Koperchloride

Datum:  Maart-April 2019

Inleiding:

Het maken van en experimenteren met koperchloride.

Materiaal:

  • Koperdraad
  • Zoutzuuroplossing (10%)
  • Aluminiumfolie
  • Demi-water
  • Aceton
  • pH papiertjes
  • Objectglaasjes
  • Dekglaasjes
  • Verwarmingsplaat
  • Snijmes
  • Pipet
  • Flesje met dop
  • Spectroscoop
  • Computer met webcam
  • Vuurvast bakje
  • Statief
  • Reageerbuizen
  • Reageerbuishouders
  • Spatel
  • Microsoop met camera
  • Digitale microscoop (Dino-Lite AM4815ZT)

 

Uitvoering:

Synthese van Koperchloride
  • Neem een stuk elektriciteitsdraad en strip er de plastic isolatie vanaf
  • Knip de gestripte koperdraad in kleine stukken en plaats deze in een flesje
  • Voeg zoutzuur toe en meng goed
  • Verwijder de deksel
  • Wikkel de top in met een stukje tissue en zet dit vast met een elastiekje
  • Plaats het flesje op een verwarmingsplaat (< 100 °C) en damp langzaam en geduldig in.
  • Uiteindelijk heb ik hier een paar weken over gedaan.
    (Alleen 's avonds geëxperimenteerd, en ook niet elke avond)
Microscopische onderzoek
Indampmethode
  • Plaats een druppel oplossing op een objectglaasje
  • Leg het objectglaasje op de verwarmingsplaat
  • Laat de vloeistof verdampen
  • Maak er een permanent prepraat van
  • Observeer het preparaat onder de microscoop
Koperboom
  • Neem een beetje koperchloride oplossing en plaats een druppel op een objectglaasje
  • Verwijder eventuele extra vloeistof
  • Plaats het objectglaasje onder De Dino-Lite digitale microscoop
  • Knip een zeer dun stukje alufolie uit en plaats het teghen het dekglaasje
  • Observeer met de digitale camera en film
Vlamproef
  • Bouw de opstelling met spectroscoop, webcam , statief en vuurvast bakje op zoals in onderstaande foto is weergegeven
  • Positioneer de webcam dusdanig dat men het spectrum door de webcam kan waarnemen
  • Neem een beetje koperchloride en plaats dit in een bakje
  • Voeg wat alcohol toe
  • Steek de alcohol aan en observeer visueel en met de webcam

Resultaten:

Synthese
Men kan naaldvormige kristallen waarnemen met een lichtgroene kleur.

 

Als men een beetje materiaal neemt en dit in een reageerbuis met water plaats kan men observeren dat het materiaal slecht oplost. Voegt men echter een beetje zoutzuur toe dan lost het materiaal wel op en ontstaat een oplossing met een lichtblauwe/groenige kleur.

Meet men de pH van de oplossingen met een pH papiertje dan geeft de troebele oplossing een pH van 4 en de aangezuurde oplossing een pH van 1-2.

Van beide oplossingen heb ik vervolgens een druppel op een objectglaasje gelegd, ingedampt op de verwarmingsplaat en microscopisch onderzocht.

Een beetje van het poeder is ook opgelost in enkel ml aceton.
De oplossing in aceton wordt bruin. Het materiaal lost goed op.
Preparaten (boven heldere oplossing, onder troebele oplossing)
Indien men het preparaat van de heldere oplossing verder droogt wordt het ook bruin van kleur. Onder de microscoop laten beide preparaten naaldvormige kristallen zien.
Laat men de preparaten enige tijd liggen dan worden ze weer lichtblauw.
Microscopisch onderzoek - Algemeen
Euromex ML 2000, Luckyzoom YW500 HD 5MP USB Cmos Camera Electronic Digital Eyepiece, Objectief 4x 
Licht
Gepolariseerd

Donkerveld
Koperboom
Men kan op het contactvlak van aluminium en koperchloride een koperboompje zien groeien
 
Een filmpje van het groeiproces heb ik op YouTube gezet.

YouTube link: Koperboom

 
Vlamproef
De groene kleur is typerend voor de aanwezigheid van koper.

De gele vlam geeft de aanwezigheid van natrium aan.
 

YouTube link: Vlamproef

 
 

YouTube link: Spectroscoop

 

In de spectroscoop zijn we vnl een gele lijn intenser worden (de Natrim D lijn). Vooral op het einde kunnen we soms ook groene lijnen zien oplichten. De resolutie van de spectroscoop is niet extreem hoog.

Discussie en conclusie:

De vraag die we willen beantwoorden is of we inderdaad het gewenste koperchloride hebben gemaakt.
Dat onze oplossing koper bevat is een gegeven dat op verschillende manieren bevestigd is nl de gebruikte synthesemethode, de vorm en kleur van het preparaat, kristallen en oplossingen, het geven dat we vanuit de oplossing weer koper kunnen maken en uiteindelijk de groene keur bij de vlamproef.

