ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Γ: ΧΡΩΜΑΤΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΧΡΥΣΟΣ ΝΑΝΟ- ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Γ: ΧΡΩΜΑΤΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΧΡΥΣΟΣ ΝΑΝΟ- ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ Όνομα σπουδαστή:... Ημερομηνία:... Στο πείραμα αυτό θα μελετήσετε τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων χρυσού και την εφαρμογή τους ως χρωματομετρικοί αισθητήρες. Σε αυτό το φύλλο εργασίας σας παρέχουμε μερικές βασικές πληροφορίες, καθώς επίσης και οδηγίες για τη διεξαγωγή του πειράματος. ΣΤΟΧΟΙ: Να μάθετε πώς παράγονται τα νανοσωματίδια χρυσού στο εργαστήριο του σχολείου. Να κατανοήσετε την επίδραση του μεγέθους στις ιδιότητες ενός οικείου υλικού όπως ο χρυσός. Να κατανοήσετε τη χρήση των κολλοειδών χρυσού ως αισθητήρων για ιατρικές διαγνώσεις. Αυτή η εργαστηριακή δραστηριότητα αποτελείται από τρία μέρη: ΜΕΡΟΣ Α: Σύνθεση ενός κολλοειδούς νανοσωματιδίων χρυσού ΜΕΡΟΣ Β: Εξέταση για την παρουσία νανοσωματιδίων χρυσού ΜΕΡΟΣ Γ: Εξέταση του κολλοειδούς του χρυσού ως χρωματομετρικό αισθητήρα Προτού ξεκινήσετε...απαντήστε στις ερωτήσεις: Ε1. Τι χρώμα έχει ο χρυσός;... Ε2. Τι γνωρίζετε για τις ιδιότητες του χρυσού; Ε3. Απαριθμήστε τρεις εφαρμογές ή χρήσεις του χρυσού... 1

2 Διαβάστε τις παραγράφους 1 Α και 1Β 1 Α. Ιδιότητες του χρυσού Ο χρυσός (Au, ατομικός αριθμός 79) είναι το πιο ελάσιμο και όλκιμο μέταλο από όλα, μπορεί να σφυρηλατηθεί σε πολύ λεπτά στρώματα του υλικού και να τυλιχθεί ή να αναδιπλωθεί όπως επιθυμούμε. Αυτό είναι γνωστό και γίνεται για αιώνες. Το χρώμα του καθαρού χρυσού είναι μεταλικό κίτρινο ( χρυσαφί ). Πιθανόν να έχετε δει ή ακούσει για το ροζ χρυσό ή το λευκό χρυσό, αλλά αυτά δεν αποτελούνται από καθαρό χρυσό, είναι κράματα χρυσού, περιέχουν και άλλα μέταλα όπως χαλκό και ασήμι. Ο χρυσός είναι πολύ σταθερός και μη-τοξικός, και γι αυτό το λόγο χρησιμοποιείται ευρέως στα κοσμήματα και την οδοντιατρική, επειδή είναι αδρανής στον αέρα και δεν επηρεάζεται από τις περισσότερες χημικές ουσίες. Ο χρυσός επίσης είναι ένας καλός αγωγός θερμότητας και ηλεκτρισμού (κάτι που οφείλεται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας είναι ελεύθερα να κινούνται γύρω από τον πυρήνα). Είναι αντιδιαβρωτικός και γι αυτό χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές επαφές και άλλες ηλεκτρονικές εφαρμογές. Ο χρυσός έχει επίσης πολλές άλλες εφαρμογές: για παράδειγμα, λεπτά στρώματα χρυσού (τόσο λεπτά που είναι σχεδόν διαφανή) εφαρμόζονται στα παράθυρα μεγάλων κτηρίων, ώστε να αυξηθεί η ποσότητα ηλιακού φωτός που αντανακλάται από το παράθυρο. Έτσι, απαιτείται λιγότερος κλιματισμός το καλοκαίρι, για να διατηρηθεί το κτήριο δροσερό. 1B. Κολλοειδές και Διάλυμα Όταν τα νανοσωματίδια χρυσού βρίσκονται μέσα σε ένα υλικό, όπως το νερό, δημιουργούν ένα κολλοειδές. Ένα κολλοειδές είναι διαφορετικό από ένα διάλυμα. Ένα διάλυμα είναι ένα χημικό μίγμα όπου τα μόρια μίας ουσίας είναι διασκορπισμένα ομοιόμορφα σε μία άλλη ουσία (όπως ένα διάλυμα άλατος). Ένα κολλοειδές είναι ένας άλλος τύπος χημικού μίγματος: τα σωματίδια της διασκορπισμένης ουσίας, μόνο αιωρούνται στο μίγμα, δεν διαλύονται μέσα σε αυτό. Ένα κολλοειδές αποτελείται από σωματίδια στην κλίμακα των nm. 2

