Chemische reactie van aluminiumfolie in CuCl2-oplossing

Roest is ijzeroxide; er zit geen ijzer in het systeem, dus het is geen roest.

De bruine substantie is koperstof geproduceerd door de reactie 2Al + 3CuCl2 -> 3Cu + 2AlCl3.

Het aluminiumchloride hydrolyseert vervolgens om AlCl3-hexahydraat te geven dat kleurloos en zuur is uitleg hier .

De aluminiumfolie is een dunne plaat van massief aluminium. Je kunt zien dat het wit van kleur is (of zilver gekleurd, als je dat wilt). Dus massief aluminium is wit van kleur. Aluminiumzouten zijn kleurloos (of je ziet ze als wit ). Wanneer aluminiumzouten worden opgelost in water, zijn de -oplossingen kleurloos .

Nu, wat is de kleur van massief koper? Verwijder de plastic isolatie van een stuk elektrische draad om de koperdraad binnenin te zien, of kijk naar de koperen bodem van een koekenpan. U kunt zien dat koper een bruine vaste stof is .

Koper (II) -zouten zijn blauw van kleur. Dus als je Cu (II) -chloride in water oplost, krijg je een blauwe oplossing . De blauwe kleur geeft de aanwezigheid van Cu (II) -ionen in de oplossing aan.

Aluminium is reactiever dan koper . Wanneer aluminiumfolie in de koperzoutoplossing wordt geplaatst, reageren aluminiumatomen op het oppervlak van de folie (in contact met de oplossing) en nemen de plaats in van koper (II) -ionen in de oplossing (het wordt nu een aluminiumchloride-oplossing). Daarom wordt de blauwe oplossing kleurloos.

De koper (II) -ionen die oorspronkelijk in de oplossing zaten, worden eruit geduwd om vast koperpoeder (bruin) te vormen en plakken op het oppervlak van de aluminiumfolie (in chemie zeggen we dat het aluminium koper uit het zout “verdrongen”). Dus de bruine laag die op de aluminiumfolie verschijnt, is massief koper .

Hoe weet je dat nu dat het geen roest is? U moet weten dat ijzeren voorwerpen langzaam roesten naarmate de tijd verstrijkt. Dit komt doordat het ijzer reageert met zuurstof in de atmosfeer en langzaam verandert in ijzeroxide in aanwezigheid van vocht. Daarom is roest ijzeroxide , dat ook bruin van kleur is.

Nu kun je afleiden dat de bruine coating op de aluminiumfolie is niet roest , omdat je ijzer waar dan ook in uw experiment. Aluminium en koper roesten niet.

Ik ben het met mijn collegas eens in zoverre dat het hoogstwaarschijnlijk kopermetaal is. Aangezien we echter beginnen met een zure koperchloride-oplossing, en er waarschijnlijk enige zuurstofblootstelling is, hetzij door het startende water, hetzij door contact met de lucht, kan er iets meer chemie plaatsvinden, meer bepaald elektrochemisch (of een oppervlakteanode / kathodemechanisme). Het is bekend dat de volgende reactie plaatsvindt, bijvoorbeeld met cupro, ferro en waarschijnlijk andere overgangsmetalen (Mn, Co, Ce, Cr, ..) in zure oplossingen in aanwezigheid van zuurstof:

Cu ( l) / Fe (ll) + 1/4 O2 + H + -> Cu (ll) / Fe (lll) + ½ H2O

Bron voor bovenstaande vergelijking voor ferro (die volledig beschikbaar is als html-bestand op https://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/html/final-78.html en gerelateerd ook opmerkingen op https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es0501058 ) en voor koper, zie bijvoorbeeld vergelijking (7) op https://en.wikipedia.org/wiki/Dicopper_chloride_trihydroxide .

