обнаружить лазеры охранной системы (сигнализация, блокировка выходов и т.п.).

Аналогично и с дистиллированной (или водопроводной) водой: дисперсные частицы все равно в ней есть (например, пыль, которая попадает из воздуха или со стенок стакана, а также - мелкие пузырьки воздуха, которые не успели всплыть), в луче фонарика рассеяние света на них почти незаметно, зато в луче лазера - вполне видим конус. Точнее, не конус, а прямая линия, которая визуально не расширяется (особенность лазерного луча), но для краткости назовем эту линию "конус".

Для начала приведу видео (и кадры из видео) экспериментов с гидроксидом железа (III), для этих экспериментов использование эффекта Тиндаля не принесло пользы, зато видео этого эффекта более-менее получилось. Во второй части попробую заснять эффект Тиндаля уже целенаправленно.

Tyndall effect: laser, distilled water, air and phenolphthalein - pt.2 / Эффект Тиндаля: лазер, дистиллированная вода, воздух и фенолфталеин

Для начала - снял эффект Тиндаля в стакане с дистиллированной водой и в воздухе: до и после стакана. На воздухе луч был видим визуально, а заснять его на видео оказалось непросто. Визуально было видно и то, что окружающий воздух очень даже неоднороден: вместо равномерного свечения луча были видны вспышки отдельных пылинок. Когда работал с гидроксидом железа, луч лазера был лучше видим на воздухе, вероятно, тогда в воздухе помещения было больше пыли.

Теперь превратим воду в устойчивую суспензию (возможно, - в коллоидный раствор). Раньше для этой цели я добавлял в воду раствор канифоли в этаноле, в этот раз взял насыщенный раствор фенолфталеина в спирте. И канифоль, и фенолфталеин растворимы в спирте, но плохо растворимы в воде. Если спиртовые растворы канифоли или фенолфталеина добавить в избыток воды и перемешать, твердая фаза выделяется в виде мелких дисперсных частиц, - в результате образуется мелкая суспензия (возможно, - коллоидный раствор), и жидкость становится мутной.

В стакан с дистиллированной водой добавил немного насыщенного раствора фенолфталеина в этаноле, перемешал. Сначала появилась муть, потом она растворилась: фенолфталеин имеет низкую растворимость в воде, но она не равна нулю. Зато в этой жидкости луч лазера давал более яркий конус, чем в дистиллированной воде: часть твердых частиц осталась. Добавил еще раствор фенолфталеина, перемешал - возникла устойчивая муть; теперь луч лазера давал очень яркое зеленое свечение в жидкости: светился, как сам путь луча (собственно конус Тиндаля), так и окружающие участки жидкости (за счет вторичного рассеяния "уже рассеянного" света). Внешне это напоминало флуоресценцию раствора уранина (натриевая соль флуоресцеина), в который погружена ультрафиолетовая лампа.

Добавил в стакан немного раствора аммиака: жидкость стала темно-красной, муть исчезла. Фенолфталеин - известный кислотно-основный индикатор, который окрашивается в щелочной среде в малиновый цвет.

В этом растворе лазерный луч уже не давал заметного конуса Тиндаля. Причин две: красный раствор хорошо поглощает зеленый свет (именно - зеленый, поскольку красный и зеленый - взаимно дополнительные цвета), а во-вторых, аммиак взывал не только изменение цвета раствора (нежелательный побочный эффект), но и растворил твердые частички фенолфталеина: суспензия/коллоидный раствор превратились в истинный раствор, который не дает конуса Тиндаля (был бы этот раствор бесцветным, мы бы увидели слабый конус за счет твердых частиц, которые изначально присутствовали в дистиллированной воде).

Если под рукой нет канифоли или фенолфталеина, для создания устойчивой суспензии (или коллоида) можно добавить в воду какой-то дешевый одеколон. Эффект тот же: растворенные в спирте одеколона вещества переходят в отдельную фазу при добавлении воды, давая коллоидный раствор или мелкодисперсную суспензию (в случае жидкостей - эмульсию). В детстве пробовал такое с "Тройным одеколоном" - действовало, как с современными сортами одеколона - не знаю, но должно быть аналогично.

Тройной одеколон: в прошлом его использовали не только в качестве дешевого одеколона, но и в качестве спиртного напитка, последнее приводило к печальным последствиям для здоровья