Fabricación y uso de nanopartículas de oro Ponente: Jorge

Fabricación y uso de nanopartículas de oro
Ponente: Jorge Macanás de Benito.
Introducción
Dicha actividad consiste por un lado en la síntesis de nanopartículas de oro
mediante un método sencillo y su utilización en una reacción catalítica, todo ello
realizado de manera sencilla y fácilmente trasladable a las aulas de los institutos.
Considero que esta actividad relacionada con la Nanotecnología presenta los
siguientes aspectos positivos:
-
Es una manera sencilla y muy vistosa de introducir los conceptos de
Nanotecnología y Nanociencia en las aulas de secundaria y da pie a
profundizar en los aspectos únicos de la materia nanoscópica.
La experiencia en el laboratorio puede modularse y complementarse con
actividades explicativas como presentaciones o debates que, llegado el caso,
también podría formar parte del taller propuesto.
Los experimentos que se proponen permiten introducir de una manera muy
sencilla el concepto de catálisis, que es independiente del concepto
nanotecnológico aunque, a menudo, ambos van asociados.
Es una experiencia que se puede llevar a cabo en todos los laboratorios
docentes de secundaria con un presupuesto reducido (ver Anexo). Como
instrumental de laboratorio únicamente hacen falta una serie de reactivos
(que se pueden aprovechar en múltiples ocasiones) y un elemento
calefactor (un encendedor bunsen, una manta calefactora o un agitadorcalentador). Además, se incluyen algunas partes opcionales para aquellos
centros que dispongan de un espectrofotómero visible o de un colorímetro
de filtros.
Descripción detallada de la propuesta
La parte experimental que se realizaría en el laboratorio se puede dividir en dos
grandes bloques sucesivos (A y B) y el taller se realizaría de manera que pudiera
replicarse en un laboratorio de un centro de educación secundaria.
A. Síntesis de nanopartículas de oro.
En el bloque A los alumnos/docentes fabricarán nanopartículas de oro
estabilizadas por citrato. Para ello únicamente es necesario mezclar una solución
de HAuCl4 con una solución de citrato sódico (ambas de concentración
especificada) y llevar el conjunto a evolución. Para evitar reacciones indeseadas es
necesario limpiar los matraces aforados y el recipiente de reacción con agua regia
(mezcla de HNO3:HCl, 3:1).
1
En pocos minutos, gracias a la oxidación del citrato sódico y el efecto de la
temperatura, en el recipiente de reacción se forman nanopartículas de oro
estabilizadas que se caracterizan por presentar una coloración que varía entre
violeta y rojo en función del tamaño de las partículas.
Este aspecto sería el primer punto asombroso de la experiencia pues se
demuestra que la substancia conocida como oro y que tiene un particular color
amarillo brillante muestra unas propiedades ópticas totalmente diferentes cuando
se encuentra en forma nanométrica. El motivo de dicha coloración es el efecto del
plasmón superficial. Alternativamente, se puede realizar una reducción de la
solución de HAuCl4 con un reductor fuerte como el NaBH4, observándose que no se
produce la misma reacción. En particular, en función del procedimiento se puede
obtener “oro bulk” de color dorado o nanopartículas amorfas no estabilizadas de
color negro.
Es imposible medir el tamaño real de las nanopartículas en un instituto de
secundaria al no disponer de los equipos necesarios (p.e. un microscopio
electrónico de transmisión), sin embargo, se pueden evaluar las nanopartículas
sintetizadas de manera aproximada utilizando para ello fuentes bibliográficas en
las que se relaciona su diámetro con el tono de color (ver Figura 1).
Figura 1. Correlación entre el color de la dispersión coloidal y el tamaño de las partículas de
oro que la forman.
Si se dispone de un espectrofotómetro visible o de un colorímetro se podría
determinar la longitud de onda de máxima absorción de la dispersión obtenida y,
con ella, el tamaño aproximado de las nanopartículas (ver Figura 2).
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Figura 2. Correlación entre la longitud de onda de máxima absorción y de la dispersión
coloidal y el tamaño de las partículas de oro que la forman.
B. Análisis de la actividad catalítica de las nanopartículas de oro.
En el bloque B se realizaría una experiencia para demostrar el efecto catalítico
de las nanopartículas sintetizadas sobre la reacción de reducción del indicador
ácido-base 4-nitrofenol (amarillo) a 4-aminofenol (incoloro).
Para ello, en 3 recipientes diferentes se añaden los reactivos que se indican en
la Tabla 1, a ser posible con agitación magnética, aunque no es necesario. En la
misma tabla se indican los cambios de coloración esperados.
Tabla 1. Descripción de la experiencia catalítica.
Recipiente
Disolución de
nanopartículas de
oro
Disolución de
4-nitrofenol
Disolución de
NaBH4
Cambios
observados
•
•
•
1
2
3
No
Sí
Sí
Sí
No
SÍ
Sí
Burbujeo.
Sin cambio de color.
Sí
Sin cambio de color.
Sí
Burbujeo.
Desaparición de color.
En el primer recipiente, no se produce la decoloración de la disolución pues
no tiene lugar la reacción al no estar presente el catalizador. Esto indica que
poner dos reactivos en contacto no siempre es suficiente para que se de. El
burbujeo es propio de la descomposición del NaBH4 que ya se da incluso
antes de añadirlo al recipiente.
En el segundo recipiente, tampoco se produce la decoloración de la
disolución pues no está presente el agente reductor (NaBH4). Esto
demuestra que las nanopartículas de oro, por si solas no son capaces de
reaccionar y que su papel es de catalizador.
En el tercer recipiente, sí se debe dar la reacción al estar presentes los
reactivos y el catalizador y se debe observar una desaparición progresiva
3
del color amarillo pues el 4-nitrofenol se transforma en una substancia
incolora (4-aminofenol).
Si se dispone de un espectrofotómetro visible o de un colorímetro se podría
determinar la variación de la absorbancia de la disolución a la longitud de onda de
máxima absorción y, de esta manera, seguir la cinética de la reacción química. El
color amarillo será proporcional a la cantidad de reactivo inicial que todavía no se
ha consumido.
La misma operación podría realizarse con los productos obtenidos mezclando
HAuCl4 con NaBH4 y se podrían comparar los resultados.
Cabe decir que se podría incorporar al taller una parte de fabricación de
catalizadores estabilizados en soportes (p.e. resinas de intercambio modificadas)
que no implicaría grandes cambios y que también se puede realizar de manera
sencilla.
Bibliografía relacionada
1.
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