Ik zou de bovenstaande reactie als volgt willen herschrijven, gezien de neiging van sommige overgangsmetalen (zoals koper) om basische zouten te vormen:

4 Cu ( l) + O2 + 2 H + -> 4 Cu (ll) + 2 OH-

Voor studenten en onderzoekers heb ik op interessante wijze een onderliggend radicaal chemiepad naar deze reactie afgeleid met behulp van het supplement: ” van aërosolen over de chemie van atmosferische spoorgassen: een geval studie van peroxidenradicalen “”, door H. Liang1, Z. M. Chen1, D. Huang1, Y. Zhao1 en Z. Y.Li, link: https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.atmos-chem-phys.net/13/11259/2013/acp-13-11259-2013-supplement.pdf&ved=0ahUKEwj64JTH4ejMAhVCHR4KHegXCu8QFggcMAE&usg=AFQjCNGZWxTNxFPmgaT1bARYjO08w2_wIg&sig2=Gbhj5orSHmeDIV9uy-moYg :

R24 O2 (aq) + Cu + → Cu2 + + O2− (k = 4.6xE05)

R27 O2− + Cu + + 2 H + → Cu2 + + H2O2 (k = 9.4xE09)

R25 H2O2 + Cu + → Cu2 + + OH + OH – (k = 7.0 xE03)

R23 OH + Cu + → Cu2 + + OH− (k = 3.0 × E09)

Netto reactie opnieuw: 4 Cu + + O2 + 2 H + → 4 Cu2 + + 2 OH-

Nu, voor het experiment besproken met Al / CuCl2, vermoed ik dat elementair kopermetaal, vooral vers geprecipiteerd, op dezelfde manier zal reageren en een coating van koper (II) oxide zal vormen volgens de normaal langzame waargenomen oxidatie van ijzer en kopermetaal in een zuur lucht / CO2-mengsel volgens de zogenaamde auto-oxidatiereactie van metaal (reactie R24 hierboven):

O2 (aq) + 4 Cu / Fe = Cu (l) / Fe (ll ) + • O2−

wat ook een omkeerbare reactie is. Bij verzuring kan het superoxide radicale anion (geschreven als O2-, • O2- of O2 • -, maar hoewel de laatste vorm in overeenstemming is met de conventie, kan het aanzienlijke problemen opleveren met betrekking tot de leesbaarheid en mogelijke verkeerde interpretatie van de aard van de actieve soort) leiden tot H2O2 (Reactie R27) en een Fenton (of Fenton-type met koper) reactie voeden (zie R25 hierboven), waarbij een ijzer (III) of koper (II) zout ontstaat. Als gevolg hiervan kan de ogenschijnlijk waargenomen donkere verkleuring die wordt beschreven in feite te wijten zijn aan de aanwezigheid van Cu2O, en bij lage pH en verhoogde zuurstofniveaus kunnen enkele veel donkerdere vlekken van CuO ontstaan.

Bij temperaturen boven 65 ° C verwijst één studie (zie het volledig beschikbare artikel als pdf op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0001616069900467 ) naar “de aankomst van elektronen bij het oxide-gas grensvlak door thermionische emissie als de snelheid controlerende stap ”, waar ik zou verwachten dat dit leidt tot het superoxide radicaal anion via:

e- (aq) + O2 (aq) = • O2−

En volgens een andere studie ook de reactie:

e- (aq) + H + = • H

waar het waterstof proton (afgeleid van waterdamp) blijkbaar bezet oppervlakte Cu-vacatures, gevormd door belangrijke defecten die verband houden met Cu2O (zie bespreking door Wang en Cho op https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/49/12/49_12_1926/_pdf ). / p>

Ik zou ook willen opmerken dat atmosferische superoxide plus waterdamp, vanwege de verandering in het diëlektricum van t Het medium, • O2− wordt grotendeels aanwezig als • HO2 (het proton wordt blijkbaar gemakkelijk gedoneerd door water). Verder is de laatste hydroperoxide-radicaal niet alleen een langzame voorloper van H2O2 (en een mogelijke fenton-achtige reactie hierboven vermeld per R25) via de reactie:

• HO2 + • HO2 = H2O2 + O2

maar ook, onlangs erkend als een zure radicaal op zichzelf (zie Radical-Enhanced Acidity: Why Bicarbonate, Carboxyl, Hydroperoxyl, and Related Radicals Are So Acidic op https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpca.7b08081?src=recsys&journalCode=jpcafh ).