Claudio
2016-10-29 21:33
Questi 2 ossidi del rame sono entrambi dei semiconduttori, l’ ossido rameoso presenta una bassa conduttività elettrica , mentre quella dell’ ossido rameico è molto più elevata.
In particolare la resistività Del Cu2O va da 10K a 100M ohm.cm , quella del CuO varia da 0,01 a 1 ohm .cm.
Studi sul Cu2O e sue implicazioni nella costruzioni di economiche celle fotovoltaiche, anche se con un rendimento piuttosto basso, sono iniziati nel 1920 e proseguiti fino al 1950, poi le attenzioni si sono rivolte al più efficiente silicio. Qui: un interessante studio sull’uso dell’ossido rameoso per applicazioni fotovoltaiche
Il CuO viene usato come colorante per ceramiche, viene usato anche per fare la termite, miscela di CuO – Al (polvere) usata per la saldatura di elementi in rame.
Per la realizzazione di queste 2 sintesi ci sono vari procedimenti tutti recuperabili in rete e su You Tube. Ho scelto 2 procedure che usano reagenti di basso costo e facile reperibilità.
Sintesi dell’ossido rameoso
Reagenti ed attrezzatura:
NaOH, CuSO4.5H2O, NaCl, Na2S2O5, H20 deionizzata.
Agitatore magnetico con piastra riscaldante, beuta da 1l. imbuto buchner con carta da filtro, pompa da vuoto o ad acqua.
Ho preparato in un becher una soluzione di 16 g di NaOH in 60 ml di H2O
In una beuta da 1 l contenente 200 ml di H20 ho introdotto sotto agitazione 31,2 g di CuSO4 . 5H2O e portato il tutto a circa 80 - 90 ºC (F1a), quando il sale si è completamente dissolto ho introdotto sempre sotto agitazione 40 g di NaCl , il colore della soluzione vira da blu a verde (F1b) segno della formazione del complesso CuCl4 2- , ho quindi aggiunto lentamente a piccole porzioni 20 g di sodio metabisolfito, la soluzione diventa prima nera (F1c) , reagisce quindi con una vivace effervescenza di SO2 , diventando gialla ed infine rosso marron (F1d), ho poi aggiunto al liquido la soluzione di NaOH precedentemente preparata, si verifica l’istantanea precipitazione di Cu2O di colore giallo arancione (F1e)
ho lasciato raffreddare e decantare il prodotto ed eliminato per aspirazione il supernatante che è fortemente basico, contiene Na2SO4 ed altri residui solubili della reazione, aggiunti poi altri 500 ml di H20 rimescolato il tutto e di nuovo a decantare e poi sotto aspirazione (F2a,b)
ho ripetuto questo sino a che il pH del supernatante è sceso intorno a 9 - 10 ho poi proceduto alla filtrazione sotto vuoto con buchner e filtro di carta, seguita da abbondante lavaggio con H20 sino a pH neutro
Da notare che la polvere di Cu2O prodotta è molto fine con particelle intorno ad 1 µm o meno come si può vedere in (F3a) la parte più sottile riesce a passare attraverso il filtro di carta inserito sul buchner , Il filtro di carta con la polvere di Cu2O è stata messa ad asciugare prima in aria F3b e poi sotto vuoto, In tutto ho ricavato 8,1g di C2O.
Se lasciata in aria l’ossido rameoso tende ad ossidarsi 2Cu2O + O2 --> 4CuO e quindi andrebbe protetto sotto gas inerte .
In (F10a) una vista al microscopio USB dell’ossido rameoso come estratto dalla campana a vuoto, si presenta come aggregato di particelle molto minute, In (F10b) come si presenta lo stesso campione dopo 1 mese circa dalla preparazione, parte dell’ossido rameoso a contatto con l’aria è stato ossidato ad ossido rameico.
Sintesi dell’ossido rameico
Reagenti ed attrezzatura:
NaHCO3, CuSO4.5H2O, H2O deionizzata.
2 recipienti in vetro da 1l ed uno da 3l, un piatto ed una ciotola pirex, piastra riscaldante, imbuto buchner con carta da filtro, pompa da vuoto o ad H20, muffola.
La preparazione di questo ossido passa per la preliminare preparazione di carbonato di rame, precursore utile anche per altre preparazioni, 2 semplici reazioni per arrivare al carbonato di rame sono:
2CuSO4 + 2Na2CO3 +H20 --> Cu2(OH)2CO3 + 2Na2SO4 + CO2
2CuSO4 + 4NaHCO3 --> Cu2(OH)2CO3 + 2Na2SO4 + 3CO2 + H2O
Come si vede dalle equazioni non è carbonato di rame quello che si ottiene ma carbonato basico di rame che può essere poi facilmente trasformato in carbonato.
