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  • 1. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEExperiment 1CASSIUSscher GoldpurpurEinführungDie in einer „echten“ Lösung gelösten Ionen oder Moleküle haben Teilchengrößen inder Größenordnung von etwa 1 nm. Mit Papierfiltern kann man Teilchen bis herab zuetwa 1.000 nm niederschlagen. Teilchen, deren Größen zwischen diesen Größenord-nungen liegen, können durch Zentrifugation vom Lösungsmittel abgetrennt werden.Solche Lösungen nennt man kolloidale Lösungen. Abgeleitet ist der Begriff vom grie-chischen Wort für Leim: „kolla“.Bei kolloidalen Teilchen wird eine Zusammenballung oder Koagulation verhindert,weil an ihrer Oberfläche Lösungsmittelmoleküle (solvatokratische Kolloide) oderelektrische Ladungen (elektrokratische Kolloide) angelagert sind, die eine gegensei-tige Abstoßung hervorrufen. Eine solche geladene Oberflächenschicht bezeichnetman nach dem Physiker OTTO STERN (1888 – 1969) als Sternschicht. Die kolloidialeLösung wird auch Sol genannt.Eine Ausflockung der so geschützten Teilchen kann man beispielsweise durch Zuga-be von Ionen entgegengesetzter Ladung erreichen, mit denen die abstoßende Wir-kung aufgehoben wird.Im Versuch wird eine Tetrachloraurat(III)-Lösung zu elementaren Goldteilchen redu-ziert und die Koagulation der Goldteilchen wird in Anwesenheit von Zinnchlorid-Lösung verhindert. Der sich bildende CASSIUSsche Goldpurpur hat eine deutlich vio-lette Färbung. Dem Hamburger Apotheker ANDREAS CASSIUS (1604/05 – 1673) gelangdamit 1668 der Nachweis auch kleiner Spuren von Gold. Daneben findet der Gold-purpur Verwendung als rotes Pigment in der Glas- und Porzellanmalerei.Chemikalien Lösung Au: H[AuCl4] x 6 H2O gelöst in destilliertem Wasser (0,1 Gew. % bzw. 100mg / 100ml) Zinnchlorid (SnCl2) Destilliertes WasserEinführung – Der Experimentierkasten zur Chemischen Nanotechnologie Seite 10 von 46
  • 2. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEMaterialien 2 Rollrandgläser 50 ml 1 Kunststoffpipette für Lösung Au 1 Kunststoffpipette für Lösung Sn 1 Kunststoffspatel 1 Messzylinder ggf. LaserpointerDurchführung 1) 1 ml (ca. 30 Tropfen) der Lösung Au in 10 ml destilliertes Wasser geben 2) Herstellen einer Zinnchlorid-Lösung (Lösung Sn): 1 kleine Spatelspitze (schmale Seite des beigefügten Kunststoff- Spatels) in 20 ml destilliertes Wasser geben, verschließen und schütteln. 3) Tropfenweise Lösung Sn zur Lösung Au zugeben bis Farbänderung sicht- bar wird. Es bildet sich das violettes Kolloid von elementarem Gold, der sog. CAS- SIUS-sche Goldpurpur. Zum Vergleich den Versuch mit 1 ml Lösung Au auf 30 oder 50 ml destil- liertem Wasser wiederholen (Farbeindruck, Zeit bis zur Bildung eines Niederschlags). Je nach Konzentrationsverhältnissen tritt mehr oder weniger schnell Koagulation eines Niederschlages ein. Der CASSIUSsche Goldpurpur wird seitlich mit einem Laserpointer o. ä. durchleuchtet. Man beobachtet den Verlauf des Laserstrahls in dem Sol. Was geschieht, wenn man den Versuch mit gewöhnlichem Leitungs- wasser durchführt, statt mit destilliertem?Reaktionsgleichung - 3 Sn2+ + 2 [AuCl4] + 6 H2O → 2 Au ↓ ↓ + 12 H + 3 SnO2 + - + 8 ClExperiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 11 von 46
  • 3. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEHintergrundDie im Experiment verwendete, stark verdünnte Tetrachloraurat(III)-Lösung kannauch durch Auflösen von elementarem Gold in HNO3/HCI gewonnen werden. Durchdie Zugabe von SnCl2 wird das gelöste Au(III) zu Au(0) reduziert und Sn(II) wird zuSn(IV) oxidiert.Die Größe der entstehenden Goldteilchen wird durch die (sehr große) Keimbildungs-geschwindigket und die (extrem kleine) Kristallwachstumsgeschwindigkeit in derstark verdünnten Lösung bedingt. Ein Lösen oder Peptisieren, wie man in der Kolloid-chemie sagt, aus einer extrem konzentrierten Lösung führt ebenfalls zum gewünsch-ten Ergebnis. Sn2+ Sn2+ 2+ Sn2+ Sn Cl - Cl Cl - Cl Co-Ionen Au Cl - Cl Cl - Cl Sn2+ Au Au Au Cl - Au Cl Cl - Cl Sternschicht Au Au Au Au Au Sn2+ Au Sn2+ Sn2+ Cl - Au Cl Cl - Cl Au Cl - Cl Au Cl - Cl Sn2+ Sn2+ Sn2+ Cl - Cl Cl - Cl Gegen-Ionen Sn2+Abbildung: Vereinfachte Darstellung eines negativen Kolloids.Um die Goldpartikel lagern