Частицы были получены по обменной реакции между солями металлов или их комплексными соединениями и наночастицей, состоящей из более активного металла (Маштаб на схеме не соблюдается). Напишите уравнения реакций, объяснив, почему Вы выбрали именно такие реагенты, 2 балла.

Ni + CuCl₂ => NiCl₂ + Cu

Cu + 2AgNO₃ => 2Ag + Cu(NO₃)₂

3Ag + Na[AuCl₄] + 6NH₃ => NaCl + 3[Ag(NH₃)₂]Cl + Au

Комбинация реагентов подобрана так, чтобы образовывались растворимые продукты и не было соосаждения хлорида серебра.

Предположим, что диффузии металла из более глубоких слоёв “матрёшки” нет, то есть серебро восстанавливается только за счёт меди и так далее. Рассчитайте, какие размеры должна иметь частица на каждой из стадий. (5 баллов)

В данном случае решение должно учитывать валентность металла и его плотность.

Рассчитаем объём каждой из оболочек:

Золото - радиус частицы 40 нм. Объём – 268082 нм³;

Серебро - радиус частицы 30 нм. Объём – 113097 нм³;

Медь - радиус частицы 20 нм. Объём – 33510 нм³;

Никель - радиус частицы 10 нм. Объём – 4189 нм³.

Объём золотой оболочки – 154985 нм³.

Объём серебряной оболочки – 79587 нм³.

Объём медной оболочки – 29321 нм³.

Найдём массу каждой оболочки:

Плотность золота = 19,32 г/см³ Масса золотой оболочки – 2,99*10^-15 г;

Плотность серебра = 10,491 г/см³ Масса серебряной оболочки – 8,35*10^-16 г;

Плотность меди = 8,92 г/см³ Масса медной оболочки – 2,62*10^-16 г;

Плотность никеля = 8,90 г/см³ Масса никелевого ядра – 3,73*10^-17 г.

Найдём химическое количество каждого металла:

A_r(Au) = 197 n(Au) = 1,52*10^-17 (моль) (валентность - 3);

A_r(Ag) = 108 n(Ag) = 7,73*10^-18 (моль) (валентность - 1);

A_r(Cu) = 63,5 n(Cu) = 4,13*10^-18 (моль) (валентность - 2);

A_r(Ni) = 59 n(Ni) = 6,32*10^-19 (моль) (валентность - 2);

Произведём расчёт количества каждого металла, который необходим для реакции.

Для восстановления суммарно меди, серебра и золота требуется:

n(Ni) = n(Cu) + n(Ag)/2 + n(Au)*1,5 = 4,13*10^-18 + 7,73*10^-18/2 + 1,52*10^-17 *1,5 = 3,08*10^-17 (моль)

Для восстановления суммарно серебра и золота требуется:

n(Cu) = n(Ag)/2 + n(Au)*1,5 = 7,73*10^-18/2 + 1,52*10^-17 *1,5 = 2,67*10^-17 (моль)

Для восстановления золота требуется:

n(Ag) = n(Au)*3 = 1,52*10^-17 *3 = 4,56*10^-17 (моль)

Произведём расчёт количества каждого металла, который получится в результате реакций:

n(Ni)_исх = 3,08*10^-17 + 6,32*10^-19 = 3,14*10^-17 (моль);

n(Cu)_исх = n(Ni)_{прореаг} = 3,08*10^-17 (моль);

n(Ag)_исх = n(Cu)_{прореаг}*2 = 2,67*10^-17*2 = 5,34*10^-17 (моль).

Найдём массу каждой оболочки, которая получается при реакции:

Масса никеля = n(Ni)_исх*A_r(Ni) = 3,14*10^-17*59 = 1,85*10^-15 г;

Масса меди = n(Cu)_исх*A_r(Cu) = 3,08*10^-17*63,5 = 1,96*10^-15 г;

Масса серебра = n(Ag)_исх*A_r(Ag) = 5,34*10^-17*108 = 5,77*10^-15 г.

Найдём объём каждой оболочки:

Объём никеля = m(Ni)/ρ(Ni) = 1,85*10^-15/8,9 = 207865 (нм³);

Объём меди = m(Cu)/ρ(Cu) = 1,96*10^-15/8,92 = 219730 (нм³);

Объём серебра = m(Ag)/ρ(Ag) = 5,77*10^-15/10,491 = 549728 (нм³);

Рассчитаем объём каждой частицы:

Объём никель = 207865 (нм³);

Объём никель+медь = 219730 +4189 = 223920 (нм³);

Объём никель+медь+серебро = 549728 + 33510 = 583238 (нм³).

Рассчитаем радиус каждой частицы:

Никель – 36,75 нм,

Никель + медь – 37,67 нм,

Никель + медь + серебро – 51,83 нм.

Предложите альтернативную схему химических реакций, которая позволит создать частицы никеля диаметром 20 нм с тремя последовательными слоями меди, серебра и золота толщиной 10 нм каждый. (2 балла)

Можно использовать цианидные комплексы металлов или восстановление металлов боргидридом или гипофосфитом натрия (последовательное наращивание слоёв) Возможны и иные схемы.