Tetrachlorogold(III)-säure ist die wichtigste Goldverbindung. Man erhält sie am einfachsten aus gefälltem, feinkristallinem metallischem Gold. Das Präparat kann zur Darstellung von kolloiden Goldlösungen verwendet werden, die durch ihre Farbigkeit bestechen. Ein klassisches Präparat ist der durch Reduktion mit Zinnchlorid erhaltene Cassius‘sche Goldpurpur.
Material/Geräte:
2-Hals-Rundkolben 100 ml, Messzylinder 10,25 und 100 ml, Aquarien-Luftpumpe, Quickfit mit Glasröhrchen, Gasableitungsaufsatz, Destillierbrücke, Magnetheizrührer, Saugfiltrationsanlage mit Glassinterfritte 4G, Brenner, Stativmaterial, Dreifuß, Porzellanschälchen/Kristallisierschale, Exsikkator, kleiner Porzellantiegel (5 ml); Analysenwaage; Bechergläser 750, 250 und 100 ml, Zentrifuge, Erlenmeyerkolben 100 und 250 ml, Tropfpipetten mit Graduierung (3 ml), Reagenzgläser, Glasstäbe, kleine Reibschale
Chemikalien:
Gold, Pulver
Salzsäure 37 %
Salpetersäure 53 %
Kaliumcarbonat
Formaldehydlösung 38 %
Hydrazinhydrat 50 %
Ethanol 96 %
Zinn(II)-chlorid
Natronlauge 4 N
Glucose
Gerbsäure (Tannin)
Tetrachlorogold(III)-säure Tetrahydrat
Cassius'scher Goldpurpur
Sicherheitshinweise:
Bei der Darstellung von Tetrachlorogold(III)-säure werden nitrose Gase und Chlor frei, auf gute Gasableitung achten, wo möglich unter einem Abzug arbeiten!
Goldsalze bzw. ihre Lösungen hinterlassen kaum zu entfernende, rotviolette Flecke auf der Haut und Oberflächen.
Versuchsdurchführung:
1.Tetrachlorogold(III)-säure:[1]
In einem kleinen Zweihals-Rundkolben werden 2,75 g Goldpulver mit 7,5 ml Salzsäure 37% und 2,5 ml Salpetersäure 53 % übergossen und der Kolben in einem heißen Wasserbad erwärmt. In Ermangelung eines Abzugs wird über den seitlichen Hals Luft durch die Apparatur geblasen (Aquarienluftpumpe) und die entstehenden Gase über einen Gasableitungsaufsatz ins Freie abgeleitet. Das Gold löst sich binnen weniger Minuten vollständig auf. Die Lösung wird auf ca. 20 ml verdünnt und, falls sie nicht ganz klar ist, über eine kleine 4G-Fritte abgesaugt und dieselbe mit wenigen Millilitern Salzsäure nachgewaschen.
Die Lösung wird dann wieder in den Zweihalskolben gegeben, eine Destillierbrücke angeschlossen und der Kolben über dem Brenner mit kleiner Flamme vorsichtig erwärmt. Der seitliche Ansatz trägt jetzt einen kleinen Tropftrichter. Die Lösung wird vorsichtig auf ca. 4-5 ml eingedampft, dann werden über den Tropftrichter 3 ml konzentrierte Salzsäure zugegeben und erneut eingedampft. Dieses Vorgehen wird noch zweimal wiederholt. Anfangs werden nitrose Gase, erkenntlich an ihrer braunen Farbe, frei. Um die Gase zu entfernen wird auch hier ein Luftstrom durch die Apparatur geleitet der ins Freie abgeführt wird.