sich zunächst die in der Lösung befindlichen AuCl22- undsorgen somit für eine negative Ladung der Sternschicht. Ionen, die die Sternschichtverlassen, heißen Co-Ionen. Der Ladungsausgleich wird durch die Anlagerung derentgegengesetzt geladenen Gegen-Ionen erreicht. Im Fall des CASSIUSschen Gold-purpurs sind dies die gelösten Sn2+-Ionen. Die Gegen-Ionen haben keinen konstantenAbstand von der geladenen Oberfläche, sondern bilden eine diffuse Ionendoppel-schicht.Das Sn(IV) hydrolysiert zu ebenfalls kolloidem Zinndioxidhydrat SnO2 x H2O und um-hüllt das feinverteilte Gold. Eine Flockung der Goldteilchen wird dadurch verhindert.Bei optimalen Bedingungen ist die kolloidale Lösung in verschlossenen Gefäßen überJahre hinweg beständig.Beim Durchleuchten des Goldpurpurs beobachtet man eine Streuung des Licht-strahls, den sog. Tyndall-Effekt. Der Tyndall-Effekt ist nach John Tyndall benannt,Experiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 12 von 46
  • 4. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEder diesen Effekt erstmals 1898 untersuchte. Die Streuung wird von Teilchen her-vorgerufen, die in der Größenordnung der Lichtwellenlängen liegen, also kleiner alsca. 1000 nm sind. Systeme, die den Tyndall-Effekt zeigen, nennt man Kolloide, dieTeilchen in einem solchen System kolloidale Teilchen.Die entstandenen Goldpartikel haben einen Durchmesser von etwa 12 – 18 nm. DieFarbe ensteht durch eine sogenannte Oberflächenplasmonenresonanz. Dabei kommtes zu einer kollektiven Schwingung der Elektronen gegenüber den Ionenrümpfen desGoldpartikels. Die Schwingung wird durch Licht der Wellenlänge von etwa 520 nmangeregt. Die Absorption dieser Wellenlänge aus dem eingestrahlten (weißen) Lichtführt zu einer Färbung der Probe in der Komplementärfarbe: Purpur-Rot.Abbildung: Goldpurpur in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen.AnmerkungAndere RezepteMan kann diesen Versuch auch unter Verwendung von Citrat oder Tannin durchfüh-ren und erhält dadurch eine wesentlich intensivere Färbung. Jedoch ist dann auchein Erhitzen der Lösung erforderlich.Experiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 13 von 46
  • 5. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFELeitungswasserVerwendet man statt destilliertem Wasser Leitungswasser, so tritt zwar ebenso eineFärbung ein, jedoch in einem schmutzigen braun. In diesem Falle sorgen die Ionen imLeitungswassser für eine Störung. Das Wachstum der Goldpartikel wird nicht recht-zeitig gebremst, die Verteilung der Partikelgrößen ist nicht mehr homogen, weshalbsich im Ergebnis eine Mischfarbe zeigt.Abbildung: Durchführung des Experimentes mit gewöhnlichem Leitungswasser.Experiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 14 von 46
  • 6. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEAbbildung: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen kolloidaler Goldpar-tikel. Links: Die Partikel aus dem Experiment nach der Koagulation. Rechts: Aufnah-me eines kommerziell erhältlichen (stabilisierten) Goldkolloids. Abbildung: Mittelalterliche Kirchen- fenster in der Kathedrale von Metz (Frankreich). Die kräftigen Rot- und Blautöne der Goldrubingläser wer- den durch Gold-Kolloide im Glashervorgerufen.Experiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 15 von 46
  • 7. Bundesdeutsches Kompetenzzentrum CC-NANOCHEM e. V.CHEMISCHE NANOTECHNOLOGIE FÜR NEUE WERKSTOFFEHinweis zur Sicherheit Zinnchlorid ist eingestuft als gesundheitsschädlich. Die im Versuch benötigte Zinnchlorid-Lösung kann jedoch schon vorher vom sach- kundigen Lehrer angesetzt werden, so dass im Experiment nur die Lösung Sn mit einer Konzentration von etwa 0,5% zum Einsatz kommt. Gemäß Richtlinie 1999/45/EG, Anhang V, Teil B, Punkt 9 istfür eine derartige Verdünnung nur der Hinweis "Kann allergische Reaktionen hervor-rufen" erforderlich.Die Lösung Sn bleibt etwa 7 – 10 Tage stabil und kann in diesem Zeitraum verwen-det werden.Anknüpfungspunkte im UnterrichtPhysik Echte Lösungen, Kolloide und Suspensionen Lichtstreuung und PartikelgrößenChemie Redoxreaktion Keimbildung und PartikelwachstumZusatzmaterialien Sicherheitsdatenblätter / EntsorgungshinweiseExperiment 2 – Superhydrophobe Beschichtung Seite 16 von 46