Absorptions- und Transmissions-Spektren
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Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Thematische Woche 4. Klassen Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Lernziele 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 PartnerIn in Praktika: Klasse Kontrolle durch Lehrperson unvollständig teils unvollständig vollständig Sauberkeit: Datum, Visum: April 2013 Kantonsschule Trogen 1 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 ist der Einbau des Kohlenstoffs aus dem KohTransmission: T/% lendioxid 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. d) Zeichne ein Transmissions-Spektrum von Absorptions-Spektrum von Chlorophyll Chlorophyll. Kantonsschule Trogen 2 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Antworten auf Fragen a) bis d) b) a) c) d) Zeichne und beschrifte das Absorptions-Spektrum und das Transmissions-Spektrum einer Kaliumpermanganat-Lösung. Spektren einer Kaliumpermanganat-Lösung Absorptions-Spektrum Transmissions-Spektrum Kantonsschule Trogen 3 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Kurze Einführung in die Säure-Base-Theorie Eigenschaften von Säuren Schmecken sauer. Geschmacksproben sind in der Chemie tabu! Lösen Metalle und andere Stoffe wie Oxide, Carbonate oder auch Proteine (Haut) auf. Werden von Laugen neutralisiert. Enthalten „Säure-Teilchen“. (siehe unten) Eigenschaften von Laugen Fühlen sich seifig oder schlüpfrig an. Lösen viele organische Substanzen wie Fette, Proteine und auch gewisse Metalle (z.B. Aluminium) auf. Werden von Säuren neutralisiert. Enthalten „Base-Teilchen“. (siehe unten) Säureteilchen Alle Säuren sind in der Lage, H⊕-Ionen, d.h. Protonen abzugeben. Dabei entstehen HydroxoniumIonen, H3O⊕. H2O + H⊕ H3O⊕ (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 + HNO3 + H2SO4 + H2O H2O H2O H3O⊕ H3O⊕ H3O⊕ + + + Cl⊖ (Salzsäure) NO3⊖ (Salpetersäure) HSO4⊖ (Schwefelsäure) HAc H2O ⇌ H3O⊕ + Ac⊖ + (Ac⊖ = Acetat-Ion CH3COO⊖) Kantonsschule Trogen 4 (Essigsäure) Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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. H2O H⊕ OH⊖ (Hydroxid-Ionen) Einige wichtige Basen NaOH KOH Ca(OH)2 BaO + NH3 + H2O Na⊕ K⊕ Ca2⊕ Ba2⊕ H2O ⇌ NH4⊕ + + + + + OH⊖ OH⊖ OH⊖ 2OH⊖ (Natronlauge) (Kalilauge) (Kalkwasser) (Barytwasser) OH⊖ (Ammoniak) Neutralisation Ein Säureteilchen (Hydroxonium-Ion, H3O⊕) reagiert mit einem Baseteilchen (Hydroxid-Ion, OH⊖) zu zwei Wassermolekülen. Bei dieser stark exothermen Reaktion wird ein Proton vom HydroxoniumIon (H3O⊕) auf das Hydroxid-Ion (OH⊖) übertragen: H3O⊕ + OH⊖ H2O + H2O Die pH-Skala: 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. Kantonsschule Trogen 5 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 RotkohlExtrakt 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. …………………………………………………………… Kantonsschule Trogen 6 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 Absorbierte Zugehörige mene Farbe Wellenlängen Farbe der Lösung (Absorptionsmaxima) (rot, grün, etc.) KomplementärFarbe Mischfarbe Stimmt die Mischfarbe mit der von dir wahrgenommenen Farbe überein? ……………………………………………………………… Erkläre, falls dies nicht zutrifft. …………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Kantonsschule Trogen 7 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 UV(A), 320-400nm VIS 400-495nm VIS 495-700nm VIS/IR 700-1100nm Mittlere Transmission Schutzwirkung Würdest du diese Sonnenbrille weiter empfehlen? Begründe deine Antwort! ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Kantonsschule Trogen 8 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Kantonsschule Trogen Sonnenbrille 9 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Kantonsschule Trogen 10 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 100 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) TiO2 als UV-Schutz: Nanopartikel in Sonnencremes und Kosmetika SiO2 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 Vulkanausbrüche Waldbrände Sandstürme Nanopartikel durch den Menschen verursacht Zigarettenrauch Verkehr (Dieselfahrzeuge) Industrie Industrielle Erzeugung von Nanostrukturen Top-down 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: Alu-Folie ist chemisch sehr stabil und darum wenig reaktionsfreudig. Alu-Nanopartikel verbrennen dagegen explosionsartig und werden als Raketentreibstoff eingesetzt. Kantonsschule Trogen 11 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 Rastertunnelmikroskop (STM) 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 Abb.: Nanostrukturen werden durch Rastertunnelmikroskope ein Abbild aller Atome der Oberfläche um. 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? Kantonsschule Trogen 12 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Oberflächen-Phänomene Der Lotus-Effekt – Selbstreinigende Oberflächen: Der Natur abgeschaut! „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! Haftstrukturen bestehen aus feinen Härchen (Ø ca. 200 nm) Härchen garantieren optimales Anschmiegen an jede Unterlage Fürs Haften verantwortlich sind die „Van-derWaals-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 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 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. Kantonsschule Trogen 13 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Das Sol-Gel-Verfahren 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 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: 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. Kantonsschule Trogen 14 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 Au3⊕ 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 AuHCl4 (H2O) Lösung 2: 1%ige Natriumcitrat Lösung/1% C6H5Na3O7 (H2O) destilliertes Wasser Sicherheitshinweise: Vorsicht ätzend! Schutzbrille, Handschuhe Kantonsschule Trogen 15 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen Benötigte Materialien pro Zweierteam 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: Kantonsschule Trogen 16 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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 Kontrollgläschen Test ---- Beobachtung Gläschen 1 (mit 3 mL Nanogold) füge 7-9 Tropfen der NaCl -Lösung hinzu Gläschen 1 (mit 3 mL Nanogold) füge gesamthaft 13 Tropfen der NaCl -Lösung zu Gläschen 1 hinzu Gläschen 2 (mit 3 mL Nanogold) Gläschen 3 (mit 3 mL Nanogold) füge 25 Tropfen NaCl- Lösung hinzu Gläschen 3 (mit 3 mL Nanogold) füge 6 Tropfen NaCl- Lösung in das Gläschen 3 Gläschen 4 (mit 3 mL Nanogold) füge 10 Tropfen der Eiweisslösung hinzu Gläschen 4 (mit 3 mL Nanogold) füge 6 Tropfen NaCl- Lösung in das Gläschen 4 füge 10 Tropfen der Zuckerlösung hinzu Fragen: Welche Stoffe können mit dem Nanogold-Sensor nachgewiesen werden? http://journals.tums.ac.ir/upload_files/pdf/_/19942.pdf Kantonsschule Trogen 17 Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen 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. Kantonsschule Trogen 18
