Synteza nanocząstek Ag i pomiar widma absorpcyjnego

Transkrypt

1 Synteza nanocząstek Ag i pomiar widma absorpcyjnego Nanotechnologia jest nową, interdyscyplinarną dziedziną nauki łączącą osiągnięcia różnych nauk (m. in. chemii, biologii, fizyki, mechaniki, inżynierii) i zajmującą się badaniami materiałów o rozmiarach w skali nano (1 nm = 10-9 m). Nanocząstki charakteryzują się unikatowymi własnościami fizycznymi, chemicznymi oraz biologicznymi, które są uwarunkowane ich nanometrycznymi rozmiarami. Obecnie sporo uwagi poświęca się nanocząstkom metali szlachetnych, m. in. nanokryształom srebra, które znalazły zastosowanie jako środki zwalczające mikroorganizmy, w optyce, elektronice czy medycynie. Nanocząstki wchodzące w skład nanomateriałów zachowują swoje właściwości fizykochemiczne charakterystyczne w skali makro, a ponadto posiadają szereg nowych cech wynikających z ich małych rozmiarów. Zmienia się ich przewodnictwo cieplne, elektryczne czy magnetyczne oraz ich własności termodynamiczne, np. Nanocząstki srebra o średnicy 2,4 nm topią się w temperaturze ok. 360 C, podczas gdy nierozdrobnione srebro topi się dopiero w 960 C. Kolejną bardzo ważną zaletą nanocząstek jest wysoki stosunek powierzchni do objętości, który jest tym większy im mniejsza jest średnica, przez co wzrasta aktywność chemiczna nanocząstek. Właściwości optyczne są również zależne od rozmiaru nanocząstek. Na rysunku 1 a przestawiono koloidalne roztwory nanocząstek srebra o różnej morfologii i średnicy ziaren wraz z ich widmami absorpcyjnymi (rys.1 b). Jak widać różnice pomiędzy poszczególnymi roztworami są bardzo duże. Rysunek 1. Nanocząstki srebra o różnej morfologii i różnych rozmiarach. [Chem. Eur. J. 2010, 16, ] Ze względu na duże zainteresowanie nanocząstkami metali, sposoby ich syntezy, stabilizacji oraz ich właściwości stały się przedmiotem wielu badań. Możemy wyróżnić trzy główne grupy metod syntezy: metody chemiczne, fizykochemiczne oraz biochemiczne. Najbardziej rozpowszechnione są metody chemiczne, wśród których wymienić możemy redukcję chemiczną, mikroemulsje oraz metody elektrochemiczne. 1

2 Metoda redukcji chemicznej polega na redukcji soli srebra (najczęściej AgNO 3 ) przez czynnik redukujący (kwas askorbinowy, glukoza, borowodorek sodu, cytrynian sodu, hydrochinon), w obecności odpowiedniego stabilizatora (PVP - poliwinylopirolidon, PVA alkohol poliwinylowy, CTAB bromek cetylitrimetyloamoniowy, skrobia, żelatyna), który zapobiega agregacji nanocząstek. Rozmiar, kształt, stopień agregacji oraz stabilność koloidów można kontrolować przez dobór odpowiednich parametrów syntezy, takich jak stężenie soli srebra, stężenie stabilizatora czy stosunek molowy reduktora i soli srebra. Syntezę nanocząstek metodą redukcji chemicznej możemy podzielić na 3 etapy: etap utworzenie wolnych atomów srebra w wyniku reakcji pobrania elektronów od reduktora etap proces nukleacji, czyli tworzenia się zarodków krystalizacji w wyniku zderzeń wolnych atomów srebra etap stabilizacja roztworu koloidalnego poprzez dodanie środka stabilizującego. Spektrofotometria Spektroskopia jest to dział nauki zajmujący się badaniem struktury energetycznej (budowy i właściwości) substancji. Odbywa się to poprzez obserwację i analizę rozkładu energii czyli widm promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez dany obiekt fizyczny. Absorpcja promieniowania to pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przez materię. Na skutek absorpcji natężenie wiązki światła padającego na ośrodek ulega zmniejszeniu. Każda z substancji pochłania charakterystyczne dla siebie długości fali. Zdarza się, że dotyczy to jednej z długości wówczas możemy mówić o absorpcji selektywnej. To jaka długość fali będzie pochłaniana zależy od rodzaju substancji z jaką mamy do czynienia. Jeśli substancje absorbują fale o tej samej długości to różnią się one intensywnością w pochłanianiu. Absorbancja jest to wielkość fizyczna służąca do określenia ilości zaabsorbowanego promieniowania. Natężenie wiązki po przejściu przez substancję maleje. Absorbancję możemy opisać równaniem: log 0 A gdzie: A- absorbancja 0 - natężenie światła padającego - natężenie światła po przejściu przez roztwór Transmitancja jest to wielkość, określająca ilość promieniowania przepuszczonego. Określona jest za pomocą wyrażenia: T 0 lub wyrażona w procentach T 100% 0 gdzie: T transmitancja 0 - natężenie światła padającego - natężenie światła po przejściu przez roztwór 2

