Thematische Woche 4. Klassen Strahlung - Kantonsschule Trogen

Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen
Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Thematische Woche 4. Klassen
Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Lernziele
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Absorptions- und Transmissions-Spektren interpretieren können.
erklären können, wie Pflanzenfarbstoffe aus einer Pflanze isoliert und identifiziert werden.
wissen, was man unter der Nanodimension versteht und diese auch einordnen können.
3 Beispiele nennen können, wo Nanopartikel vorkommen.
die Prinzipien der Rastersondenmikroskopie und der Elektronenmikroskopie erklären
können.
den hydrophoben Effekt verstehen.
verstehen, was die besonderen Eigenschaften der Lotuspflanze sind.
den Zusammenhang zwischen Teilchengrösse, Oberfläche und Reaktivität erklären
können.
Du trainierst deine Fertigkeit ...
§
§
eine ansprechende Powerpoint - Präsentationen zu gestalten.
in einer 2er-Gruppe einen spannenden Kurzvortrag von etwa 10 Minuten zu halten.
Kontrolle
Die fehlenden Teile dieser Dokumentation sind vollständig und sauber zu ergänzen. Die
Dokumentation wird am Ende des zweiten Arbeitstages in der thematischen Woche eingesammelt
und kontrolliert.
Name, Vorname Klasse Kontrolle durch Lehrperson
unvollständig teils unvollständig vollständig
PartnerIn in Praktika:
Sauberkeit:
Datum, Visum:
April 2013
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Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Absorptions- und Transmissions-Spektren
Der Bereich der elektromagnetischen Strahlung besteht, nach abnehmender Energie der Strahlung geordnet,
aus Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolettstrahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen
und Radiowellen. Am wichtigsten für das Leben ist der Wellenlängenbereich zwischen 380 nm bis
780 nm. Dieser kleine Teil des elektromagnetischen Spektrums bewirkt im menschlichen Auge einen
Lichteindruck und wird als sichtbarer Bereich bezeichnet.
Weisses Licht (z.B. Sonnenlicht) lässt sich mit Hilfe eines Prismas in verschiedene Spektralfarben zerlegen.
Jeder Farbe ist ein bestimmter Wellenlängenbereich zugeordnet. Alle Farben des sichtbaren Spektrums
ergeben zusammen den Farbeindruck weiss.
hohe Energien
hohe Frequenzen
kurze Wellenlänge
geringe Energien
tiefe Frequenzen
Lange Wellenlänge
Quelle: nach Dickerson R., I. Geis (1999), Chemie, Wiley-VCH
Ein farbiger Stoff absorbiert bestimmte Wellenlängen
des sichtbaren Lichts. Der nicht-absorbierte Teil der
Strahlung tritt bei Lösungen oder durchscheinenden
Stoffen durch den Stoff hindurch. Bei nicht
durchscheinenden Stoffen wird er reflektiert. Die
Mischfarbe der durchtretenden resp. reflektierten Teile
der Strahlung bewirkt einen Farbeindruck. Dieser
entspricht der Komplementärfarbe zur absorbierten
Farbe.
Quelle: nach U. Wüthier (2001), Erste Schritte
in Chemie, Vorlesungsskript, ETH Zürich
Mit Hilfe eines Photometers kann für jede
Wellenlänge gemessen werden, wie gross der Anteil
der von einem Stoff.
- aufgenommen Strahlung ist:
Absorptions-Spektrum:
Absorption in Funktion der Wellenlänge.
- durchgelassenen Strahlung ist:
Transmissions-Spektrum:
Transmission in Funktion der Wellenlänge.
Symbol / Einheit: Absorption: A oder E / dimensionslos!
Chlorophyll ist ein grüner Pflanzenfarbstoff. Seine Aufgabe Transmission: ist der T / % Einbau des Kohlenstoffs aus dem Kohlendioxid
der Luft in den Pflanzenkörper mit Hilfe des Sonnenlichts (Photosynthese). Die Abbildung zeigt das
Absorptions-Spektrum von Chlorophyll. Beachte, dass es bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen-Bereichen
absorbiert.
Beantworte die folgenden Fragen auf Seite 3:
a) Welche Wellenlängenbereiche nutzt die Pflanze
für die Photosynthese ?
b) Welchen Farben entsprechen diese absorbierten
Wellenlängenbereiche ?
c) Erkläre mit Hilfe des Absorptions-Spektrums,
warum wir die Blätter einer Pflanze in grüner
Farbe sehen.
Absorptions-Spektrum von Chlorophyll
d) Zeichne ein Transmissions-Spektrum von
Chlorophyll.
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Antworten auf Fragen a) bis d)
a) b)
c) d)
Zeichne und beschrifte das Absorptions-Spektrum und das Transmissions-Spektrum einer Kaliumpermanganat-Lösung.
