Silberbaum (Chemie)

Ein Silberbaum (Baum der Diana, Dianenbaum, Vorlage:LaS, oder Philosophenbaum, lat. Vorlage:Lang) besteht aus baumartig aneinandergereihten Kristallen aus Silber oder Silberamalgam. Er entsteht, wenn Silber durch Reduktion aus einer Silbersalzlösung abgeschieden wird. Vor allem die mit Quecksilber aus Silbernitratlösung entstehenden quecksilberhaltigen Bäumchen nannte man nach einer alchemistischen Bezeichnung für das Silber, Diana, auch Baum der Diana, lateinisch Arbor Dianae. Baumartige Strukturen nennt man auch dendritisch, und ähnliche Metallbäume können auch mit anderen Metallen erhalten werden. Manchmal entstehen auf den Ästen auch kugelförmige Niederschläge, die als „Früchte des Baumes“ interpretiert wurden.

Aufgrund der Ähnlichkeit mit dem Pflanzenwachstum galt der Silberbaum im 18. Jahrhundert als „eine der sehens- und untersuchungswürdigsten Erscheinungen der Chymie“, die chemische Philosophen – einschließlich Isaac Newton – als Beleg für eine Art Leben im Mineralienreich deuteten.

Historisches

Silberbäumchen, die auf einer Kupferwendel gewachsen sind, die in 0,1 M Silbernitratlösung getaucht wurde. Aufnahme nach zwei Stunden Reaktionszeit.

Ausschnitt aus einem Bild mit Silberbäumchen auf einer Kupferwendel. Das Bild wurde gedreht, so dass das nach unten gewachsene Bäumchen nach oben zeigt.

Die Entdeckungsgeschichte des Arbor Dianae ist nicht genau bekannt. Die erste wissenschaftliche Belegstelle stammt aus dem späten 16. Jahrhundert von dem italienischen Gelehrten Giambattista della Porta.

Zu weiteren bekannten Beschreibungen, wie man Silberbäumchen herstellen kann, gehören die, die der Naturforscher Wilhelm Homberg 1692 der königlichen Akademie der Wissenschaften in Paris mitteilte, und die des französischen Chemikers Nicolas Lémery in seinem ab 1675 erschienenen Lehrbuch, das ab 1698 unter dem Titel „Der vollkommene Chymist“ auch auf Deutsch erschien. Wilhelm Homberg stellte 1710 sein Verfahren folgendermaßen dar:

Die Hombergsche Herstellungsmethode wurde von Joseph Louis Proust heftig kritisiert:

Proust bezieht sich wohl vor allem auf die zusätzlichen Schritte zur Herstellung des Silberamalgams, für das Silberstücke zuerst durch Feilen zerkleinert wurden; aus heutiger Sicht ist auch die Interpretation der chemischen Vorgänge schwieriger, wenn man nicht von Reinstoffen ausgeht. Lémery beschrieb sein Verfahren so:

Aufgrund der längeren Wartezeit gilt diese Methode als „außerordentlich zeitaufwendig“ (exceedingly time-consuming).

Der französische Forscher Charles Marie de La Condamine veröffentlichte ab 1731, dass Silberbäumchen auch ohne Quecksilber aus den Silberlösungen erhalten werden können, indem man andere Metalle einsetzt, wie Eisen, Kupfer, Zink, Blei, Zinn oder Bismut, aber auch Messing oder das Halbmetall Antimon können dazu verwendet werden.

Moderne Demonstration

Während für die früheren Experimente oft Quecksilber verwendet wurde, demonstriert man heute die Bildung von Silberbäumchen am einfachsten durch Reduktion mit Kupfer. Dabei nimmt die Lösung im Laufe des Experiments zunehmend die schwachblaue Färbung von Kupfersalzlösungen an. Ein Ausschnitt eines so erhaltenen Silberaufwuchses ist im Bild gezeigt.

Bei dieser Redoxreaktion wird ein Teil des Kupfers oxidiert und geht in Lösung, Silber wird reduziert:

$\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{\mathrm{+}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}\mathrm{C}{u}_{\mathrm{a}\mathrm{q}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}$.

Silberbäumchen können auch durch elektrolytische Zersetzung von Silbernitrat gezüchtet werden.

Form der Bäumchen

Die Form der Bäumchen entsteht durch Anlagerung von Silber, das sich in Form von Silberionen durch die Lösung bewegt. Da diese Diffusion eine Zufallskomponente hat, ist die Form der Bäume – erst recht natürlich wenn Verunreinigungen oder asymmetrische Randbedingungen eine Rolle spielen – nicht streng symmetrisch und die Verzweigungen erscheinen nicht streng periodisch, was den „natürlichen“ Eindruck der Bäume erhöht. Die Beschreibung des Wachstumsmechanismus kann mit dem Modell des diffusionsbegrenzten Wachstums erfolgen, bei dem fraktale Strukturen entstehen. Dementsprechend kann auch eine Selbstähnlichkeit auftreten, wenn man die Bäumchen mit verschiedenen Vergrößerungen betrachtet.

Dendritisches Silber in der Forschung

Dendritisches Silber besitzt im Vergleich zu massivem Silber eine viel größere relative Oberfläche. Da für manche Anwendungen, beispielsweise in der Katalyse, große Oberflächen sehr nützlich sein können, wurde in den letzten Jahren intensiv an der Herstellung von dendritischem Silber und an verschiedenen Einsatzmöglichkeiten dafür geforscht.