Chemické pokusy s nanomateriály/Změna optických vlastností nanočástic zlata

Změna optických vlastností nanočástic zlata v závislosti na velikosti částic
Chemikálie	kyselina chlorozlatitá, Citronan sodný, vinný kámen, kyselina vinná a destilovaná voda
Pomůcky	skleněná tyčinka, elektrický vařič, teploměr, kádinka a laserové ukazovátko
Typ pokusu	střední škola a žákovský školní pokus
Časová náročnost	30 min
Bezpečnost
Některá data mohou pocházet z datové položky.

Popis pokusu

V pokusu jsou pomocí organických redukčních činidel připravovány nanočástice zlata redukcí ze zlatité soli. Velikost vznikajících částic závisí na použitém redukčním činidle (citronan sodný, kyselina vinná, hydrogenvinan draselný) a na jeho koncentraci. U vznikajících nanočástic jsou následně porovnávány optické vlastnosti, které se mění s velikostí částic v disperzní směsi.

Princip

Nanočástice zlata mění své optické vlastnosti v závislosti na velikosti částic. S velikostí částice se mění pohlcované a odražené vlnové délky elektromagnetického záření, které na částici dopadá. Se změnou odrážených vlnových délek se výrazně mění barva disperzí nanočástic. Čím menší je připravená částice, tím delší je odražená vlnová délka (červený posun). Při přípravě nanočástic zlata o různých velikostech lze tuto optickou změnu pozorovat i okem.

Připravené disperze mají odlišné velikosti částic v závislosti na použitém redukčním činidle a jeho koncentraci. Rozdílná velikost částic se odráží v optických vlastnostech disperze, směsi mají odlišné zbarvení.

Jednou z možných příprav nanočástic zlata je redukce zlata z jeho soli. Použitím různých redukčních činidel je možné připravit nanočástice s odlišnou velikostí. Jednoduchou metodou přípravy nanočástic zlata je citrátová metoda. Touto metodou je možné připravit koloidní zlato nebo nanoklastry částic zlata, které lze snadno detekovat podle rubínově červeného zbarvení suspenze. Nanočástice nebo klastry zlata jsou tvořeny třemi až 50 000 atomy a poloměr těchto částic se pohybuje nejčastěji v rozmezí 12-18 nm. Citrátová metoda je založena na redoxní reakci kyseliny tetrachlorozlatité. Jako redukční činidlo slouží citronan sodný, který nejen redukuje zlato, ale slouží také jako stabilizátor pro vznikající nanoklastry zlata.

Dalšími redukovadly, které je možné využít je hydrogenvinan draselný nebo kyselina vinná. Změnou redukčního činidla je možné připravit nanočástice zlata s odlišnou velikostí. Při použití hydrogenvinanu draselného vznikají nanočástice o velikosti 30-40 nm. Pokud bude jako redukovadlo použita kyseliny vinná, budou vznikat částice o velikosti 50-60 nm. Změny ve velikosti částic se projeví změnou zbarvení roztoků.

Koloidní povahu disperzí lze jednoduše dokázat pomocí prosvícení vzorku nanočástic laserovým paprskem. pokud je možné sledovat trasu průchodu paprsku vzorkem (Tyndallův efekt), jedná se o koloidní disperzi, protože dochází k rozptylu paprsku světla na částicích přítomných ve vzorku.

Postup

Ilustrace popisující chemický pokus - Změna optických vlastností nanočástic zlata. V ilustraci je znázorněn postup práce a schématické znázornění vznikajících nanočástic.

Redukcí pomocí citronanu sodného (0,04 mol/l) připravíme nanočástice o velikosti 10-20 nm. Disperze obsahující částice o těchto velikostech bude mít intenzivní tmavě červené zbarvení.

1. V kádince smícháme 0,5 ml roztoku kyseliny tetrachlorozlatité (0,015 mol/l) s 28 ml destilované vody. Roztok v kádince zahřejeme na elektrickém vařiči na teplotu 100 °C.
2. Ve chvíli, kdy roztok dosáhne teploty varu, za stálého intenzivního míchání (vhodné využití magnetické míchačky) přidáme 1,5 ml molárního roztoku citronanu sodného (0,04 mol/l). Počáteční světle žlutá barva roztoku bude postupně přecházet do intenzivního tmavě červeného zbarvení.

Změnou koncentrace přidávaného citronanu (0,02 mol/l) je možné připravit nanočástice zlata s menším rozměrem. Velikost připravených nanočástic se pohybuje okolo 10 nm.

1. V kádince smícháme 0,5 ml roztoku kyseliny tetrachlorozlatité (0,015 mol/l) s 28 ml destilované vody. Roztok v kádince zahřejeme na elektrickém vařiči na teplotu 100 °C.
2. Ve chvíli, kdy roztok dosáhne teploty varu, za stálého intenzivního míchání (vhodné využití magnetické míchačky) přidáme 1,5 ml roztoku citronanu sodného (0,02 mol/l). Počáteční světle žlutá barva roztoku bude postupně přecházet do jasně červeného zbarvení.

Redukcí pomocí hydrogenvinanu draselného (0,04 mol/l) připravíme nanočástice o velikosti 30-40 nm. Disperze obsahující částice o těchto velikostech bude mít růžovofialové zbarvení.

1. V kádince smícháme 0,5 ml roztoku kyseliny tetrachlorozlatité (0,015 mol/l) s 28 ml destilované vody. Roztok v kádince zahřejeme na elektrickém vařiči na teplotu 100 °C.
2. Ve chvíli, kdy roztok dosáhne teploty varu, za stálého intenzivního míchání (vhodné využití magnetické míchačky) přidáme 1,5 ml roztoku hydrogenvinanu draselného (0,04 mol/l). Počáteční světle žlutá barva roztoku bude postupně přecházet do růžovofialového zbarvení.

Redukcí pomocí kyseliny vinné (0,04 mol/l) připravíme nanočástice o velikosti 50-60 nm. Disperze obsahující částice o těchto velikostech bude mít fialové zbarvení.

1. V kádince smícháme 0,5 ml roztoku kyseliny tetrachlorozlatité (0,015 mol/l) s 28 ml destilované vody. Roztok v kádince zahřejeme na elektrickém vařiči na teplotu 100 °C.
2. Ve chvíli, kdy roztok dosáhne teploty varu, za stálého intenzivního míchání (vhodné využití magnetické míchačky) přidáme 1,5 ml roztoku kyseliny vinné (0,04 mol/l). Počáteční světle žlutá barva roztoku bude postupně přecházet do fialového zbarvení.

Vzájemným porovnáním připravených roztoků je možné jasně pozorovat závislost zbarvení disperzí na velikosti přítomných částic.

Pokud připravené disperzní směsi zlatých nanočástic prosvítíme laserovým ukazovátkem, můžeme pozorovat rozptyl světla na přítomných nanočásticích (Tyndallův efekt), tím prokážeme jejich koloidní povahu.

Poznámka

• Kyselinu tetrachlorzlatitou lze připravit rozpuštěním kousku čistého kovového zlata ve směsi kyseliny chlorovodíkové a kyseliny dusičné (3:1). Připravená kyselina tetrachlorozlatitá nebude zcela čistá chemická látka, ale pro demonstrační účely je kvalita dostačující.
• Připravené roztoky nanočástic je možné využít při dalších pokusech, například při ukázce Využití nanočástic zlata jako biosenzorů.