Spektren einer Kaliumpermanganat-Lösung
Absorptions-Spektrum
Transmissions-Spektrum
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Kurze Einführung in die Säure-Base-Theorie
Eigenschaften von Säuren
Ø Schmecken sauer. Geschmacksproben sind in der Chemie tabu!
Ø Lösen Metalle und andere Stoffe wie Oxide, Carbonate oder auch Proteine (Haut) auf.
Ø Werden von Laugen neutralisiert.
Ø Enthalten „Säure-Teilchen“. (siehe unten)
Eigenschaften von Laugen
Ø Fühlen sich seifig oder schlüpfrig an.
Ø Lösen viele organische Substanzen wie Fette, Proteine und auch gewisse Metalle (z.B.
Aluminium) auf.
Ø Werden von Säuren neutralisiert.
Ø Enthalten „Base-Teilchen“. (siehe unten)
Säureteilchen
Alle Säuren sind in der Lage, H ⊕ -Ionen, d.h. Protonen abzugeben. Dabei entstehen Hydroxonium-
Ionen, H 3 O ⊕ .
H 2 O + H ⊕ à H 3 O ⊕ (Hydroxonium-Ionen)
Hydroxonium-Ionen können als Wassermoleküle aufgefasst werden, welche ein Proton
aufgenommen haben. Diese Reaktion setzt viel Wärme frei. Beim Verdünnen von konzentrierten
Säuren mit Wasser ist unbedingt zu beachten:
Nie das Wasser in die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!
Einige wichtige Säuren
HCl + H 2 O à H 3 O ⊕ + Cl ⊖ (Salzsäure)
HNO 3 + H 2 O à H 3 O ⊕ ⊖
+ NO 3 (Salpetersäure)
H 2 SO 4 + H 2 O à H 3 O ⊕ + HSO ⊖ 4 (Schwefelsäure)
HAc + H 2 O ⇌ H 3 O ⊕ + Ac ⊖ (Essigsäure)
(Ac ⊖ = Acetat-Ion CH 3 COO ⊖ )
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Baseteilchen:
Alle Basen produzieren in wässrigen Lösungen Hydroxid-Ionen, OH ⊖ . Diese sind meist in salzartigen
Hydroxiden enthalten oder sie entstehen bei der Reaktion der Basen mit Wasser. Wässrige
Lösungen mit Hydroxid-Ionen werden Laugen genannt. Hydroxid-Ionen können als Wassermoleküle
aufgefasst werden, welche ein Proton (H ⊕ ) verloren haben.
H 2 O - H ⊕ à OH ⊖ (Hydroxid-Ionen)
Einige wichtige Basen
NaOH à Na ⊕ + OH ⊖ (Natronlauge)
KOH à K ⊕ + OH ⊖ (Kalilauge)
Ca(OH) 2 à Ca 2⊕ + OH ⊖ (Kalkwasser)
BaO + H 2 O à Ba 2⊕ + 2OH ⊖ (Barytwasser)
NH 3 + H 2 O ⇌ NH 4
⊕
Neutralisation
+ OH ⊖ (Ammoniak)
Ein Säureteilchen (Hydroxonium-Ion, H 3 O ⊕ ) reagiert mit einem Baseteilchen (Hydroxid-Ion, OH ⊖ ) zu
zwei Wassermolekülen. Bei dieser stark exothermen Reaktion wird ein Proton vom Hydroxonium-
Ion (H 3 O ⊕ ) auf das Hydroxid-Ion (OH ⊖ ) übertragen:
Die pH-Skala:
H 3 O ⊕ + OH ⊖ à H 2 O + H 2 O
Die pH-Skala ist ein quantitatives Mass für die Konzentration von Säureteilchen in einer wässrigen
Lösung. Der pH-Wert einer sauren Lösung liegt zwischen 0 und 7; 7 ist der pH-Wert von frisch
destilliertem Wasser und Laugen haben pH-Werte von über 7 bis 14.
Indikatoren:
Indikatoren sind Farbstoffe, die ihre Farbe bei einer bestimmten Konzentration der Säureteilchen
ändern. (vgl. Rotkraut – Blaukraut). Bromthymolblau z.B. ändert seine Farbe gerade bei pH=7; im
sauren Bereich unterhalb von pH 7 ist Bromthymolblau gelb und im basischen Bereich oberhalb pH
7 ist es blau.
Universal-Indikatoren
Universal-Indikatoren sind Gemische von verschiedenen Indikatoren. Sie nehmen bei jedem pH
eine für diesen pH-Wert charakteristische Farbe an. Der Vergleich der Farbe mit der pH-Farbskala
erlaubt eine Abschätzung des pH-Wertes einer (farblosen) Lösung.