Das letzte Eindampfen muss sehr vorsichtig geschehen, damit sich das Präparat nicht zersetzt. Die dunkelgelbe Lösung wird mit kleiner Flamme erhitzt, bis sich am Rand der Flüssigkeit braunrote Ränder zu bilden beginnen. Dann wird das Erhitzen abgebrochen, der Kolben etwas geschwenkt, worauf sich die Abscheidungen wieder lösen, und die Flüssigkeit nach kurzem Abkühlen in eine kleine Kristallisierschale pipettiert (beim Ausgießen bleibt zu viel an der Kolbenwand hängen). Die Schale wird über Nacht in einen mit Schwefelsäure beschickten, evakuierten Exsikkator gestellt, wobei sie oberflächlich zu einer trockenen, strahligen Kristallmasse erstarrt, darunter aber feucht bleibt. Man zerstößt die Kruste mit einem Glasstab, rührt den Schaleninhalt gut um und stellt erneut für 24 Stunden in den Vakuum-Exsikkator. Danach wird das orangegelbe Produkt aus der Schale gekratzt, in einer Reibschale zerrieben und in einem Porzellanschälchen nochmals für 24 Stunden im Exsikkator stehen gelassen. Man erhält so ein trockenes, orangegelbes Pulver das hygroskopisch und sehr gut wasserlöslich ist. Ich habe einen Teil davon in Ampullen eingeschmolzen.
Erhalten: 5,3 g H[AuCl4] + 4 H2O (92 % d. Theorie)
Ein Teil des Präparates bleibt in den verwendeten Gefäßen hängen. Man kann diese mit einigen Millilitern Wasser ausspülen um den Verlust zu minimieren. Die Konzentration der Lösung kann – wenn eine ausreichend empfindliche Waage vorhanden ist – wie unten anagegeben bestimmt und die Lösung dann in verdünnter Form zu Versuchen verwendet werden.
Analyse:
Ein kleiner Porzellantiegel wird über dem Gasbrenner einige Minuten ausgeglüht, im Exsikkator erkalten gelassen und gewogen. Dann wägt man ungefähr 100 mg des Präparates ein und zersetzt dieses durch 5-minütiges Glühen im Freien oder unter dem Abzug. Die Substanz schmilzt zunächst und erstarrt dann wieder, wobei sie sich zuerst rotviolett und dann braungelb färbt. Nach dem Erkalten im Exsikkator wird die Menge des erhaltenen Goldes durch erneute Wägung bestimmt.
Bei meinem Präparat habe ich aus 100,8 mg Substanz 48,2 mg Gold erhalten, was einem Anteil von 47,78 % entspricht. Der stöchiometrische Wert für H[AuCl4]+ 4 H2O beträgt 47,82 %.
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2.kolloide Gollösungen: [2]
Stammlösungen:
Goldlösung = 0,1 % Tetrachlorogold(III)-säure in Wasser
Kaliumcarbonatlösung ca. 0,5 M = 700 mg Kaliumcarbonat in 10 ml Wasser
Hydrazinlösung 0,1 % = 100 µl der 50%igen Lösung in 50 ml Wasser
Formaldehydlösung ca. 0,2 % = 100 µl der 38%igen Lösung in 20 ml Wasser
Glucoselösung 0,5 % in Wasser
Gerbsäurelösung 1 % in Wasser
2.1. blaues Goldsol mit Formaldehyd:
In 100 ml Wasser gibt man 4 ml Goldlösung, 2 ml Kaliumcarbonatlösung und 2 ml Formaldehydlösung und erhitzt bis fast zum Sieden. Die Lösung färbt sich klar blau. Zu langes Erhitzen oder Zugabe des Formaldehyds zur heißen Lösung führte bei meinen Versuchen zu einer Trübung.
2.2 blaues Goldsol mit Hydrazin:
4 ml Goldlösung werden mit Wasser auf 250 ml verdünnt und unter Rühren tropfenweise Hydrazinlösung in der Kälte zugegeben. Es entsteht ein klares, dunkelblaues Sol.
2.3. violettes Goldsol mit Glucose:
In 100 ml Wasser gibt man 4 ml Goldlösung und 2 ml Kaliumcarbonatlösung, erhitzt bis fast zum Sieden und gibt 2 ml Glucoselösung zu. Die Lösung färbt sich klar blauviolett.