3 Ο κολλοειδής χρυσός μπορεί να κατασκευαστεί αναμιγνύοντας ένα διάλυμα ιόντων χρυσού Au 3+ και διάλυμα κιτρικού άλατος. Το μέγεθος των νανοσωματιδίων μπορεί να ρυθμιστεί από την πυκνότητα του διαλύματος του κιτρικού άλατος, το οποίο ενεργεί επίσης ως σταθεροποιητής. Διάλυμα κιτρικού νατρίου Διάλυμα tethra chloro aurate Δημιουργία Κολλοειδούς χρυσού Ε4. Η ζάχαρη που αναμιγνύεται στο νερό δημιουργεί ένα κολλοειδές ή ένα διάλυμα; Εξηγήστε E5. Η άμμος και το νερό (λασπόνερο) δημιουργούν ένα κολλοειδές ή ένα διάλυμα; Εξηγήστε Τα κολλοειδή υπάρχουν στη φύση και μπορούν να έχουν τη μορφή γαλακτώματος (όπως το γάλα), γέλης (ζελατίνη), αερολύματος (ομίχλη), και πολλές άλλες μορφές. Ακόμη και η κρέμα είναι κολλοειδές! Υπάρχουν ακόμη και νανοσωματίδια στα φυσικά κολλοειδή. Για παράδειγμα, το γάλα είναι ένα κολλοειδές, που αποτελείται από ένα γαλάκτωμα μικκυλίων καζεϊνης (μικροσκοπικά συμπλέγματα πρωτεϊνης καζεϊνης) και λιποσωμάτων (σταγονίδια υγρού λίπους) σε νερό. Τα μικκύλια καζεϊνης είναι ένας τύπος φυσικού νανο-υλικού. 3

4 Ένας απλός τρόπος για να εξετάσουμε αν ένα μίγμα είναι διάλυμα ή κολλοειδές, είναι να φωτίσουμε το μίγμα με μία ακτίνα λεϊζερ: Το φως θα διασκορπιστεί μόνο από το κολλοειδές, όπως φαίνεται στα δύο κολλοειδή παρακάτω. Όταν φωτίσουμε με λέϊζερ ένα διάλυμα, το λέϊζερ θα είναι αόρατο. ΠΡΟΕΙΔΟΠΟΙΗΣΗ: Ποτέ μην κατευθύνετε τις ακτίνες λέϊζερ κοντά στα μάτια, ούτε να κοιτάξετε απευθείας μέσα στις ακτίνες! Πείραμα 1 Α: Συνθέστε ένα κολλοειδές νανοσωματιδίων χρυσού *Σε αυτό το πείραμα θα διερευνήσετε το χρώμα των νανοσωματιδίων χρυσού (ή νανο-χρυσού ) Παρακολουθήστε την επίδειξη του εκπαιδευτικού (ή το βίντεο) και γράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα. (Παρατηρήστε προσεκτικά την αλλαγή του χρώματος, κατά τη διάρκεια της αντίδρασης). 4