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Extraktion und Versuche mit Pflanzenfarbstoffen am Beispiel der Anthocyane
Die Anthocyane sind natürliche Pflanzenfarbstoffe. Sie haben in den Pflanzen mehrere Aufgaben:
Sie sollen
• Pflanzen vor dem starken UV-Licht der Sonne schützen, indem sie bestimmte Wellenlängen
absorbieren. So wird eine Schädigung der Proteine in der Zelle und der DNA in den
Zellkernen verhindert.
• helfen, Insekten und Tiere anzulocken, indem sie aufgrund ihrer lichtabsorbierenden
Eigenschaften bei den Pflanzen Farben erzeugen. Diese können den Pflanzen bei ihrer
Vermehrung helfen.
• freie Radikale binden.
• Im menschlichen Körper binden sie freie Radikale und schützen somit die DNA sowie Lipide
und Kohlenhydrate vor Schädigung. Den Anthocyanen werden noch andere Wirkungen
zugeschrieben: Sie sollen die Sehvorgänge verbessern, entzündungshemmend, gefässschützend
und immunsystem-stärkend wirken. Rotwein soll vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen
schützen und rotes Weinlaub bei Gefäss-Erkrankungen heilsam sein. Preiselbeeren helfen
gegen Infektionen und Kirschen wirken entzündungshemmend.
Eigenschaften
Anthocyane absorbieren Licht im Wellenlängenbereich zwischen 270 und 290 nm (ultraviolette
Strahlung) sowie im sichtbaren Bereich zwischen 465 und 560 nm. Licht dieser Wellenlängen wird
aus dem sichtbaren Licht herausgefiltert und der reflektierte Lichtanteil erscheint uns als eine Farbe.
Die Farbe wird zusätzlich von der Struktur und vom pH-Wert der Umgebung beeinflusst. Das
Farbspektrum reicht dabei von blau bis rot, es finden sich alle Farben bis auf grün. Im sauren Milieu
überwiegt die Rotfärbung, im basischen sind vor allem Blau- und Violett-Töne zu finden.
Farbumschläge finden in Pflanzen allerdings nicht statt, da sie einen relativ konstanten pH-Wert
haben. Die Extrakte können aber als Indikatoren für Säuren und Basen dienen: auf die Anthocyane
ist so auch die Indikatorwirkung des Rotkohls zurückzuführen. Dieser zeigt an, ob eine Lösung
sauer, neutral oder alkalisch reagiert. Dieser Indikator hat sogar zwei Umschlagsbereiche, einen im
neutralen (pH 7) und einen oberhalb von pH 10, also im alkalischen Bereich. Die unterschiedliche
Färbung ein und derselben Pflanze kann Aufschluss über den pH-Wert bzw. den Kalkgehalt des
Bodens geben.
Praktikum
1. Extraktion von Anthocyanen aus Rotkohl
Ca. 20 g frische Rotkohl-Blätter werden in 0.5 cm breite Streifen geschnitten. In einem 250 mL
Becherglas werden die Schnitzel mit 100 mL destilliertem Wasser auf dem Bunsenbrenner zum
sieden erhitzt und 15 Minuten lang gekocht. Dann wird die heisse Lösung in eine 100 mL Flasche
filtriert.
2. pH-Tests der mitgebrachten Haushaltssubstanzen
50 mL Lösung der mitgebrachten Substanzen werden auf drei unterschiedliche Arten getestet:
a) in einem beschrifteten Präparategläschen werden zu 20 mL von jeder Lösung 1 mL Rotkohl-
Extrakt gegeben. Ein Teil dieser Lösung wird für die spektroskopischen Untersuchungen im
3. Teil aufbewahrt.
Beobachtung
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
b) mit dem Glasstab wird ein Tropfen der Lösung auf 2 cm pH-Papier gegeben.
Beobachtung
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
c) der Rest der Lösung wird mit dem pH-Meter getestet. ……………………………………………………………
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3. Spektroskopische Messungen
Stelle das beschriftete Präparategläschen mit deiner Farbstofflösung bis zur Aufnahme des
Absorptionsspektrums in die bereitstehende Schachtel.
Nimm mit dem Photometer ein Absorptionsspektrum im sichtbaren Bereich von 400 nm bis 700 nm
auf. Das Vorgehen wird beim ersten Mal gezeigt. Danach kann selbständig nach der Arbeitsanleitung
beim Photometer vorgegangen werden.
Interpretiere das Absorptionsspektrum schriftlich!
Suche dazu die in deinem Absorptionsspektrum vorkommenden Absorptionsmaxima in der
aufliegenden Tabelle!
Absorptionsspektrum einer Lösung von ……………………………………………………………………………………..………………………
mit Rotkohlextrakt als pH-Indikator.
Beschrifte auf dem Spektrum wie folgt:
• Namen der gelösten Substanz
• Wellenlänge des Absorptionsmaximum
• pH- Wert gemäss „Farborgel“
• pH gemäss pH-Meter
Schneide das Spektrum aus und klebe es hier auf.
