丁达尔效应可以区分淀粉溶液和硫酸铜溶液吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-10-03 03:01 标签： 丁达尔效应鉴别胶体和浊液

学习过高中化学的童鞋们对丁达尔效应，应该都不陌生。在日常生活中，丁达尔效应随处可见，比如，森林中树叶缝隙处透过的一道道光线；影院黑暗环境下高功率投影仪发出的光束；天空中云缝透过的光线，也常被人称之为“耶稣光”；又如在有灰尘的房间中，从窗户外射进来的光束下，也可以看到灰尘在跳舞。

图1. 森林中的丁达尔效应。
图2. “耶稣光”实际上就是丁达尔效应。

约翰·丁达尔，英国物理学家，是著名科学家法拉第的学生。他于1869 年发现了丁达尔效应[1][2]，也是首次解释了为什么天空是蓝色的科学家。丁达尔效应就是光的散射现象（也称乳光现象）。

图3.丁达尔，首次解释了天空为什么是蓝色。

当光线射向分散体系时，只有一部分光能够通过体系，剩余部分则被反射、散射或吸收。体系内物质的化学组成决定了光的吸收量，而体系的分散程度决定了光的散射和反射量。当分散相粒子直径大于入射光的波长时，主要发生光的反射和折射；当入射光照射到直径小于光波长的分散粒子时，则主要发生散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应 就是光的散射现象或称乳光现象[3]。

胶体的分散质粒子直径大小在1～100nm之间，小于可见光波长(400-750nm)，因此，当光束透过胶体时会产生十分明显的散射作用，即光束的路径能够通过散射作用清晰地被观测到。对于小分子真溶液或纯溶剂，分散质粒子偏小，对光的散射作用偏弱，故丁达尔效应不如胶体明显。

丁达尔效应的理论分析：

瑞丽散射（Rayleigh Scattering）理论针对于半径比光或其他电磁波的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射作用，分散质粒子可以是胶体粒子，也可以是单个原子或分子。在当光通过透明的固体、液体或气体时时，均会出现散射效果，其中在气体中最显著。

1871年，瑞利提出了著名的瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质就因折射率不均匀而产生散射光[4]。同时，瑞利表明，即使对于溶液这样的均匀介质，由于分子热运动的存在，破坏了分子间固定的位置关系，存在着密度涨落及其引起的折射率不均匀，这种空间不均匀性的特征线度一般远小于光的波长，使得纯净介质也会产生瑞利散射，这种散射也称分子散射。这就是为什么在溶液中也会出现丁达尔效应的原因。

瑞利散射光强度可用下面公式计算[5]：

其中，是入射光强，是散射角，即观察方向与入射光传播方向的夹角，为入射光波长，为单位体积中的粒子数, 是每个粒子的体积，和分别为分散相与分散介质的折射率。由公式可知：散射光的强度与波长的4次方成反比，与粒子体积的２次方成正比，即

疑问1: 只有胶体才可以发生丁达尔效应？答案：不！

丁达尔效应是人教版《高中化学：必修一》“第一章”中的一个知识点。教材中对丁达尔效应的叙述：当光束通过胶体时，可以看到一条光亮的“通路”，而光束通过溶液时，看不到此现象。这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光散射（光波偏离原来方向而分散传播）形成的，叫做丁达尔效应，利用丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法[6]。因此，许多人误解为只有胶体才会发生丁达尔效应，溶液没有丁达尔效应。

图4. 网络上对丁达尔效应的错误说明。
图5. 网络上对丁达尔效应的错误说明。

然而，经过前面的理论分析，我们知道，溶液和胶体均可以产生光的散射效应，散射并不是胶体分散系特有的性质。相同条件下，胶体的丁达尔效应比溶液要明显，所以可以简单地根据丁达尔效应的强弱来区分胶体与溶液，但不能作为判断胶体的依据。判断胶体的依据是分散质粒子直径是否在1~100nm之间。（溶液：分散质粒子的直径小于 1 nm，外观均一、透明、性质稳定。胶体：分散质粒子的直径介于 1~100 nm，外观均一、透明，性质不太稳定。浊液：分散质粒子的直径大于 100 nm，外观不均一、不透明，性质不稳定。）

为充分证明上述观点，研究者们分别在明、暗两种环境下，采用红色激光和白色聚光小手电筒对九种液体进行实验[7]。结果表明，氢氧化铁胶体、淀粉溶液、肥皂水、沐浴露水溶液、牙膏水溶液、洗发露水溶液、冷开水、面粉与水形成的悬浊液、油与水形成的乳浊液无论明、暗处都有丁达尔效应。

图6. 两种光源照射下的九种液体的丁达尔效应。
图7. 明、暗环境下，两种光源照射下的九种液体的实验结论。

疑问2:豆浆牛奶是胶体？答案：不！

在不少网页中，牛奶总被错误地定义为胶体，甚至在一些中学教材或者教辅中，对牛奶的丁达尔效应研究都模糊不清。然而从外观上来看，牛奶为不透明、粘稠的液体。一般专业书籍中认为豆浆和牛奶是乳浊液[8]，而高中教材中认为豆浆是胶体，据此很多教师或学生认为牛奶和豆浆类似，也应该为胶体，让我们从不同方面探究牛奶是否为胶体？