5 Ε6. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται. Χρώμα του διαλύματος ΗAuCl 4 (πριν την αντίδραση) Χρώμα αμέσως μετά την πρόσθεση του κιτρικού άλατος Χρώματα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Χρώμα του τελικού κολλοειδούς χρυσού Μία από τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες των νανοσωματιδίων είναι ότι το χρώμα τους δεν εξαρτάται μόνο από τη σύνθεσή τους (το υλικό από το οποίο αποτελούνται), αλλά επίσης και από τον χώρο στον οποίο τα ηλεκτρόνιά τους είναι ελεύθερα να κινούνται, δηλαδή το μέγεθός τους! Συνεπώς οι αλλαγές χρώματος, που παρατηρήθηκαν σε αυτό το πείραμα, δεν οφείλονται στις αλλαγές της χημείας των σωματιδίων, αλλά μάλλον στις αλλαγές του μεγέθους τους. Εικόνα 7. Απεικόνιση της αυτο-συναρμολόγησης των νανοσωματιδίων : (Αριστερά) Μηχανισμός ανάπτυξης των νανοσυρμάτων χρυσού, οι οποίοι συσσωματώθηκαν και στη συνέχεια διασπάστηκαν σε νανοσωματίδια (Δεξιά) (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: ανατυπώθηκε με την άδεια των Pong et al., J. Phys. Chem. C 2007, 111, Copyright 2003 A i Ch i l S i t ) Ε7. Γιατί νομίζετε ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης φαίνονται κάποια ενδιάμεσα χρώματα;

6 Πείραμα 1Β: Εξέταση για την παρουσία νανοσωματιδίων χρυσού *Σε αυτό το πείραμα θα εξετάσετε αν το μίγμα είναι διάλυμα ή κολλοειδές Ε8. Στο βίντεο κλιπ (ή στην επίδειξη του εκπαιδευτικού), ο χρυσός ξεκινά ως διάλυμα και γίνεται κολλοειδές. Τι σημαίνει κάθε ένας από αυτούς τους όρους [σύμφωνα με τις πληροφορίες που διαβάσατε και την επίδειξη που είδατε;] Φωτίστε με μία ακτίνα λέϊζερ το κάθε ένα από τα ακόλουθα δείγματα. Η παρουσία ενός κολλοειδούς μπορεί να ανιχνευθεί με το διασκορπισμό της ακτίνας λέϊζερ από τα σωματίδια. (ΠΡΟΕΙΔΟΠΟΙΗΣΗ: μην κοιτάτε ποτέ απευθείας την ακτίνα λέϊζερ!!!) Ε9. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται. Δείγμα Νερό Νερό με λίγες σταγόνες γάλακτος Γάλα Αλατισμένο νερό HAuCl 4 + νερό Κιτρικό νατρίου Νανοσωματίδια χρυσού (Κολλοειδούς χρυσού) Παρατηρηθείσα επίδραση: η ακτίνα λέϊζερ διασκορπίζεται/δε διασκορπίζεται 6

7 Ε10. Βάσει των παρατηρήσεών σας, ποια από τα μίγματα που εξετάσατε είναι κολλοειδή; Γιατί; Σημειώστε ότι η αντίδραση δύο διαλυμάτων χωρίς νανοσωματίδια (HAuCl 4 + νερό+ κιτρικό νάτριο), δημιουργήθηκε με αυτο-συναρμολόγηση ενός κολλοειδούς με νανοσωματίδια (νανοσωματίδια χρυσού). Ε11. Γράψτε, με δικά σας λόγια, τι μάθατε από τα πειράματα 1 Α και 1 Β..... Πείραμα 1 Γ: Εξέταση του κολλοειδούς χρυσού ως χρωματομετρικός αισθητήρας * Σε αυτό το πείραμα θα εξετάσετε έναν κολλοειδή νανο-αισθητήρα χρυσού, για να δείτε αν μπορεί να ξεχωρίσει μεταξύ ενός ηλεκτρολύτη (στην περίπτωσή σας, αλάτι) και ζάχαρης. Προτού ξεκινήσετε το πείραμα.διαβάστε την παράγραφο 1.Γ 1Γ. Εφαρμογή του κολλοειδούς χρυσού στην ιατρική (ένας βιο-αισθητήρας) Ο χρυσός μελετάται τώρα σε πολλές εφαρμογές της νανο-ιατρικής. Εδώ εστιάζουμε σε μία: τη χρήση του ως χρωματομετρικός βιο-αισθητήρας. Γενικά, ένας αισθητήρας είναι μία συσκευή, η οποία μπορεί να αναγνωρίζει ένα ή περισσότερα συγκεκριμένα 7

