Práctica 12 Preparación de nanopartículas de cobre de plata Objetivos Se preparará una suspensión de cobre coloidal, que contiene nanopartículas de cobre suspendidas en agua. Las nanopartículas de cobre se prepararán por reducción de sulfato de cobre con glucosa. Se discute el intervalo de tamaños y el sorprendente color de las nanopartículas de los metales nobles, así como los métodos de síntesis e identificación.
Introducción Las nanopartículas, para considerarse como tales, deben tener dimensiones entre 1 y 100 nm. En la figura1, se muestra una comparación de tamaños entre las nanopartículas y otras partículas que generalmente se consideran pequeñas. Como se puede observar, las bacterias son bastante más grandes que las nanopartículas.
Figura 1. Tamaño comparativo de las nanopartículas Las propiedades de las nanopartículas son diferentes de las correspondientes a los agregados de partículas de mayor tamaño, aunque ambos materiales estén formados por el mismo tipo de átomos. El color es un ejemplo impresionante. El efecto de las nanopartículas sobre el color ha sido conocido desde la antigüedad, desde cuando se utilizaron diminutas partículas de oro de color rojo-vino para colorear el vidrio que se usaba para decorar las iglesias. En este experimento, sintetizarás nanopartículas de cobre y de
plata en un medio acuoso. El color de los productos será diferente del café-rojizo del cobre metálico o del azul-verde de los iones de cobre en solución acuosa y del color blanco metálico de la plata. Las nanopartículas de los metales nobles como oro, plata o cobre pueden prepararse agregando un exceso de un agente reductor a la sal del metal en solución. En este 2+ experimento, el sulfato de cobre pentahidratado (CuSO 4 • 5H2O) proveerá los iones Cu , y + el nitrato de plata suministrará los iones Ag . En ambos casos, la glucosa (C 6H12O6) será el agente reductor, la cual reducirá el ión cobre (II) a cobre elemental, y el ión Ag (I) a plata elemental.. Al mismo tiempo, la glucosa será oxidada para producir ácido glucónico, C6H12O7H, del cual se deriva el ión gluconato, C 6H12O7 , en presencia de una base como NaOH. La reacción se puede resumir mediante la ecuación siguiente: -
OH C6H12O6 Glucosa
C6H12O7 n+
0
Me / Me
-
Gluconato
Donde Me representa al metal que se reduce. En este caso Cu o Ag. La adsorción de iones negativos de gluconato sobre la superficie de las partículas de cobre o plata en crecimiento, provocará la formación de nanopartículas metálicas con una superficie cargada negativamente. De esta manera, las nanopartículas quedarán suspendidas en el agua, separadas unas de otras por fuerzas electrostáticas negativas de repulsión. Identificación de las nanopartículas de cobre y de plata. Las nanopartículas son muy pequeñas para poder ser observadas con un microscopio óptico. La imagen que se presenta en la figura 2, fue obtenida con un microscopio electrónico de transmisión y muestra una fotografía de nanopartículas de cobre.
Figura 2. Nonapartículas de Cu y Cu 2O. Los lados del marco oscuro de la fotografía miden 308 x 308 nm.
Por otra parte, la aparición del color en la solución se utilizará para confirmar la presencia de nanopartículas de cobre y de plata.
Palabras clave Agente oxidante y reductor, precipitación, nanopartículas, suspensión coloidal, adsorción, radiación electromagnética, longitud de onda.
Riesgos El nitrato de plata es un oxidante fuerte y mancha de negro la piel. El hidróxido de sodio es corrosivo.
Precauciones Porta guantes, lentes de seguridad y cubre bocas cuando manipules los reactivos.
PARTE EXPERIMENTAL Materiales Pipetas de plástico de 5 mL Dos vasos de precipitados de 250 mL Un vaso de precipitados de 500 mL Dos vaso de precipitados de 100 mL Probeta de 100 mL Espátula
Embudo buchner Matraz kitazato Parrilla eléctrica Termómetro Papel filtro
Reactivos Solución de NaOH 1 M Solución de sulfato de cobre 0.010 M Solución de D(+)glucosa al 0.5% (p/v) Solución de nitrato de plata 0.1 M
Desarrollo experimental Parte 1. Preparación de nanopartículas de cobre 1. Vierte 5 mL de una solución de D(+)glucosa al 0.5% y 100 mL de agua destilada en un vaso de 250 mL. Luego, agrega 2 mL de una solución de NaOH 1 M utilizando una pipeta desechable. 2. Calienta la solución anterior en una parrilla eléctrica a 50 °C. Determina la temperatura sumergiendo un termómetro en el vaso, pero sin tocar las paredes del vaso.