Name der SchülerInnen: …………………………………………………………………………………………………………………………………..…
Bezeichnung der Probe: ………………………………………………………………………………………………………………………………………
Wahrgenom
mene Farbe
der Lösung
Absorbierte
Wellenlängen
(Absorptionsmaxima)
Zugehörige
Farbe
(rot, grün, etc.)
Komplementär-
Farbe
Mischfarbe
Stimmt die Mischfarbe mit der von dir wahrgenommenen Farbe überein?
………………………………………………………………
Erkläre, falls dies nicht zutrifft.
…………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
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Transmissions-Spektrum einer Sonnenbrille
Übertrage die Anforderungen an eine gute Sonnenbrille
auf das Transmissions-Spektrum deiner Sonnenbrille.
Schneide das Spektrum aus und klebe es hier auf.
Name der SchülerIn: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..…………
Bezeichnung der Brille, Preis: ………………………………………………………………………………………………………………………………………
Elektromagnetische Strahlung Mittlere Transmission Schutzwirkung
UV(A), 320-400nm
VIS 400-495nm
VIS 495-700nm
VIS/IR 700-1100nm
Würdest du diese Sonnenbrille weiter empfehlen? Begründe deine Antwort!
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
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Sonnenbrille

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Nanotechnologie
Wie klein ist „nano“? Was ist Nanotechnologie? Weshalb Nano?
Die Definition von Nano
§ Nano wurde aus dem Griechischen abgeleitet (nanos = Zwerg)
§ 1 Nanometer = 1/1‘000‘000 mm ≈ 3 Gold-Atome
§ 10 0 m = 1.0 = 1 m (1 Meter)
§ 10 -3 m = 0.001 m = 1 mm (1 Millimeter)
§ 10 -6 m = 0.000 001 m = 1 µm (1 Mikrometer)
§ 10 -9 m = 0.000 000 001 m = 1 nm (1 Nanometer)
Was ist Nanotechnologie?
Die Nanotechnologie …
§ … beinhaltet Forschung und technologische Entwicklung im Bereich von 1 nm bis 100 nm
§ … erzeugt und bedient sich Strukturen, die aufgrund ihrer Grösse völlig neue Eigenschaften aufweisen
§ … beruht auf der Fähigkeit, im atomaren Massstab zu kontrollieren und zu manipulieren
§ … verbindet die klassischen Gebiete Chemie, Physik und Biologie
Nanotechnologie in Konsumprodukten (Beispiele)
§
§
§
§
TiO 2 als UV-Schutz: Nanopartikel in Sonnencremes und Kosmetika
SiO 2 als Additiv für kratzfeste Lacke und Farben
Nano-Silber (antimikrobielle Wirkung & Geruchsunterdrückung
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) eingelagert im Rahmenmaterial eines Tennisschlägers, zur Erhöhung
der Stabilität
Woher kommen Nanopartikel?
§
§
§
Nanopartikel aus natürlichen Quellen
Ø Vulkanausbrüche
Ø Waldbrände
Ø Sandstürme
Nanopartikel durch den Menschen verursacht
Ø Zigarettenrauch
Ø Verkehr (Dieselfahrzeuge)
Ø Industrie
Industrielle Erzeugung von Nanostrukturen
Ø Top-down
Ø Bottom-up
Erzeugung von Nanostrukturen
Top-down: Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung
Bottom-up: Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen häufig in Selbst-Organisation
(self-assembly)
Weshalb Nano?
Neue Eigenschaften durch Verkleinerung
§ Kleinere Partikel reagieren meist anders mit ihrer Umgebung als grosse Partikel.
§ Ab einer gewissen Grösse können sich zum Beispiel die Farben der Partikel verändern, da sie anders auf
die Energie aus dem Licht reagieren als grosse Partikel.
§ Kleinere Partikel können andere magnetische Eigenschaften besitzen.
Die Anwendungen der Nanotechnologie haben sich zum Ziel gesetzt, diese Eigenschaften von kleinen Partikeln
praktisch zu nutzen.
Beispiel für neue Eigenschaften
§ Aluminium:
Ø Alu-Folie ist chemisch sehr stabil und darum wenig reaktionsfreudig.
Ø Alu-Nanopartikel verbrennen dagegen explosionsartig und werden als Raketentreibstoff eingesetzt.
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Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Reise in die Nanowelt – Zoom auf das Atom
Wir können mit Licht keine Objekte erkennen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes sind.