8 χημικά είδη, μέσα σε ένα μίγμα και να σηματοδοτεί την παρουσία τους μέσω κάποιων χημικών αλλαγών. Ένας βιο-αισθητήρας είναι μία συσκευή, η οποία μπορεί να ανιχνεύει ένα συγκεκριμένο βιομόριο, όπως ο τύπος του αντισώματος, ένα τεμάχιο του DNA, κ.λπ., η οποία έχει επιλεγεί για την ικανότητά της να επιβεβαιώνει την παρουσία ενός ορισμένου τύπου ιού, βακτηρίου, ή ενός γενετικού προβλήματος, το οποίο ευθύνεται για μία συγκεκριμένη ασθένεια. Εικόνα 3. Ένας αισθητήρας κολλοειδούς χρυσού. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: ανατυπώθηκε με την άδεια των Jin et al., Journal of American Chemical Society (2003), 125 (6), Copyright 2003 American Chemical Society.) Σε έναν χρυσό κολλοειδή βιο-αισθητήρα, το γεγονός ανίχνευσης έχει ως αποτέλεσμα μία αλλαγή της συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων που αποτελούν το κολλοειδές. Δεδομένου ότι το χρώμα εξαρτάται από το μέγεθος, αυτή η αλλαγή συσσωμάτωσης προκαλεί μία αλλαγή χρώματος του κολλοειδούς. Γι αυτό το λόγο ο αισθητήρας ονομάζεται χρωματομετρικός (από τη λέξη χρώμα ). Εξετάστε το κολλοειδές χρυσού και χρησιμοποιήστε το σαν αισθητήρα! 8

9 ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΥΛΙΚΑ Χημικά: - το κολλοειδές χρυσού που παρασκευάζεται στη σύνθεση (Μέρος 3), πρέπει να είναι περίπου 15 ml - 0.5g NaCl, εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαγειρικό αλάτι - 2g ζάχαρη - 1 φρέσκο αυγό - 1 λίτρο απεσταγμένο νερό Γυάλινα σκεύη/υλικά εργαστηρίου: - Προστασία για τα μάτια - Γάντια λατέξ ή Nitrile - Χαρτοπετσέτες - Κύλινδροι: κύλινδρος 10 ml, κύλινδρος 50 ml και κύλινδρος 500 ml - Γυάλινες πιπέτες: πιπέτα 5 ml και πιπέτα 25 ml, 10 πιπέτες Pasteur - Φιάλη Erlenmeyer ή γυάλινο δοχείο 50 ml - 2 πλαστικές κάψουλες μίας χρήσης για το ζύγισμα - Σπάτουλα - Γυάλινα μπουκάλια: μπουκάλι 500 ml, 2 μικρά μπουκάλια 25 ml ή γυάλινα δοχεία των 25 ml - 6 γυάλινα φιαλίδια - 1 διαφανές πλαστικό δοχείο ΠΡΟΦΥΛΑΞΕΙΣ Χρησιμοποιήστε αυτά τα υλικά με τις κανονικές χημικές προφυλάξεις, σύμφωνα με το MSDS. Χρησιμοποιήστε προστασία για τα μάτια και γάντια. Τα στερεά δεν πρέπει να εισπνευστούν και πρέπει να αποφευχθεί η επαφή με το δέρμα, τα μάτια ή τα ρούχα. Πλυθείτε σχολαστικά μετά τους χειρισμούς. 9