3 Związek pomiędzy absorbancją a transmitancją określa równanie: 1 log A T Widmo absorpcji określa zależność pomiędzy ilością promieniowania absorbowanego a długością fali. Zgodnie z prawem Lamberta-Beera stężenie składnika (C) jest proporcjonalne do absorbancji (A) roztworu: A log l C 0 gdzie: ε molowy współczynnik absorpcji charakterystyczny dla danej substancji w danym środowisku l długość drogi optycznej (szerokość kuwety) C stężenie molowe składnika Do pomiarów widm absorpcyjnych służą spektrofotometry. Schemat przykładowego spektrofotometru jednowiązkowego przedstawiono na rysunku 2. Rysunek 2. Schemat spektrofotometru jednowiązkowego. Roztworem badanej próbki napełniamy specjalne kuwety pomiarowe, które umieszcza się umieszcza się we wnętrzu spektrometru. Wiązka światła o określonej długości fali przechodzi przez roztwór i odczytujemy wartość absorbancji dla danej próbki. Jeśli znamy molowy współczynnik absorpcji dla danej próbki to korzystając z prawa Lamberta-Beera możemy obliczyć stężenie badanego roztworu. Jeśli natomiast nie znamy ani stężenia ani molowego współczynnika absorpcji to możemy wyznaczyć wartość ε metodą graficzną. W tym celu sporządzamy serię roztworów poprzez kilkukrotne rozcieńczanie roztworu wyjściowego. Mierzymy absorbancję dla wszystkich roztworów przy jednej długości fali i sporządzamy wykres zależności absorbancji od stężenia próbki. Ponieważ obie te wartości są liniowe możemy je przedstawić za pomocą wzoru: y bx a gdzie: y wartość zmierzonej absorbancji x stężenie roztworu. 3