图5. 网络中对牛奶的错误认识。

实验探索：研究者们用不同光源对牛奶进行照射，发现不管是红色激光、绿色激光还是自然光，都不能产生丁达尔现象。而将牛奶进行一定的稀释后，在蒸馏水中滴加一滴纯牛奶，再用光源照射，即产生明显的丁达尔现象[9][10]。由此可见，单纯的牛奶本身并不会产生丁达尔效应。

图6.水和少量牛奶混合之后才能产生一定的丁达尔效应, 并不能说明牛奶就是胶体。

理论分析：牛奶的蛋白质主要包括酪蛋白质和乳清蛋白质两大类。酪蛋白是乳品特有的一组含有大量磷和钙的蛋白质，不溶于水，通常以聚集体的形式存在，约占乳品总蛋白含量的80%。研究者通过纳米粒度分析仪和扫描电子显微镜发现[11]，：水牛乳酪蛋白平均颗粒直径为182.3nm，牛乳酪蛋白平均粒直径为 207.4 nm，酪蛋白颗粒聚集成直径较大的胶束；羊乳酪蛋白平均颗粒直径为 173.8 nm。所以，按照分散系的粒径划分范围，牛奶的粒径超过了100 nm，从粒径角度判断牛奶并不属于胶体。

丁达尔效应与人眼虹膜颜色。蓝色、棕色和黑色虹膜的主要区别在于其中一层虹膜中黑色素的含量。与黑色虹膜相比，蓝色虹膜中的黑色素含量相对较低，因此它是半透明的。当光线入射到这层半透明层上时，由于丁达尔效应，它会被散射。与红光相比，蓝光的波长更短，因此蓝光的散射程度更大。由于散射光的大部分是蓝色的，这些虹膜就获得了它们特有的蓝色。

图7.丁达尔效应导致的蓝色虹膜

丁达尔效应与信号灯辅助。现在雾霾、沙尘暴等恶劣天气屡见不鲜。在此种恶劣天气下能见度极低，往往导致汽车驾驶员无法清晰看到信号灯信号而引发诸多交通事故。研究者们设想利用丁达尔效应，构造新型的交通信号灯辅助装置[12]。利用光束的丁达尔效应，能够在处于红灯信号的路口处自上而下发射出多道激光束，形成具有视觉冲击的光幕墙，以帮助驾驶员于恶劣天气下准确辨别交通信号，避免交通事故的发生。

图8.丁达尔效应的信号灯辅助装置。

丁达尔效应与三维全息成像。为了在空间中体现三维物体，通过烟雾等介质散射的丁达尔效应可以观察目标物的全息立体像。

图9.丁达尔效应的三维全息成像。

丁达尔效应与照片美化。由于丁达尔效应自身具有美轮美奂的效果，摄影爱好者常常会通过Photoshop等软件对照片添加丁达尔效应，使图片更加美观而具有特色。

图10.通过Photoshop对照片添加丁达尔效应。

写到这里，相信大家都会忍不住想在身边观察或者制造一下丁达尔效应。在这里为大家提供两个简单的家庭DIY方案：

方案 1水雾-空气胶体:将一无色透明的矿泉水瓶截去瓶底、取下瓶盖。打开装满开水的保温瓶的瓶塞，将处理好的矿泉水瓶竖直放置罩住保温瓶口，使挥发出来的水蒸气充满矿泉水瓶[13]。由于以水分子团簇形式存在的水蒸气粒径较大，当用激光笔（可用手机手电筒代替）在一侧平射时，从垂直照射方向观察即可见瓶内有一束光柱，即丁达尔效应。

方案 2蚊烟-空气胶体: 先预处理好无色透明的矿泉水瓶（同方案1）。点燃一圈蚊香（也可用其他熏香代替），将矿泉水瓶竖直罩在上方，使生成的蚊烟进入瓶内。然后用手机手电筒在一侧平射，从垂直照射方向观察能看到一束清晰的光柱（见图 2）。一般有烟蚊香燃烧所产生的烟气气溶胶粒子的粒径都比较小，粒径集中分布在小粒径的纳米区间段。

图10.两种丁达尔效应家庭DIY方案。
丁达尔效应是英国物理学家约翰·丁达尔(John Tyndall 1820～1893年) 首先发现和进行研究的。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。通过实验人们发现胶体不一定有丁达尔效应，有丁达尔效应的也不一定是胶体。

比如特定的情况下，一些溶液出现丁达尔效应，而一些胶体却没有丁达尔效应。

（1）用红色激光笔照射硫酸铜浓溶液，没有丁达尔效应。而用除红色以外的激光笔照射硫酸铜浓溶液，会有较明显丁达尔效应。

（2）用激光笔照射医用酒精、苯、四氯化碳、纯水、饱和食盐水，有较弱的丁达尔效应。    

（3）用绿色激光笔照射氢氧化铁胶体时是不完整的通路，用蓝紫光激光笔照射氢氧化铁胶体时白天没有光亮的通路，黑暗时才有。

       可见丁达尔效应与分散质直径大小有关，也与光源有关。如果实验没有丁达尔效应，不一定不是胶体，可以更换一种颜色的激光笔；如果实验观察到丁达尔效应，光路比较微弱，则可能不是胶体，但如果光路比较明显，即使不是胶体，其分散质其实也是接近胶粒的直径了。

个人觉得这个问题对我们的启示是：一线老师的知识面不能太窄，碰到实验现象出现异常时不能武断地下结论。

1蒋新芳《探析分散系的丁达尔效应》《化学教学》2013年03期

2李俊生等《对丁达尔效应的研究》《化学教学》2014年01期

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