10 ΜΕΘΟΔΟΣ: 1) Μοιράστε τον ροδοκόκκινο κολλοειδή χρυσό σε έξι φιαλίδια το καθένα πρέπει να περιέχει περίπου 3 ml 2) Χρησιμοποιήστε ένα φιαλίδιο ως έλεγχο, και τα άλλα πέντε για να εκτελέσετε διάφορες χρωματομετρικές δοκιμασίες. Τώρα εξετάστε το κολλοειδές χρυσού και χρησιμοποιήστε το ως αισθητήρα για το αλάτι (NaCl). Ε12. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται ΔΕΙΓΜΑ ΕΞΕΤΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΠΟΥ ΠΑΡΑΤΗΡΗΘΗΚΕ (αλλαγή χρώματος) Φιαλίδιο ελέγχου - Φιαλίδιο 1 Προσθέστε 6 σταγονίδια διαλύματος NaCl Φιαλίδιο 2 Προσθέστε σταγονίδια NaCl Φιαλίδιο 3 Προσθέστε 10 σταγονίδια διαλύματος ζάχαρης Σημείωση: Ανοίξτε ένα αυγό και με τη βοήθεια ενός Pasteur πάρτε λίγο ασπράδι (περίπου 1mL ή 2-3 γεμάτα Pasteur), τοποθετήστε το σε ένα άδειο γυάλινο φιαλίδιο και προσθέστε ένα Pasteur απεσταγμένου νερού. Ανακατέψτε ήπια: θα δημιουργηθεί αφρός, γι αυτό αφήστε το σε ακινησία για ένα λεπτό ώστε να μειωθεί ο αφρός, στη συνέχεια πάρτε το διάλυμα από τον πυθμένα, ώστε να αποφευχθεί ο αφρός/φυσσαλίδες. Προσθέστε αυτό το λευκό μίγμα νερού/αυγού στο χρυσό κολλοειδές. 10

11 Εξετάστε το! ΔΕΙΓΜΑ ΕΞΕΤΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΠΟΥ ΠΑΡΑΤΗΡΗΘΗΚΕ (αλλαγή χρώματος) Φιαλίδιο 4 Προσθέστε λίγο ασπράδι αυγού Φιαλίδιο 5 Προσθέστε 6 σταγονίδια NaCl στο Φιαλίδιο 4 Αν προστεθεί ένας ηλεκτρολύτης, όπως το NaCl (αλάτι), τα νανοσωματίδια κολλούν μεταξύ τους (συσσωματώνονται), αλλάζοντας το χρώμα του δείγματος σε βαθύ μπλε. Αν προστεθεί μία υψηλή συγκέντρωση άλατος, τα νανοσωματίδια συσσωματώνονται στο σημείο που ιζηματοποιούνται, και το διάλυμα, ενδεχομένως, να γίνει διαφανές και να φανεί ένα μαύρο ίζημα. Αν προστεθεί ένας ασθενής ή μη-ηλεκτρολύτης (π.χ. ζάχαρη), η ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των ιόντων χρυσού και κιτρικού άλατος δε διαταράσσονται και το διάλυμα παραμένει κόκκινο. 11

12 Αν προστεθεί ένας σταθεροποιητής υψηλού μοριακού βάρους, όπως μία πρωτεϊνη ή πολυαιθυλενογλυκόλη, απορροφάται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων, κι έχει ως αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της συσσωμάτωσης, ακόμη και σε υψηλή συγκέντρωση άλατος. *Σε αυτή την άσκηση, το ασπράδι του αυγού χρησιμοποιείται ως μία πολύ οικονομική πηγή πρωτεϊνης (κυρίως ωοαλβουμίνη). * Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: L. Filipponi, inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 Ε13. Πώς το κολλοειδές χρυσό ανιχνεύει τους ηλεκτρολύτες, όπως το αλάτι; (Τι ενδείξεις έχετε;)