Nano-Instrumente
§
§
Rastersondenmikroskope (SPM) – Nanostrukturen ertasten
Ø Rastertunnelmikroskop (STM)
Ø Rasterkraftmikroskop (AFM)
Elektronenmikroskop (EM)
Das Rastertunnelmikroskop
Für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (engl.: scanning tunneling microscope, STM), wurden die
Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Im STM
wird eine spitze Metallnadel bis auf eine Entfernung von einem Nanometer an die Probenoberfläche herangeführt,
ohne sie zu berühren. Legt man eine elektrische Spannung an, fliessen Elektronen zwischen der Nadelspitze
und der Probenoberfläche („Tunnelstrom“). Dieser Effekt ist nur mit der Quantenphysik erklärbar, denn
in dem Zwischenraum ist nichts, das die geladenen Teilchen leiten könnte.
Die Spitze fährt anschliessend in versetzten Linien
über die Oberfläche hinweg. Bei konstantem Strom
hält die bewegliche Nadel in ihrer Auf- und Ab-Bewegung
immer den gleichen Abstand zur Probe.
Kommt sie beispielsweise einem Atom nahe, steigt
der Tunnelstrom an und sie wird mechanisch so
lange gehoben, bis die eingestellte Stromstärke
wieder erreicht ist. Sinkt der Strom, wird sie abwärts
bewegt. Ein Computer zeichnet die Hebe- und
Senkbewegungen der Nadel auf und wandelt sie in
ein Abbild aller Atome der Oberfläche um.
Abb.: Nanostrukturen werden durch Rastertunnelmikroskope
sichtbar
Das Rasterkraftmikroskop
Bei der Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy, AFM) ist das Bauprinzip anders und lässt sich
eher mit einem Plattenspieler vergleichen. Die Sondenspitze ist auf einer Biegefeder aus Silizium oder Siliziumnitrid
(Cantilever) angebracht und fährt dicht über die Probenoberfläche hinweg. Kommt sie einem Oberflächenatom
nahe, wird die Spitze durch Abstossungskräfte zwischen Sonden- und Oberflächenatom hochgedrückt,
was wiederum den Cantilever-Arm auslenkt. Diese Bewegung wird mit einem Laserstrahl registriert,
der auf die Oberseite des Cantilevers gerichtet ist: Wenn sich der Cantilever verbiegt, ändert sich der Reflexionswinkel
des Laserstrahls. Ein Lichtsensor misst dieses Signal und überträgt es an den Computer.
Das Elektronenmikroskop
Im EM können die elektrisch geladenen Teilchen von einem glühenden Wolframdraht erzeugt werden. Ein
elektrisches Feld im Inneren einer aufrecht stehenden Röhre beschleunigt die Teilchen. Durch magnetische
Spulen, die als Linsen fungieren, entsteht ein gebündelter Elektronenstrahl. Dabei muss im Elektronenmikroskop
ein Vakuum herrschen, da der Strahl sonst durch Gasteilchen gestreut würde. Der Strahl trifft auf die
Probe am unteren Ende des Mikroskops und wird auf verschiedene Arten sichtbar gemacht.
Das Raster-Elektronenmikroskop (wichtig im Bereich Nanotechnologie)
Beim Raster-Elektronenmikroskop (REM) wird der Elektronenstrahl zu einem möglichst kleinen Fleck gebündelt
und zeilenweise über den gewünschten Ausschnitt der Probe geführt. Treffen die reflektierten oder aus
der Probe herausgeschlagenen Elektronen (Sekundärelektronen) auf einen Detektor, werden sie durch einen
Verstärker in optische Signale auf einem Bildschirm umgewandelt. REM-Bilder sehen sehr plastisch aus und
sind daher in der wissenschaftlichen Fotografie beliebt.
Warum wird man Atome nie mit einem optischen Mikroskop sehen können?
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Oberflächen-Phänomene
Der Lotus-Effekt – Selbstreinigende Oberflächen: Der Natur abgeschaut!
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§
„Selbstreinigung“ von Lotusblättern beruht auf der Mikro- und Nanostrukturierung der Blattoberfläche.
Wassertropfen perlen ab und reissen dabei Schmutzpartikel mit.
Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche (Rasterelektronenmikroskop)
Haften ohne Leim oder warum der Gecko nicht von der Decke fällt!
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§
Haftstrukturen bestehen aus feinen Härchen
(Ø ca. 200 nm)
Härchen garantieren optimales Anschmiegen an
jede Unterlage
Fürs Haften verantwortlich sind die „Van-der-
Waals-Kräfte“, die auf Ladungsverschiebungen
innerhalb der Atome beruhen.
Geckos finden auf fast jedem Untergrund Halt.
Durch das „Abrollen“ der Zehen können sie den
Kontakt wieder lösen.
Theoretische Grundlagen
Die Tatsache, dass es Feststoffe gibt, die ihre Form behalten, deutet darauf hin, dass anziehende Kräfte
zwischen den kleinsten Teilchen herrschen, welche diese auf ihren Plätzen halten. Auch zwischen Flüssigkeitsteilchen
müssen Kräfte existieren, sonst würden diese auseinander fliegen und jeden verfügbaren
Platz einnehmen. In Flüssigkeiten sind diese Kräfte allerdings kleiner als in Feststoffen, daher zwingt die
Schwerkraft die Teilchen dazu, die Form des Gefässes anzunehmen und eine horizontale Oberfläche zu bilden.