2.4 rotes Goldsol mit Gerbsäure:
In 100 ml Wasser gibt man 4 ml Goldlösung und 1,5 ml Kaliumcarbonatlösung und erhitzt bis fast zum Sieden. Dann gibt man alle 30 Sekunden einen Tropfen Gerbsäurelösung (insgesamt 3-4 Tropfen) unter Umrühren in die heiße Lösung, die sich tief kirschrot färbt und völlig klar bleibt.
2.5 Farbwechsel blau / rot eines Goldsols mit Ethanol:
Man legt 200 ml Wasser vor und gibt 6-8 ml Goldlösung sowie 12,5 ml unvergällten Ethanol zu. Die Mischung wird dann über dem Brenner erhitzt. Sobald sie ins Sieden gekommen ist, wird die Flamme zurückgedreht und weiter am leichten Sieden gehalten. Die Flüssigkeit färbt sich im Verlaufe einiger Minuten immer tiefer blau und schlägt dann nach etwa 4 Minuten ziemlich plötzlich in Magentarot um. Wenn die Konzentrationen stimmen und das Wasser ausreichend rein ist, bleibt sie vollkommen klar. Insbesondere beim Einsatz von zu viel Goldlösung wird sie leicht trübe. Wenn der Versuch wiederholt misslingt, muss destilliertes Wasser (anstelle des üblichen Deionats) verwendet werden!
Wenn man zu der magentaroten Lösung etwas Säure gibt, schlägt die Farbe rasch zunächst nach Violett und schließlich nach Blau um.
2.6 Reaktion von kolloidalem Gold mit Cyanid:
In einem Reagenzglas werden 10 ml blaues Goldsol mit 0,5 ml einer etwa 5%igen Lösung von Kaliumcyanid versetzt. Die Farbe verblasst und die Lösung entfärbt sich im Laufe einiger Minuten vollständig.
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3.Cassius’scher Goldpurpur: [2]
Man legt 500 ml Wasser vor, gibt eine Lösung von 160 mg Tetrachlorogold(III)-säure in 75 ml Wasser und dann eine Lösung von 240 mg Zinn(II)-chlorid-dihydrat in 75 ml Wasser zu. Zunächst entsteht eine unansehnliche, braune Brühe, deren Farbe sich im Laufe der Zeit nach Purpurviolett wandelt. Nach dem Stehenlassen über Nacht hat sich ein dunkelvioletter Bodensatz gebildet. Die überstehende Flüssigkeit wird vorsichtig dekantiert und der Rest mit dem gleichen Volumen (vergälltem) Ethanol versetzt und mit einigen Tropfen Natronlauge alkalisch gemacht (Lackmus!). Man lässt den nun flockig sich abscheidenden Niederschlag absitzen, dekantiert und zentrifugiert den Rest für 5 Minuten bei 3000 UpM. Der Überstand wird abgegossen, der Bodensatz mit 50%igem Ethanol aufgeschlämmt und erneut zentrifugiert. Dies wird noch zweimal wiederholt und das Präparat an der Luft getrocknet. Man erhält ein tiefschwarzes Pulver mit schwarzviolettem Abrieb, das in Wasser eine violettrote, trübe Suspension bildet. Bringt man das noch alkoholfeuchte Präparat in reichlich destilliertes Wasser, so erhält man eine klare, violettrote Lösung.
Um die Empfindlichkeit des Goldnachweises durch die Reduktion mit Zinnchlorid zu testen, wurde eine Reihe von Reagenzgläsern mit je 10 ml Wasser beschickt und fallende Mengen Tetrachlorogold(III)-säure 0,1% (1000µl, 100µl, 40 µl, 20 µl, 10 µl) sowie die gleichen Menge Zinn(II)-chloridlösung 0,5% zugegeben. 1000 µl der Stammlösung enthalten knapp 500 µg Gold. Die Färbung war in der Durchsicht noch bis zu 20 µg, in der Draufsicht (beim Vergleich mit reinem Wasser) eben noch bis zu einer Menge von 5 μg Gold im Ansatz erkennbar. In den stark verdünnten Ansätzen war die beobachtete Farbe allerdings mehr gelbbraun als violett.
