Fremstilling af enkeltlag på sølv Formål I dette eksperiment skal du undersøge, hvordan vand hæfter til en overflade af henholdsvis metallisk sølv, et nanometer tykt enkeltlag af hexadekanthiol og et nanometer tykt enkeltlag af mercaptoundekansyre. Apparatur og kemikalier Petriskål Mikroskopglas Plastdråbepipetter 0,5 M glukoseopløsning Aktiv sølvion-opløsning (se opgave 1) 1-hexadekanthiol opløst i ethanol (se opgave 3) 11-Mercaptoundekansyre i ethanol (se opgave 4) Teori Baggrund Inden du starter på eksperimentet, kan du læse om selvsamlende molekyler og enkeltlag i artiklen Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler. Eksperiment Selvsamlende enkeltlag ( Self-Assembling Monolayer =SAM) består af molekyler, der spontant organiserer sig i ordnede strukturer på en overflade. Organiseringen sker via specifikke vekselvirkninger mellem overfladen og molekylerne og imellem molekylerne indbyrdes. Lagene, der er blot et molekyle tykt, kan fremstilles ud fra flere typer Figur 2: Hoppende vanddråbe på hydrofob overflade. molekyler og overflader. I dette eksperiment skal du fremstille og sammenligne to typer enkeltlag på en glasoverflade belagt med sølv. Det første enkeltlag består af molekyler med en methylgruppe for enden, mens det andet molekyle har en carboxylsyregruppe. Du vil erfare, hvordan hydrofobiciteten af en overflade kan ændres ved at ændre på molekylernes sammensætning. 1
Eksperiment - Hexadekanthiol-enkeltlag på sølv 1. Læg et rent mikroskopglas i en petriskål. Anbring 5 dråber 0,5 M glukoseopløsning på mikroskopglasset. 2. Tilsæt 25 dråber aktiv sølvion-opløsning til glukoseopløsningen. 3. Vent mens blandingen bliver mørkere, og der dannes et gråligt bundfald (ca. 3 min.). Der dannes desuden et sølvspejl på pladen, selv om det kan være svært at se pga. bundfaldet (se opgave 2). 4. Skyl bundfaldet væk med demineraliseret vand for at se sølvspejlet tydeligere. 5. Fjern mikroskopglasset fra petriskålen - husk at bruge handsker! Skyl glasset med demineraliseret vand og lad det tørre. En hurtigere tørring opnås ved efterfølgende at skylle i acetone. 6. Anbring nu - én dråbe af gangen i alt 5 dråber vand forskellige steder på sølvoverfladen. 2
Betragt vanddråbernes form. Flader de ud eller er de spændt op? Man kan beskrive formen af dråben ved hjælp af kontaktvinklen mellem dråben og glaspladen. Figur 2: Kontaktvinkler 7. Læg til sidst glaspladen i stinkskabet eller under punktudsugningen. Dæk sølvoverfladen med 3-4 dråber hexadekanthiol i ethanol. 8. Lad ethanolen fordampe i stinkskabet. Herved bindes svovlatomerne til sølvoverfalden. Carbonhydridhalen peger væk fra sølvet og udgør den nye overflade på glasset (se figur 3 og opgave 3). Thiolmolekylerne ligger i ét enkelt lag. Dette lag er kun få nanometer tykt men ændrer fuldstændigt overfladens egenskaber. 9. Tilsæt nu igen vand dråbevis til pladen. Beskriv formen af dråben. Vanddråberne opfører sig som kviksølvkugler. Man kan skubbe dem rundt på overfladen og få dem til at smelte sammen (se opgave 5). 3