Die Teilchen ziehen sich aber doch so stark an, dass sie im freien Fall kugelförmige Tropfen bilden. Auch
das Phänomen der Oberflächenspannung (Wasserläufer) ist auf diese Anziehungskräfte zurückzuführen.
Ähnliche Anziehungskräfte gibt es auch zwischen unterschiedlichen Stoffen:
§ In einem dünnen Röhrchen steigt der Wasserspiegel hoch (Kapillarkräfte, z.B. bei Bäumen).
§ Der Gecko haftet an fast jeder Oberfläche.
Die Anziehungskräfte wirken nur auf kurze Entfernungen und sind je nach Stoffen unterschiedlich stark. Zwischen
Alkohol-Teilchen und Wasserteilchen wirken starke Kräfte, deshalb mischen sich die beiden Flüssigkeiten
sehr gut. →Alkohol ist hydrophil.
Zwischen Ölteilchen und Wasserteilchen hingegen sind die Kräfte nur schwach. Daher bleiben die Wasserteilchen
lieber unter sich und die Ölteilchen ebenso. Daher lässt sich Öl und Wasser nicht mischen. →Öl ist
hydrophob.
Die Teilchen in idealen Gasen sind relativ weit voneinander entfernt und bewegen sich unabhängig von einander.
Zwischen ihnen gibt es praktisch keine Anziehungskräfte.
Hydrophobie und hydrophober Effekt
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Hydrophob: Griechisch für wasserabweisend.
In der Chemie: Hydrophob steht für schwach Wasser bindend (z.B. Öle, Fette, Wachse).
Der hydrophobe Effekt entsteht, wenn sich hydrophobe Stoffe und Wasser begegnen. Das Wasser bildet
Wassertropfen, da die Wassermoleküle von den hydrophoben Molekülen kaum angezogen werden.
Der Künstliche Lotus-Effekt
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§
Der Lotus-Effekt ® bezeichnet die selbstreinigende Eigenschaft einer Oberfläche. Selbstreinigend bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass die Oberfläche durch Wasser ohne den Einsatz weiterer Substanzen gereinigt
werden kann.
Der Effekt ist nicht auf die Lotuspflanze beschränkt und kann auch künstlich erzeugt werden.
Dabei werden die zu behandelnden Oberflächen künstlich rau gemacht, so dass ihre äusserste Schicht,
ähnlich wie die Blätter der Lotuspflanze, eine im Nanometerbereich „hüglige“ Struktur aufweist.
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Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Das Sol-Gel-Verfahren
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In einer Lösung sind die gelösten Teilchen auf molekularer Ebene in einer Flüssigkeit verteilt. (Laserstrahl
wird nicht gestreut)
Ein Sol ist eine Suspension von sehr feinen Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit. Die Feststoffteilchen
bilden sich aus molekular verteilten Teilchen durch teilweise Aggregierung. Wenn die Grösse der Teilchen
im Nanometerbereich oder noch höher liegt (>400 – 700 nm), dann wird ein Lichtstahl an ihnen gestreut.
Ein Gel entsteht aus einem Sol, wenn diesem die Flüssigkeit entzogen wird. Ein stabiles Gel behält eine
schwammige Struktur mit einer grossen Oberfläche.
Der Oberflächen-Effekt
Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität
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§
§
Je kleiner ein Partikel, desto höher der relative Anteil der Atome/Moleküle, die sich direkt an der Oberfläche
befinden.
Zudem: Die Atome an der Oberfläche sind einer geringeren Bindungskraft aus dem Inneren des Partikels
ausgesetzt.
Nur die Atome/Moleküle an der Oberfläche können mit der Umgebung interagieren.
Folglich: Stärkere Wechselwirkungen der Atome des Partikels mit der Umgebung des Partikels.
Beispiel: Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln
§
§
§
§
Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln
Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität
Zum Beispiel: Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit Sauerstoff aus der Umgebung. Verbrennung
bereits „spontan“ bei Raumtemperatur
→ Pyrophores Eisen.
Pyrophor = leicht entzündlich
Bei makroskopischem Eisen: Oxidation/Verbrennung auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C nur
sehr langsam.
Das Wichtigste in Kürze:
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§
§
§
§
Ein Nanopartikel kann als ein Verbund von Atomen bezeichnet werden.
Reaktivität = Die Fähigkeit von Materialien mit anderen Materialien aus der Umgebung in Kontakt zu treten
und eine chemische Reaktion einzugehen.
Die Reaktivität ist abhängig vom Anteil der Atome eines Atomverbundes (z.B. ein Nanopartikel), der mit
der Umgebung direkt in Kontakt steht.
