化學實驗室實驗：金奈米粒子的合成 – III

化學實驗室實驗：金奈米粒子的合成 (Synthesis of Gold Nanoparticles)［III］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：金奈米粒子的合成 – II

教師手冊 (Teacher’s Guide)

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作（含器材清洗）：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 在進行本實驗時，學生可以透過視覺上的觀感，瞭解到雖然黃金塊具有金黃色金屬光澤，但當尺寸縮減至奈米尺度時，因表面電漿子共振吸收效應而呈現紅色，使學生對奈米有更深刻的認知。

● 當硫酸與鹽酸溶液接觸的瞬間，會產生發煙且發生放熱的現象，因此配置王水的過程，老師應特別注意學生的操作是否皆在通風櫥內並配戴手套。

● 用王水清洗後的器具，應先在通風櫥內先浸泡大量蒸餾水後再移出抽風櫥外。這是因為器具內壁殘留濃的王水在接觸到水時會冒出大量煙霧。

● 本實驗最好選用乾淨的器具進行本實驗，未曾使用過的更佳。如果無去離子水和超純水，只使用蒸餾水，那麼本實驗還是可以得到如預期的結果，只是紅色的金奈米溶液無法長久保存。

● 本次實驗的各種溶液濃度之配製和體積的量度不必過於精準也可以合成紅色的奈米金溶液，只是金奈米粒子的顆粒大小會有些許的變化。

● 若未達沸騰狀態即加入檸檬酸鈉溶液、反應物的混合比例不正確或反應過程中未持續攪拌，則無法得到具紫紅色或紅色的奈米金溶液。

● 本次實驗使用0.041 g的四氯金酸（Tetrachloroauric acid trihydrate，HAuCl4•3H2O）配製成100 mL的1.0 mM Au3+溶液。每組只用15 mL，此量足夠6組使用。我們買到的固體四氯金酸，每公克為2250元（最近金價較貴）。因此，每組使用四氯金酸的價格為 (0.041 g / 6組) × (2250 元/1 g) = 15 元/組。

藥品配製

● 1.0 mM HAuCl₄•3H₂O溶液：取0.041 g的HAuCl₄•3H₂O，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入約50 mL的超純水（或蒸餾水），搖晃促使HAuCl₄•3H₂O的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL。
註：由於HAuCl₄•3H₂O相當容易潮解，因此在秤量時要相當迅速。

● 1.0% Na₃C₆H₅O₇溶液：取1.0 g的Na₃C₆H₅O₇置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入超純水（或蒸餾水），搖晃促使Na₃C₆H₅O₇的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL。

● 1 M NaCl溶液：取3 g的NaCl，置入一個乾淨的小錐形瓶中，加入超純水（或蒸餾水），搖晃促使NaCl顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積50 mL。

觀察記錄樣本

1. 描述金奈米粒子的合成之過程中，反應溶液的顏色變化。

答：原本混合溶液的顏色為淡黃色，如圖一的左圖所示。在加入檸檬酸鈉水溶液後顏色會先轉為無色，馬上就轉變為紫黑色，如圖一的中圖所示。之後才轉變為紫紅色，如圖一的右圖所示，而此顏色形成後便不再有顏色的變化。

圖一 反應過程中溶液變化從淡黃色到紫黑色到紫紅色

2. 描述當金奈米粒子溶液加入1M NaCl 溶液後，溶液顏色之變化情形。

答：當加入NaCl水溶液後，金奈米粒子溶液的紅色消失，並且有黑色沉澱物出現，如圖二所示。

圖二 金奈米粒子溶液（左）及其加入食鹽水的情形（右）

3. 觀察並記錄金奈米溶液及其加入食鹽水的廷得耳效應

答：以雷射筆產生之雷射光束射入金奈米溶液會產生一道光徑，而食鹽水溶液則不會。金奈米粒子加入食鹽水溶液後，溶液變成黑灰色混濁狀並產生黑色沉澱物，以雷射光束照射也會產生光徑，即有廷得耳效應的產生，如圖二所示。此溶液長久靜置後，再以雷射光束照射產生光徑的強度變小，廷得耳效應降低。

圖三 食鹽水（左）、金奈米溶液（中）和加食鹽水後（右）之廷得耳效應

參考答案

1. 為什麼本次實驗要使用超純水且所有的器具皆須使用王水洗淨後才能使用?

答：使用超純水的原因是要避免水中的離子在反應過程中干擾奈米金粒子的形成。器具要先使用王水洗過的原因也是為了要避免瓶壁上殘留的離子在反應時干擾奈米金粒子形成。若水中有離子，則製得的金奈米膠體溶液無法長久保存而發生沈澱。

2. 為何可以利用廷得耳效應來檢測金奈米溶液？

答：因為膠體溶液的粒子直徑在10^-7 ~ 10^-9 m之間，可分散光線，所以會有廷得耳效應的產生。本次實驗若有合成出奈米級的粒子（其粒子直徑為10^-9 m的尺度），則可以應用廷得耳效應做為簡易的檢驗方法。

3. 為何金奈米粒子溶液加入食鹽水溶液後有黑色沉澱物出現？

答：在水溶液中的金奈米粒子能穩定的形成是因為外圍有一層由檸檬酸根離子所組成的負電荷層，因此若加入食鹽水溶液時，就會因為鹽類解離產生的離子與檸檬酸根離子發生作用，進而造成此負電荷層遭受破壞，使得溶液中的金奈米粒子相互凝聚而沉澱析出。

4. 若我們想控制金奈米粒子的粒徑大小，則實驗條件應該怎麼操作呢？並說明原因。

答：我們可以藉由調整加入之檸檬酸鈉溶液的含量來控制金奈米粒子的粒徑大小。因為檸檬酸鈉在水中會解離出檸檬酸根離子，並帶有負電荷，所以當檸檬酸鈉的含量增加時，帶有負電荷粒子的含量也增加。在此環境下，金奈米粒子外圍會更容易被帶有負電荷的粒子包覆而形成一層負電荷層，使得金奈米粒子間更容易發生排斥而不易相互吸引，導致形成粒徑較小的金奈米粒子。

參考資料和延伸閱讀

1. Colloidal gold, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Colloidal_gold.
2. Preparation of Gold Nanoparticles and their Applications in Anisotropic Nanoparticle Synthesis and Bioimaging, http://www.springerlink.com/content/w26568733vh62415/.
3. Surface plasmon resonance, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plasmon_resonance.
4. 圖解表面電漿共振，http://sites.google.com/site/nms … ian-jiang-gong-zhen.
5. 表面電漿共振，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/表面電漿共振。
6. 廷得耳效應，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/廷得耳效應。
7. 佘瑞琳、張英德、張煥宗和陳竹亭，化學，2004, 62, 443-450。（金奈米粒子之合成及鑑定－統整型化學實驗實例，http://chem.kshs.kh.edu.tw/teachshare/teach41-9608.pdf。）
8. 王崇人，科學發展，2002，354，48-51。（神奇的奈米科學，http://web1.nsc.gov.tw/public/Da … %A7%91%E5%AD%B8.pdf。）