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obere Reihe v.l.n.r. 500 µg - 50 µg - 20 µg
untere Reihe v.l.n.r 10 µg - 5 µg - Leerwert
Entsorgung:
Die Konzentrationen der Lösungen sind so gering, dass diese über das Abwassernetz entsorgt werden können. Das bei der Analyse erhaltene Goldpulver wird aufgehoben, ebenso der Cassius’sche Goldpurpur.
Erklärungen:
Gold löst sich in Königswasser unter Bildung von Tetracholorogold(III)-säure:
Au + HNO3 + 4 HCl → H[AuCl4] + 2 H2O + NO
Durch Abrauchen mit Salzsäure werden Reste von Salpetersäure aus dem Präparat entfernt, das anschließend eingeengt und kristallisiert wird. Beim Erhitzen zerfällt die Substanz, und unter Freiwerden von Chlor und Salzsäure bleibt metallisches Gold zurück:
2 H[AuCl4] → 2 Au + 2 HCl + 3 Cl2
Goldsalze lassen sich leicht durch Reduktionsmittel in das freie Metall überführen. In stark verdünnten Lösungen scheidet sich das Gold dabei in Form feinster Partikel (Größe ca. 10 bis 100 nm) aus, die kolloid gelöst bleiben.[4]. Die Gleichungen geben die Umsetzung mit Formaldehyd bzw Glucose (I), mit Hydrazin (II) und mit Ethanol (III) wieder.
2 Au3+ + 3 R-CHO + 3 H2O → 2 Au↓ + 3 R-COOH + 6 H+ (I)
4 Au3+ + 3 N2H4 → 4 Au↓ + 3 N2 + 12 H+ (II)
2 Au3+ + 3 C2H5OH → 2 Au↓ + 3 CH3CHO + 6 H+ (III)
Die Teilchengröße ist proportional zur Wellenlänge des absorbierten Lichtes, so dass die Farbe der Lösung je nach Teilchengröße verschieden ist. Solche mit kleineren Teilchen sind rot gefärbt, mit steigender Teilchengröße tritt eine Farbänderung nach Violett und Blau auf. Zunächst überraschend ist der Farbumschlag von Blau nach Rot in Versuch 2.5. Nach einer Arbeit von Jugend Forscht nimmt die durchschnittliche Partikelgröße bei zunehmender Siededauer jedoch tatsächlich ab. Daneben spielt aber noch ein weiterer Effekt eine Rolle, nämlich die Form der Partikel: ellipsoide Partikel absorbieren langwelligeres Licht als sphärische, letztere geben daher rot gefärbte, erstere blaue Kolloide. Nach der Literatur [4] bilden sich rote Lösungen eher in alkalischem, blaue in saurem Milieu. Die Lösungen sind visuell klar, verraten ihre kolloide Natur aber durch einen positiven Tyndall-Effekt: Schickt man einen Lichtstrahl durch die Flüssigkeit, so wird dieser an den kolloiden Goldteichen gestreut und dadurch sichtbar.
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Unter Einwirkung von Sauerstoff löst sich Gold in verdünnten Cyanidlösungen zum farblosen Dicyanogold(I)-Komplex, ein Vorgang, der bei der “Cyanidlaugerei“ zur Extraktion von Gold aus Gestein verwertet wird. Daher wird eine kolloidale Goldlösung durch Zugabe von Kaliumcyanid entfärbt:
2 Au + 4 KCN + H2O + ½ O2 → 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH
Auf diese Weise habe ich auch meine mit Goldpurpur verschmutzte Reibschale gereinigt, nachdem die schwarzviolette Färbung auch durch Scheuerpulver nicht ganz zu beseitigen war.