13 Ε14. Γιατί υπάρχει μία διαφορά στην αλλαγή χρώματος στο πείραμα με το αλάτι και στο πείραμα με τη ζάχαρη; Το γεγονός ότι η αλλαγή χρώματος εξαρτάται μόνο από τη συσσωμάτωση, καθιστά τα νανοσωματίδια χρυσού ένα χρήσιμο εργαλείο στην ιατρική διάγνωση. Το μόνο που χρειάζεται είναι να προσκολλήσετε τα νανοσωματίδια χρυσού σε ένα ορισμένο μόριο που επιθυμείτε να βρείτε. Αυτά τα μόρια είναι άφθονα και είναι σχετικά εύκολο να προσκολληθούν στα νανοσωματίδια χρυσού. Μόλις συναντήσουν τα μόρια-στόχο, τα διαφορετικά νανοσωματίδια έλκονται μεταξύ τους, συσσωματώνονται, και είναι ορατή μία αλλαγή χρώματος. Σχηματική παρουσίαση ενός κολλοειδούς βιοαισθητήρα Ένας τομέας όπου η έρευνα είναι πολύ ενεργή, είναι η ανάπτυξη των μελλοντικών μικροσκοπικών βιο-αισθητήρων, τους οποίους θα μπορούν να χρησιμοποιούν οι γιατροί στο γραφείο τους, για να εξετάζουν αν ο ασθενής τους πάσχει από μία συγκεκριμένη ασθένεια. Για παράδειγμα: Η γρήγορη μηνιγγιτιδοκοκκική εξέταση για να σωθούν ζωές. Στην εξέταση χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια χρυσού, τα οποία είναι καλυμμένα με αντισώματα, τα οποία ελκύουν μία πρωτεϊνη που υπάρχει στο μηνιγγιτιδοκοκκικό βακτήριο. Αν αυτή υπάρχει, τα σωματίδια ενώνονται και ανιχνεύεται εύκολα από την αλλαγή του χρώματος. 13

14 ΑΠΟΡΡΙΨΗ ΤΟΥ ΚΟΛΛΟΕΙΔΟΥΣ ΤΟΥ ΧΡΥΣΟΥ Μετά το πείραμα, πετάξτε όσο κολλοειδές χρυσού έχει απομείνει, ως εξής: προσθέστε αρκετό διάλυμα NaCl στο κολλοειδές για να προκαλέσετε καθίζηση. Αφήστε το ακίνητο για τουλάχιστον 30 λεπτά (θα δημιουργηθεί ένα μαύρο υπόλειμμα). Φιλτράρετε το υπόλειμμα με ένα διηθητικό χαρτί, και στη συνέχεια πετάξτε το στα στερεά κανονικά απορρίμματα. Πετάξτε το διαφανές υγρό στο νεροχύτη χρησιμοποιώντας άφθονο νερό. ΜΝΕΙΑ Αυτή η άσκηση προσαρμόστηκε εν μέρει από το πείραμα που αναφέρεται στο: Colour my nanoworld, Journal of Chemical Education, Vol. 81(4), 2004 μία πιο λεπτομερής περιγραφή της σύνθεσης του κολλοειδούς χρυσού, δίνεται στο: Keating et al., Journal of Chemical Education 1999, Vol. 76, No. 7 pp ΟΡΟΙ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ Οι προστατευόμενες από τα πνευματικά δικαιώματα εικόνες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αφού λάβετε την άδεια από τον αρχικό κάτοχο των πνευματικών δικαιωμάτων. Οι εικόνες του L. Filipponi, inano, Aarhus University, μπορούν να διανεμηθούν και να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με τους όρους της άδειας Creative Commons Attribution ShareAlike