I klassen gjorde vi ett laboratorium där vi först löste koppar (II) kloridpulver i vatten för att bilda en blå lösning . Vi placerade sedan en sönderriven bit aluminiumfolie i den lösningen. Den blev brun och den (ursprungligen blå) lösningen som kom i kontakt med aluminiumet blev färglös. Aluminiumfolien blev brun.
Min fråga här är, vad är den bruna substansen på aluminiumfolien, och hur vet du att den inte rostar?
Tack på förhand.
Svar
Rost är järnoxid; du har inget järn i systemet så det är inte rost.
Det bruna ämnet är koppardamm producerat av reaktionen 2Al + 3CuCl2 -> 3Cu + 2AlCl3.
Aluminiumkloriden hydrolyserar sedan för att ge AlCl3-hexahydrat som är färglöst och surt förklaring här .
Svar
Aluminiumfolien är ett tunt ark av massivt aluminium. Du kan se att den är vitfärgad (eller silver om du föredrar det. Så solid aluminium är vit i färg. Aluminiumsalter är färglösa (eller så ser du dem som vita När aluminiumsalter är lösta i vatten är lösningarna färglösa .
Vad har färgen på fast koppar nu? Ta bort plastisoleringen från en bit tråd för att se koppartråden inuti, eller titta på kopparbotten på en stekpanna. Du kan se att koppar är ett brunt fast ämne .
Kopparsalter (II) har blå färg. Så när du löste upp Cu (II) klorid i vatten fick du en blå lösning . Den blå färgen indikerar närvaron av Cu (II) -joner i lösningen.
Aluminium är mer reaktivt än koppar . Därför när aluminiumfolie sätts i kopparsaltlösningen reagerar aluminiumatomer på ytan av folien (i kontakt med lösningen) och tar plats för koppar (II) -joner i lösningen (det blir nu aluminiumkloridlösning). Det är därför den blå lösningen blir färglös.
Koppar (II) -jonerna som ursprungligen fanns i lösningen skjuts ut för att bilda fast kopparpulver (brunt) och fäster på aluminiumfoliens yta (i kemi, säger vi att aluminiumet ”förflyttade” koppar från saltet). Så den bruna beläggningen som visas på aluminiumfolien är massiv koppar .
Hur vet du nu att det inte är rost? Du måste veta att järnföremål långsamt rostar när tiden går. Detta beror på att järnet reagerar med syre i atmosfären och långsamt övergår till järnoxid i närvaro av fukt. Därför är rost järnoxid , som också är brun i färgen.
Nu kan du dra slutsatsen att brun beläggning på aluminiumfolien är inte rost , eftersom du inte använde stryk var som helst i ditt experiment. Aluminium och koppar rostar inte.
Svar
Jag håller med mina kollegor i den mån det är troligtvis kopparmetall. Men med tanke på att vi börjar med en sur kopparkloridlösning och troligtvis finns en viss syrexponering antingen från startvattnet eller från luftkontakt, kan lite mer kemi äga rum, mer exakt elektrokemisk (eller visa en ytanod / katodmekanism). Följande reaktion är känd för att exempelvis inträffa med koppar, järnhaltiga och sannolikt andra övergångsmetaller (Mn, Co, Ce, Cr, ..) i sura lösningar i närvaro av syre:
Cu ( l) / Fe (ll) + 1/4 O2 + H + -> Cu (ll) / Fe (lll) + ½ H2O
Källa för ekvationen ovan för järn (som är fullständigt tillgänglig som en html-fil vid https://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/html/final-78.html och relaterat även kommentarer på https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es0501058 ) och för koppar, se till exempel Eq (7) vid https://en.wikipedia.org/wiki/Dicopper_chloride_trihydroxide .
Jag skulle skriva om ovanstående reaktion med tanke på benägenheten hos vissa övergångsmetaller (som koppar) att bilda basiska salter enligt följande:
4 Cu ( l) + O2 + 2 H + -> 4 Cu (ll) + 2 OH-
För högskolestudenter och forskare har jag intressant härledt en underliggande radikal kemisk väg till denna reaktion med tillägget, ”Effekter av aerosoler på kemi av atmosfäriska spårgaser: ett fall studie av peroxidradikaler ””, av H. Liangl, Z. M. Chenl, D. Huangl, Y. Zhao1 och Z. Y.Li, länk: 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)
Nettoreaktion igen: 4 Cu + + O2 + 2 H + → 4 Cu2 + + 2 OH-
Nu, för experimentet som diskuteras med Al / CuCl2, misstänker jag att elementär kopparmetall, särskilt nyligen utfällt, kommer att reagera på liknande sätt och bilda en beläggning av kopparoxid per den normalt långsamt observerade oxidationen av järn och kopparmetall i en sur luft / CO2-blandning per den så kallade metallauto-oxidationsreaktionen (Reaktion R24 ovan):
O2 (aq) + 4 Cu / Fe = Cu (l) / Fe (ll ) + • O2−
vilket också är en reversibel reaktion. Vid försurning kan superoxidradikalanjonen (skriven som O2−, • O2− eller O2 • -, men även om den senare formen överensstämmer med konventionen, kan den ge betydande frågor om läsbarhet och möjlig felaktig tolkning av den aktiva artens natur). leda till H2O2 (reaktion R27) och mata en Fenton-reaktion (eller Fenton-typ med koppar) (se R25 ovan) och skapa ett järn- eller kopparsalt. Som en konsekvens kan den till synes observerade mörkare färgningen som beskrivs faktiskt bero på närvaron av Cu2O, och vid lågt pH och förhöjda syrenivåer kan vissa mycket mörkare fläckar av CuO utvecklas.
Vid temperaturer över 65 ° C , en studie (se den fullständigt tillgängliga artikeln som pdf på https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0001616069900467 ) hänvisar till ”elektronernas ankomst till oxid-gas-gränssnittet genom termionisk emission som det hastighetsreglerande steget ”, där jag förväntar mig att detta leder till superoxidradikalanjonen via:
e- (aq) + O2 (aq) = • O2−
Och per en annan studie också reaktionen:
e- (aq) + H + = • H
där väteprotonen (härledd från vattenånga) uppenbarligen upptar vakans Cu-vakanser, bildade av större defekter associerade med Cu2O (se diskussion av Wang och Cho på https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/49/12/49_12_1926/_pdf ).
Jag skulle också notera att atmosfärisk superoxid plus vattenånga på grund av förändringen i dielektrikumet för t han medium, • O2− blir till stor del närvarande som • HO2 (protonen doneras uppenbarligen lätt av vatten). Vidare är den senare hydroperoxidradikalen inte bara en långsam föregångare till H2O2 (och en möjlig reaktion av fentontyp noterad ovan per R25) via reaktionen:
• HO2 + • HO2 = H2O2 + O2
men också nyligen erkänd som en sur radikal i sig (se Radikalförstärkt surhet: Varför är bikarbonat, karboxyl, hydroperoxyl och relaterade radikaler så sura vid https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpca.7b08081?src=recsys&journalCode=jpcafh ).