De la couleur des nanoparticules. Bac S Métropole 2015

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Les propriétés optiques de certains matériaux peuvent changer radicalement lorsqu’ils sont réduits à l’état de particules de tailles plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible. C’est le cas de l’or.
Ce métal, jaune à l’état de pépite, donne une couleur proche du violet à certains vitraux d’église, dans lesquels il se trouve sous forme de nanoparticules dispersées. Encore plus surprenant, la couleur obtenue dépend de la taille des particules.

Les chimistes ont développé de nombreuses techniques afin de produire des nanoparticules d’or stables et de tailles diverses. La plus utilisée est la méthode développée par John Turkévich en 1951. La méthode de Turkévich propose de produire des nanoparticules d’or, métal de symbole
Au, par réaction d’oxydoréduction entre une solution aqueuse d’ions tétrachloroaurate AuCl4- aq
et une solution aqueuse d’ions citrate C6H5O73-aq. La solution d’ions tétrachloroaurate est dans un premier temps portée à ébullition au moyen d’un montage à reflux, puis la solution d’ions citrate est introduite par le haut du réfrigérant. Le reflux est maintenu pendant plusieurs minutes sous vive agitation.
La réaction de Turkévich est modélisée par l’équation de réaction écrite ci-après :
2AuCl4- aq +3C6H5O73-aq ---> 2 Au(s) + 3 CO2 (aq) + 3 H+ (aq) + 8 Cl- (aq) + 3 C5H4O52-aq
Cette réaction est totale.
Remarque : outre les nanoparticules d’or, tous les produits formés lors de la réaction de Turkévich sont incolores.
On met en oeuvre la méthode de Turkévich à partir de deux mélanges différents de réactifs présentés dans le tableau ci-dessous :


AuCl4-
C6H5O73-aq

Concentration
 ( mol/L )
Volume
 ( mL)
Quantité de matière
 ( mmol)
Concentration
( mol/L )
Volume
 ( mL)
Quantité de matière
 ( mmol)
Mélange 12,5 10-42506,25 10-23,4 10-21,44,76 10-2
Mélange 21,0 10-31001,0 10-13,4 10-21,03,4 10-2
Déterminer le mélange qui permet d’obtenir une solution stable de nanoparticules d’or, puis indiquer la couleur de la solution obtenue en fin de réaction.




Une trop faible quantité initiale d’ions citrate conduit à des solutions de nanoparticules d’or instables. Lors de ses expériences, Turkévich a obtenu des solutions stables de nanoparticules d’or uniquement lorsque la quantité initiale d’ions citrate était supérieure au tiers de la quantité nécessaire pour être dans les proportions stoechiométriques avec les ions tétrachloroaurateinitialement introduits dans le mélange réactionnel.
Dans les conditions stoechiométriques, quantité de matière initiale d'ion citrate :
- mélange 1 : 
6,25 10-2 *3 / 2 ~9,4 10-2 mmol ;
- mélange 2 : 0,10 *3 / 2 ~0,15 mmol.
Quantité de matière d'ion citrate égale au tiers de la quantité dans les conditions stoechiométriques  :
- mélange 1 : 9,4 10-2 /3 ~ 3,1 10-2 mmol ;
 - mélange 2 :
0,15 / 3 ~5,0 10-2 mmol.
Le mélange 1 remplit la condition pour obtenir des nanoparticules d'or stables.




Rapport entre la quantité de matière initiale d’ions tétrachloroaurate et la quantité initiale d’ions citrate ( mélange 1) : 6,25 / 4,76 ~1,3.

La taille des nanoparticules d'or est de l'ordre de 76 nm.

Les nanoparticules d'or présentent un maximum d'absorption vers 570 nm ( jaune vert). La solution obtenue a la teinte complémentaire du jaune, soit le rouge violacé.

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