3. Agrega 0.20 mL de la solución de sulfato de cobre 0.010 M a la solución de glucosa. Calienta el vaso hasta que aparezca una coloración amarilla en la solución. Luego, retira el vaso de la parrilla y registra el tiempo requerido para que apareciera el color. ¿Se parece este color al de un alambre de cobre?
4. Enfría la solución a temperatura ambiente. Describe el producto. Observa cualquier cambio en la apariencia de la solución con el tiempo. Repite el procedimiento anterior utilizando 0.1 y 0.5 mL de la solución de cobre. Comparte tus resultados con los obtenidos por los otros grupos.
Parte 2. Preparación de nanopartículas de plata 1. Vierte 0.5 mL de una solución de AgNO 3 0.1 M a 100 mL de agua destilada contenidos en un vaso de precipitados de 500 mL. 2. En un segundo vaso de 250 mL, agrega 100 mL de agua destilada y 5 mL de una solución de D(+)glucosa al 0.5%,. Luego, vierte 2 mL de solución de NaOH 1 M. 3. Agrega el contenido del segundo vaso al primero. 4. Calienta suavemente la solución resultante y observa la formación del sol de plata. Repite el procedimiento anterior utilizando 0.2 y 0.1 mL de la solución de plata. Comparte tus resultados con los obtenidos por los otros grupos.
Parte 3. Propiedades de las nanopartículas 1. Toma 20 mL de la suspensión de nanopartículas de cobre y fíltrala a vacío. ¿Se separan las partículas? ¿Por qué? 2. Ahora toma 20 mL de la suspensión de nanopartículas de plata y fíltrala a vacío. ¿Se separan las partículas? ¿Por qué? 3. Utilizando un apuntador láser, haz pasar un rayo de luz a través de las suspensiones de las nanopartículas de cobre y plata contenidas en un vaso de 100 mL. ¿Qué observas en la trayectoria del rayo láser que viaja a través de la solución? Compara lo ocurrido con lo que sucede al pasar el rayo láser a través de agua destilada. Explica tus observaciones. 4. Vierte 3 mL de la suspensión de nanopartículas de plata en dos probetas de 10 mL. Una de las probetas servirá como control. A la otra probeta añade, gota a gota, una solución saturada de cloruro de sodio hasta que observes un cambio de color. Explica el fenómeno que ocurre.
Disposición de residuos Las soluciones residuales provenientes de la preparación de las nanopartículas de cobre y plata deberán ser almacenadas en recipientes designados para tal fin.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Escribe las reacciones de la reducción del cobre y de la plata e indica la apariencia de los productos.
Cuestionario 1. Para las siguientes unidades de longitud: i. Centímetro
ii. Ångstrom
iii. Micrómetro
•
Da un ejemplo que pueda ser utilizado para demostrar el tamaño de cada una de las unidades (puede ser de un objeto, partícula o distancia).
•
Convierte cada una de las unidades a nanómetros.
2. Compara el tamaño de las partículas que se encuentran presentes en un coloide y en una solución, así como las propiedades de ambos sistemas. 3. Demuestra que el número de átomos de cobre contenidos en una nanopartícula de cobre, cuyo diámetro es 20 nm, es 150,000. Considera que cada átomo de cobre ocupa el volumen de un cubo con una arista de 0.3 nm. (El volumen de la esfera = 3 4 / 3 π r ) 4. ¿Cuál es el diámetro de las nanopartículas de cobre que se muestran en la figura 2, si la longitud del marco oscuro mide 308 nm? 5. ¿Por qué no sedimentan fácilmente las nanoparticulas de plata y de cobre en la solución acuosa? 6. Investiga algunas propiedades y aplicaciones tecnológicas de las nanopartículas.