Der Sol-Zustand der kolloidalen Lösung wird durch elektrostatische Kräfte aufrechterhalten. Die Goldteilchen sind mit einer dünnen Hülle aus negativen Ladungen umgeben und stoßen sich gegenseitig ab. Durch Zugabe von Elektrolyten oder in einem Lösungsmittel mit geringerem Dipolmoment als Wasser, z.B. Ethanol, werden die Abstoßungskräfte unwirksam und die Teilchen aggregieren, das Sol flockt aus und es bildet sich ein Niederschlag (Gel-Zustand). Nach gutem Auswaschen kann dieser in reinem Wasser wieder in Lösung gebracht werden (Peptisation).
Schutzkolloide sind Stoffe, die, an das eigentliche Kolloid (hier Gold) gebunden - dessen Sol-Zustand stabilisieren. Ein solches Schutzkolloid ist Gerbsäure, die in Versuch 2.4 außerdem als Reduktionsmittel dient.
Eine besondere Form des roten, kolloidalen Goldes wird Goldpurpur genannt und durch Reduktion von Goldsalzlösungen mit Zinn(II)-Salzen erhalten. Seine Darstellung ist mit dem Namen des Arztes Andreas Cassius (1600 – 1673) verbunden, der sie in einem Buch, das erst posthum 1685 veröffentlicht wurde, beschrieb. Im Cassius’schen Goldpurpur wirkt das bei der Reaktion entstehende Zinndioxid als Schutzkolloid:
2 H[AuCl4] + 3 SnCl2 + 6 H2O → 2 Au↓ + 3 SnO2↓ + 14 HCl
Offenbar spielt aber auch eine Hydrathülle eine Rolle bei der Dispersion der Kolloidteilchen, denn der noch feuchte Niederschlag lässt sich viel besser in Wasser peptisieren, als der getrocknete. Auch in festen Phasen kann sich Gold kolloidal “lösen“. Der Goldpurpur wurde und wird viel zur Herstellung rubinroten Glases (heute oft mit kolloidalem Selen anstelle von Gold) und für die Porzellanmalerei verwendet. Nach einer Angabe in der Literatur [3] soll man auch Borax- oder Phosphorsalzperlen damit rubinrot färben können. Mir ist dies nicht gelungen - die Perlen entfärbten sich immer komplett.
Im übrigen haben in der letzten Zeit viele Menschen schon einmal kolloidales Gold vor Augen gehabt - es stellt nämlich in den Corona-Antigen-Schnelltests die farbgebende Komponente dar! Manche Hersteller werben sogar explizit damit, dass ihre Tests “Gold“ enthalten. Natürlich sagt dies nichts über die Qualität aus.
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Literatur:
1. Thomsen J: Wassergehalt des Goldchlorwasserstoffchlorids; Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 16 (1883): 1585-1587
2. Sauer E: Kolloidchemisches Praktikum, Verlag von Julius Springer, Berlin 1935
3. Ostwald, Wolfgang: Kleines Praktikum der Kolloidchemie; Verlag von Theodor Steinkopff. Dresden und Leipzig 1935
4. Roesky HW: Glanzlichter chemischer Experimentierkunst; Wiley-VCH Verlag GmbHCo. KGaA 2006; ISBN-13 978-3-527-31511-6
Danksagung:
Danke an die Illumina-Mitglieder, die in der gemeinsamen Diskussion die physikalischen Grundlagen der Farbe der kolloiden Goldlösungen, erörtert haben. Besonderen Dank an immi07, der den Artikel von Jugend Forscht ausfindig gemacht hat!
Hast Du es ersatzweise schon mal mit PTFE- (nahezu inert, aber leider sehr unflexibel und teuer) oder PVC-Schläuchen (deutlich robuster als Gummi, in der Aquarienabteilung des Baumarktes meterweise auch sehr viel günstiger zu bekommen als Gummischläuche im Laborfachhandel) probiert?
- außer vll. Apnoe-Tauchern... 
) bleibt auf immer rot? Oder gibt es - außer Fleckenschere - noch ein anderes Gegenmittel?
Praktisch somit korrekt: 47,8 ± 0,1 % Top Übereinstimmung! Sowas belegt immer wie sauber du arbeitest, geradezu mit chirurgischer Präzision