L a reazione più pratica è la prima che usando Na2CO3 genera molto meno schiuma, non avendo sotto mano il carbonato di sodio me lo sono preparato tramite decomposizione termica del bicarbonato di sodio.
2NaHCO3 --> Na2CO3 + CO2 + H2O a temp di 130 ºC
Messe 2 moli di NaHCO3 (168g. ) in una ciotola pirex sopra piastra riscaldante a 130ºC, ogni tanto basta rimescolare il sale con bacchetta di vetro per rendere uniforme la temperatura al suo interno (F4)
Non occorre un controllo preciso della temperatura, il bicarbonato inizia a decomporsi sopra i 50 ºC con temperature più alte si accelera solo il processo e si è sicuri di eliminare tutta l’H2O, d’altra parte non c’è alcun rischio di decomporre il carbonato di sodio che inizia a decomporsi solo a 400 ºC. Il modo per capire quando la reazione si è completata è semplice basta controllare il peso, dall’equazione si vede che otterrò 1 mole di sodio carbonato cioè 105,99 g , il resto evapora. Dopo circa un’ora di cottura il peso del sale è di 107 g. vicino al limite teorico, quindi ho spento tutto e lasciato raffreddare.
Ho preparato un soluzione di 53g di Na2CO3 in 0,5 l di H2O, una di CuSO4.5H2O 124,8 g. in 0,5 l di H20 , versato i 0,5 l di sol carbonato dentro ad un recipiente da 3l (F5a) e poi aggiunto lentamente mescolando la soluzione di CuSO4, si ottiene la subitanea precipitazione del carbonato basico di rame accompagnata da un abbondante schiumeggiamento, (F5b), se avessi usato il bicarbonato i 3 l del contenitore non sarebbero bastati a contenerlo.
Ho lasciato tutto a riposo sino a che non cessa l’emissione di anidride carbonica, aggiunti poi 0,5 l di H20 e rimescolato per favorire la dissoluzione del solfato di sodio in soluzione, lasciato decantare ed aspirato il supernatante (F6a) questa operazione l’ho ripetuta 3 volte ho filtrato quindi la sospensione con il solito buchner e lavato ulteriormente con H2O (F6b) il carbonato basico di rame si presenta di un bel color turchese (F6c)
Ho prelevato dal filtro di carta con spatola la polvere bagnata e posta su un piatto in vetro per l’asciugatura dove l’ho lasciata per 2 giorni. Un’altra piccola porzione la parte più aderente al filtro l’ho messa ad asciugare sotto vuoto.
Dopo 2 giorni di esposizione all’aria il colore del carbonato e passato dal turchese al verde, superficialmente è avvenuta la reazione con l’anidride carbonica:
Cu2(OH)2CO3 + CO2 --> 2CuCO3 + H2O
Per completare la reazione ed asciugare il prodotto ho posto il piatto su piastra riscaldante portato la temperatura a 80 - 100 ºC rimescolando tutto con bacchetta di vetro, in accordo con la reazione sopracitata si sviluppa una certa quantità d’acqua (F7a), una volta finita la reazione a prodotto asciutto (F7b) abbiamo il carbonato rameico di color verde.
Ora non resta che la preparazione dell’ossido rameico tramite decomposizione del carbonato che avviene a 290ºC secondo la reazione
CuCO3 --> CuO +CO2
Un primo tentativo di decomposizione usando la solita piastra riscaldante è fallito in quanto la massima temperatura raggiungibile è di 280 - 290 ºC, la reazione procedeva ma troppo lentamente.
Ho usato allora una muffola auto costruita per altri impieghi, su questa non ci sono problemi è in grado di raggiungere i 1200 ºC. il controllo della temperatura viene fatto tramite termometro elettronico con termocoppia K.
In una coppetta in quarzo ho messo 15,1 g di CuCO3, (F8a), accesa la muffola è portata a 370 ºC (F8b,c), a questa temperatura non c’è nessun rischio di decomporre anche l’ossido rameico in quanto la sua temperatura di decomposizione è superiore a 1000 ºC, bastano 15 min. per completare la reazione, ho ottenuto 9,5 g. di ossido rameico.
La parte di Cu2(OH)2CO3 precedentemente portata a secco sotto vuoto non essendo venuta a contatto con la CO2 atmosferica ha mantenuto intatto il suo colore turchese.
In (F9) un confronto fra i 3 prodotti: Cu2(OH)2CO3, CuCO3 e CuO
Il carbonato basico di rame se non protetto in atmosfera inerte (argon , azoto) si trasforma lentamente in carbonato di rame.
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