4 Dla tego wykresu należy dopasować krzywą regresji liniowej oraz współczynnik korelacji R 2. Z wyznaczonych współczynników kierunkowych prostej możemy wyliczyć molowy współczynnik absorbcji, a następnie stężenie badanego roztworu. Zagadnienia do przygotowania: 1. Co to są nanocząstki? 2. Jaki są zalety nanocząstek? 3. Jakie właściwości mają nanocząstki srebra? 4. Co to jest widmo? 5. Jaką jednostkę ma molowy współczynnik absorbcji? Wykonanie ćwiczenia: 1. Przygotowanie roztworu glukozy o stężeniu 1 mol/dm 3 W celu przygotowania 50 cm 3 roztworu glukozy o stężeniu 1 mol/dm 3 należy odważyć odpowiednią ilość glukozy, następnie rozpuścić w niewielkiej objętości wody destylowanej, przelać do kolby miarowej o pojemności 50 cm 3 i dopełnić wodą do kreski. Całość dokładnie wymieszać. 2. Synteza nanocząstek Ag Do zlewki o pojemności 50 cm 3 wlewamy 5 cm 3 roztworu azotanu srebra (AgNO 3 ) o stężeniu 0,2 mol/dm 3. Odważamy 0,3 g CTAB i rozpuszczamy w 20 cm 3 wody destylowanej. Roztwór CTAB dodajemy do AgNO 3 i dokładnie mieszamy. Dodajemy 3 cm 3 amoniaku o stężeniu 25% i dokładnie mieszamy. Na koniec dodajemy 10 cm 3 roztworu glukozy o stężeniu 1 mol/dm 3. Mieszaninę stawiamy na płycie grzewczej i mieszamy szklanym pręcikiem. Kiedy pojawi się żółte zabarwienie to zdejmujemy zlewkę z płyty i obserwujemy co się dzieje. Kiedy roztwór ostygnie przygotowujemy serię roztworów wzorcowych. Wykonujemy analogiczną syntezę, ale bez dodatku CTAB. 3. Przygotowanie serii roztworów wzorcowych Należy pobrać z roztworu wyjściowego 10 cm 3 roztworu koloidalnego nanocząstek srebra. Następnie należy pobrać 10 cm 3, przenieść do kolby o pojemności 25 cm 3 i dopełnić do kreski. Z tego roztworu znów pobieramy 10 cm 3 i dopełniamy wodą do kreski, czynność powtarzamy kilkakrotnie, aż do uzyskania roztworu o barwie jasnożółtej. 4. Rejestracja widma absorpcyjnego nanocząstek Dla roztworu najbardziej rozcieńczonego rejestrujemy widmo nanocząstek srebra. Powtarzamy cały czas czynności wskazane w punktach 2-9 w instrukcji obsługi spektrofotometru, zmieniając długość co 10 nm w zakresie nm. UWAGA: w zakresie zmieniamy długość fali co 5 nm. 5. Wyznaczanie współczynnika absorpcji molowej W celu wyznaczenia współczynnika absorpcji molowej należy zmierzyć wartość absorbancji w maksimum dla wszystkich roztworów. Należy wykonać czynności opisane w pkt. 2-9 ustawiając jako długość fali wartość, przy której otrzymano najwyższą absorbancję. Będąc 4

5 w punkcie 9 nie zmieniamy żadnych ustawień tylko wkładamy do spektrofotometru kuwetę z poszczególnymi roztworami. Opracowanie wyników: 1. Proszę dokładnie opisać wszystkie czynności wykonywane w trakcie syntezy nanocząstek srebra. 2. Proszę napisać schemat reakcji syntezy nanocząstek srebra. 3. Jaką rolę pełnią glukoza i CTAB? 4. Na podstawie zmierzonych wartości absorbancji należy narysować widmo absorpcyjne nanocząstek. 5. Proszę narysować wykres zależności absorbancji od stężenia i wyznaczyć metodą graficzną współczynnik absorbancji molowej dla każdego stężenia, a następnie obliczyć wartość średnią i podać błąd tego oznaczenia. Jako stężenie początkowe należy obliczyć stężenie jonów srebra w roztworze przed reakcją. Roztwór Roztwór nr 1 Stężenie mol/dm 3 Wartość molowego współczynnika absorbancji Bibliografia: 1. Walenty Szczepaniak: Metody instrumentalne w analizie chemicznej. Wyd. V. Warszawa: PWN, Zbigniew Kęcki: Podstawy spektroskopii molekularnej. Wyd.. Warszawa: PWN, NSTRUKCJA OBSŁUG SPEKTROFOTOMETRU: 1. Włącz Spektrofotometr (przycisk z tyłu aparatu) 01 ABSORBANCE λ = 340 nm T = Wciśnij przycisk Prog. i zmień nr procedury na 1 (wprowadź z klawiatury numerycznej) Nr procedury 1 λ = 340 nm T = Potwierdź klawiszem ENTER 4. Wprowadź odpowiednią długość fali (z klawiatury numerycznej) 5

6 Dł. fali... λ = 340 nm T = Potwierdź klawiszem ENTER 6. Do celi pomiarowej wstaw kuwetę z rozpuszczalnikiem (woda). Zamknij przykrywkę. Klawiszem temp. wybierz odpowiednią temperaturę. Wstaw blank λ =... nm T = 25 o C 7. Wartość absorbancji (widoczna na wyświetlaczu spektrofotometru) powinna być równa Wyjmij kuwetę z rozpuszczalnikiem (wodą) i w jej miejsce włóż kuwetę z roztworem badanym. Wstaw próbkę λ =... nm T = 25 o C 9. Po usłyszeniu sygnału dźwiękowego odczytaj wartość absorbancji na monitorze spektrofotometru. 6