Eksperiment - Mercaptoundekansyre-enkeltlag på sølv 10. Fremstil endnu et mikroskopglas coatet med sølv ved at gentage proceduren i trin 1-5. Husk at bruge handsker. 11. Læg til sidst glaspladen i stinkskabet eller under punktudsugningen. Dæk sølvoverfladen med 3-4 dråber mercaptoundekansyre i ethanol. 12. Lad ethanolen fordampe i stinkskabet. Herved bindes svovlatomerne til sølvoverfalden. Carboxylsyrehalerne peger væk fra sølvet og udgør den nye overflade på glasset (se figur 4 og opgave 4). Carboxylsyrehaler Figur 4: Enkeltlag af mercaptoundecansyre-molekyler på sølv. 13. Tilsæt nu igen vand dråbevis til pladen. Beskriv formen af dråben. Beskriv desuden hvordan vanddråberne opfører sig på overfladen. 4
Spørgsmål og opgaver 1. Sølvion-opløsningen er lavet på følgende måde: Til en opløsning af sølvnitrat tilsættes en opløsning af kaliumhydroxid, hvorved der dannes et brunt bundfald. Derefter tilsætter man dråbevis koncentreret ammoniakvand, indtil bundfaldet er gået i opløsning. Bundfaldet, der dannes, når sølvnitrat og kaliumhydroxid blandes, består af det tungt opløselige sølvoxid. Ved reaktionen dannes desuden kaliumnitrat og vand. Opskriv og afstem reaktionsskemaet mellem sølvnitrat og kaliumhydroxid. Hvilken reaktionstype er der tale om? Når bundfaldet opløses ved tilsætning af ammoniak, skyldes det, at der dannes den letopløselige sølvdiamin-ion, Ag(NH 3 ) 2 + : Ag 2 O(s) + NH 3 + H 2 O Ag(NH 3 ) 2 + (aq)+ OH - (1) Afstem reaktionskema (1) ovenfor. Bemærk, at hydroxidionen igen bliver frigivet. 2. Når man tilsætter glukoseopløsningen til sølvion-opløsningen, bliver sølvionen reduceret til metallisk sølv, mens et af carbonatomerne i glukosen oxideres. Reaktionen kan sammenfattes i følgende reaktionsskema: Ag(NH 3 ) 2 + (aq)+ R-CHO + OH - Ag(s) + R-COO - + NH 3 + H 2 O (glukose) Bemærk, at NH 3 igen bliver frigivet. Vi kan derfor opskrive et mere forenklet reaktionsskema, idet vi udelader ammoniak: +1 +3 Ag + (aq)+ R-CHO + OH - Ag(s) + R-COO - + H 2 O (2) 5
Glukose er angivet som R-CHO, hvor R repræsenterer atomgruppen OH(CHOH) 4 -. Denne gruppe påvirkes ikke under reaktionen. Det anførte carbonatom i glukose oxideres under reaktionen. I reaktionsskema (2) er anført oxidationstallet for dette før og efter reaktion. Som man ser, ændres oxidationstallet fra +1 til +3. Afstem reaktionsskema (2) ovenfor. Hvilken reaktionstype er der tale om? 3. Formlen for 1-hexadekanthiol er CH 3 ( ) 15 SH. En tegning af molekylet ser sådan ud: CH 3 SH eller som tredimensionel model: Markér hvilken del af molekylet, der er polær og hvilken del, der er upolær. 4. Formlen for mercaptoundekansyre er HS-( ) 10 COOH. En tegning af molekylet ser sådan ud: HO C O SH eller som tredimensionel model: Markér hvilken del af molekylet, der er polær og hvilken del, der er upolær. 6
5. Beskriv forskellen i den måde vanddråberne lægger sig på den rene sølvoverflade og på de to coatede sølvoverflader. Forklar denne forskel. 6. Vi ser igen på 1-hexadekanthiol-molekylet: 0,154 nm 109 0,181 nm Se på modellen af molekylet. Antag at bindingsvinklen mellem to atomer i kæden er 109. Antag også at bindingslængden mellem to carbonatomer er 0,154nm, mens den mellem carbon og svovl er 0,181nm og den mellem svovl og hydrogen er 0,134nm. Beregn lagets tykkelse, hvis molekylet ligger udstrakt som vist på figuren i 2 dimensioner. Angiv resultatet i nm. 7. Nævn nogle eksempler på brugen af selvsamlende enkeltlag, herunder hvilken egenskaber den coatede overflade tilføres. 7