Nur die Atome an der Oberfläche eines Atomverbundes können eine chemische Reaktion mit den Atomen
der Umgebung eingehen.
Je kleiner ein Partikel, desto grösser der Anteil jener Atome, welche direkt mit der Umgebung
reagieren können.
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Experimentieranleitung zur Herstellung von Nanogold und Hintergründe
- Optische Eigenschaften und Einsatz als Sensor -
Die Eigenschaften von Gold
Gold (Au, Ordnungszahl 79) ist das biegbarste und verformbarste aller Metalle, es kann zu sehr dünnen Goldblättern
verarbeitet werden und diese können nach Belieben gerollt oder gebogen werden. Diese Eigenschaft
ist seit Jahrhunderten bekannt und seit Jahrhunderten wird Gold auch entsprechend verarbeitet. Die Farbe
von reinem Gold ist metallisch gelb („golden”). Ihr habt vermutlich bereits von „Rotgold” oder „Weissgold“
gehört, diese sind jedoch nicht aus purem Gold. Es handelt sich dabei um Goldlegierungen, die weitere Metalle
beinhalten, wie Kupfer oder Silber.
Gold ist sehr stabil und nicht toxisch. Deshalb wird es sehr oft bei der Schmuckherstellung und auch von
ZahnärztInnen bei der Zahnbehandlung verwendet. Ausserdem ist es gegenüber Luft chemisch inert und wird
von den meisten Chemikalien nicht beeinträchtigt. Gold ist auch ein guter Wärme- und Stromleiter (dies verdankt
es dem Umstand, dass die Leitungselektronen sich frei um den Nukleus bewegen können); es ist korrosionsresistent
und wird deshalb für elektronische Kontakte und anderen elektronischen Anwendungen
verwendet. Gold findet auch zahlreiche weitere Anwendungen: Zum Beispiel dünne Goldschichten (so dünn,
dass die Schichten durchsichtig sind) werden auf das Fensterglas von grossen Gebäuden angebracht, um die
Menge des vom Fenster reflektierten Lichts zu erhöhen. Somit wird im Sommer die Klimaanlage weniger beansprucht,
um das Gebäude kühl zu halten.
Kolloide und Lösungen
Wenn sich Goldnanopartikel innerhalb eines Materials (z. B. Wasser) befinden, bilden sie ein Kolloid. Ein
Kolloid ist etwas anderes als eine Lösung. Eine Lösung ist eine chemische Mixtur, bei der die Moleküle einer
Substanz gleichmässig in eine andere Substanz verteilt (dispergiert) werden (wie zum Beispiel eine Salzlösung);
ein Kolloid ist eine andere Art chemischer Mixtur: Die Partikel der dispergierten Substanz sind nur in
der Mixtur suspendiert, sie sind dort nicht vollkommen aufgelöst. Ein Kolloid besteht aus Partikeln in der Grössenordnung
von 5-1000 nm.
Man kann kolloidales Gold herstellen, indem man eine Lösung von Gold-Ionen Au 3⊕ mit einer Citrat-Lösung
vermischt. Die Grösse der Nanopartikel kann durch die Konzentration der Citrat-Lösung reguliert werden.
Kolloide existieren in der Natur und können in der Form einer Emulsion vorkommen (wie z. B. Milch), Gel
(Gelatine), Aerosol (Nebel) sowie viele andere Formen.
Teil I: Herstellung von Nanogold und optische Eigenschaft
Chemikalien/Substanzen/Lösungen
§ Lösung 1: 0.88 mM Goldchlorid Lösung/0.88 mM AuHCl 4 (H 2 O)
§ Lösung 2: 1%ige Natriumcitrat Lösung/1% C 6 H 5 Na 3 O 7 (H 2 O)
§ destilliertes Wasser
Sicherheitshinweise:
Vorsicht ätzend! Schutzbrille, Handschuhe
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Benötigte Materialien pro Zweierteam
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§
§
§
1 feuerfestes Reagenzglas (DURAN)
1 Messzylinder 10 mL
2 Glasperlen
1 Bunsenbrenner (inkl. Feuerzeug)
1 Holzklammer (Reagenzglashalterung)
1 5 mL Plastikspritze mit abgeschliffener Nadel
4-6 graduierte Plastik-Pasteurpipetten (ca. 5 mL)
Präparategläschen mit Deckel
Etiketten
Versuchsdurchführung
Übersicht:
Lösung
Lösung 1 (Goldchlorid Lösung)
Lösung 2 (Natriumcitrat Lösung)
Menge pro Experiment
4 mL
3-4 Tropfen
Herstellung von Nanogold
1. Ca. 4 mL Lösung 1 mit einer 5 mL Plastikspritze mit stumpfer Nadel in ein Duran- Reagenzglas
pipettieren.
2. Zwei Glasperlen in das Reagenzglas geben.
3. Lösung 1 im Reagenzglas über den Bunsenbrenner halten und zum Sieden bringen.
4. 3-4 Tropfen Lösung 2 mit einer Plastik-Pasteurpipette hinzu pipettieren.
5. Weiter erhitzen, bis die Lösung eine weinrote Farbe annimmt.
6. Fülle dein Nanogold-Kolloid in ein Präparategläschen mit Deckel.
7. Verdünne die 4 mL Nanogold-Kolloid mit 10 mL dest. Wasser (abmessen mit Messzylinder)
Beobachtungen:
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Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen
Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Teil II: Nanogold (Goldkolloide) als kolorimetrische Sensoren
Die Anwendung eines Goldkolloids in der Medizin (als Biosensor)
Heutzutage werden die vielen Einsatzmöglichkeiten von Gold in der Nanomedizin erforscht. Hier behandeln
wir eine dieser Einsatzmöglichkeiten: seine Anwendung als kolorimetrischer Biosensor. Allgemein gesprochen
ist ein Sensor eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine oder mehrere spezifische chemische Stoffe
innerhalb einer Mixtur zu erkennen, und sein/ihr Vorhandensein anhand der Messung von chemischen Veränderungen
zu „signalisieren”. Ein Biosensor ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, ein spezifisches Molekül,
wie z. B. eine bestimmte Art von Antikörper, ein DNA-Fragment, etc., aufzuspüren. Dieses Molekül wird
wegen seiner Eigenschaft, das Vorhandsein einer bestimmten Virus- oder Bakterienart oder eines bestimmten
genetischen Problems zu bestätigen, ausgewählt.
In einem Goldkolloid-Biosensor resultieren die Messergebnisse durch eine Veränderung der Aggregierung
(= Anhäufung, Zusammenlagerung) von Nanopartikeln, die das Kolloid bilden. Da die Farbe von der
Grösse abhängig ist, bewirkt die Veränderung der Aggregierung einen Farbenwechsel des Kolloids.
Deshalb wird dieser Sensor als kolorimetrischer Sensor bezeichnet (das Wort kolorimetrisch wird vom lateinischen
„color” abgeleitet).
Testet euer Goldkolloid (Nanogold) und setzt es als Sensor ein!
Chemikalien:
§ Das Goldkolloid (Nanogold), das in dieser Synthese (Teil I) erstellt wird, sollte in einer Menge von
etwa 14 mL zur Verfügung stehen.
§ 0.5 M NaCl-Lösung
§ 1 M Zuckerlösung
§ Eiweisslösung steht bereit!
Benötigte Materialien pro Zweierteam
§ 4 Gläschen
Probe Test Beobachtung
Kontrollgläschen ----
Gläschen 1
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 1
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 2
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 3
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 3
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 4
(mit 3 mL Nanogold)
Gläschen 4
(mit 3 mL Nanogold)
füge 7-9 Tropfen der NaCl -Lösung
hinzu
füge gesamthaft 13 Tropfen der
NaCl -Lösung zu Gläschen 1 hinzu
füge 25 Tropfen NaCl- Lösung hinzu
füge 10 Tropfen der Zuckerlösung
hinzu
füge 6 Tropfen NaCl- Lösung in das
Gläschen 3
füge 10 Tropfen der Eiweisslösung
hinzu
füge 6 Tropfen NaCl- Lösung in das
Gläschen 4
Fragen: Welche Stoffe können mit dem Nanogold-Sensor nachgewiesen werden?
http://journals.tums.ac.ir/upload_files/pdf/_/19942.pdf
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Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen
Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Ergebnisse/ Hintergründe
Falls ein Elektrolyt hinzugefügt wird, wie etwa NaCl (Salz), haften die Nanopartikel aneinander (Aggregierung),
und bewirken, dass die Lösung eine dunkelblaue Farbe annimmt. Falls eine hohe Konzentration an
Salz hinzugefügt wird, aggregieren die Nanopartikel in der Art, dass sie nach unten sinken (Präzipitation)
und die Lösung schliesslich klar wird und eine schwarze Ablagerung am Boden des Fläschchens zu
sehen ist.
Falls ein schwacher Elektrolyt oder ein Nicht-Elektrolyt zugefügt wird (z. B. Zucker) wird die elektrostatische
Abstossung zwischen dem Gold und dem Citrat-Ionen nicht unterbrochen und die Lösung bleibt rot.
Falls ein Stabilisator eines hochmolekularen Gewichts zugefügt wird, wie z. B. ein Protein oder ein
Polyethylenglykol, absorbiert es an der Oberfläche der Nanopartikel, mit dem Effekt die Aggregierung zu
verhindern, selbst bei einer hohen Salzkonzentration. *Für diese Übung wird Eiweiss benutzt, da dieses eine
sehr kostengünstige Proteinquelle darstellt. Die Lösung bleibt rot.
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