De groene vlamkleur die we regelmatig kunnen waarnemen laat zien dat er een koper verbinding in de oplossing aanwezig is. Alhoewel de gele vlam domineert, laat deze zien dat er ook aardig wat Natrium aanwezig is. Natrium is echter bijna altijd aanwezig (lekt bv. uit glas) maar kan ook al aanwezig zijn geweest in de chemicaliën die we gebruikt hebben (de zoutzuur was niet van analytische kwaliteit).

De echte vraag is dan of we het gewenste koper(II)chloride hebben gemaakt aangezien men ook een koper(I)chloride,  koperhydroxide of kopercarbonaat gemaakt kan hebben. Koperhydroxide en kopercarbonaat zijn ook onoplosbaar in water, en alhoewel ons preparaat niet echt goed oplost in water, lost er duidelijk wel een deel op.

Dat we een hydroxide of carbonaat hebben gemaakt is onwaarschijnlijk doordat ook de troebele oplossing nog steeds zuur is.

De vraag of we met Koper(I) of Koper(II) te maken hebben.

Koper(II)chloride, ook wel bekend onder de naam cuprichloride, vormt in zijn dihydraat vorm (CuCl2.2H2O) een blauwgroene, orthorombische kristallijne structuur. Het is een zwak Lewis zuur oplosbaar in water. De niet-gehydrateerde heeft een bruine kleur en is hygroscopisch. Door zijn relatief lage reactiviteit is koperchloride (het Cu2+) een goede oxidator.

Koper(I) verbindingen zijn al vrij lastig te maken maar er zijn  duidelijke aanwijzingen dat we met koper(II)chloride te maken hebben.

  1. De naaldvormige kristallen zijn typerend voor koper(II)chloride. Koper(I)chloride heeft een meer kubische structuur.
  2. Bij drogen veranderd het materiaal van kleur, van lichtblauw naar bruin. Typerende kleuren voor de gehydrateerde en de niet-gehydrateerde vorm van koper(II)chloride.
  3. De geelbruine keur van de oplossing in aceton is typerend voor koper(II)chloride. Koper(I)chloride is onoplosbaar in zowel aceton als water.
 
Reactie van aluminium metaal met de koper(II)chloride oplossing
In dit systeem vindt een redoxreactie plaats. Al is de reductor (-1.67 V) en Cu2+ de oxidator (0.34 V). De halfreacties die hier optreden zijn: 

Al (s) <=> Aln3+ + 3 e-

Cu2+ + 2 e- <=> Cu (s)

Het werkelijke systeem is chemisch gezien iets complexer. Er vinde ook nog wat nevenreacties plaats.

Het aluminium ion dat gevormd wordt coördineert met 4 chloride ionen en vormt dan [AlCl4]-. Koper(II)ionen zullen hydrolyseren en zo H+ ionen vormen, waardoor de oplossing lichtelijk zuur wordt (hetgeen we ook geobserveerd hebben, pH=4). Aluminium metaal is altijd bedekt met een beschermende laag aluminiumoxide (Al2O3). Het chloride ion helpt om het aluminum lost te maken van het zuurstof zodat het met de koperionen en de watermolekulen kan reageren.

Cu2+ + HOH <=> CuOH+ + H+ Al2O3 + 4C1- + H2O + 2H+ <=> 2[Al(OH)2Cl2]-

De reactie gaat ook gepaard met de vorming van waterstof gas:

2Al + 6H+ <=>2Al3+ + 3H2

 
Voor de verklaring van de boomachtige koperstructuur die ontstaat helpt het om de literatuur te raadplegen.
Koper kristalliseert uit in de hexakisoktaëdrische klasse van het kubische stelsel in de vorm van octaëders, kubussen en rhombendodekaëders. Deze verdubbelen zich analoog aan de spinellen hebben de neiging evenwijdig in dendritsche of boomvormige aggregaten te vergroeien. Door hun weekheid verliezen de kristallen gemakkelijk hun sterke kanten zodat ze afgeronde vormen aannemen, ze zijn zwaar en hebben een diepe glans.
De dendritsche structuur ontstaat omdat de diffusie langzaam verloopt en de groei diffusiegelimiteerd verloopt (DLA).  Als de diffusie langzaam is groeit een kristal naaldvormig, om bij materiaal te komen dat nodig is voor de groei (groter oppervlak) en ontstaat een dendritisch of skeletaal kristal.

De groei van het dendriet uitgaande van een primair koperkristal is schematisch weergegeven in onderstaande figuur.

 
 

Opmerkingen:

  • De gebruikte zoutzuur koopt men bij een supermarkt of bouwmarkt. Koop bij voorkeur kleurloos zoutzuur (schoner).
  • Bij de koperboom helpt het om de oplossing zeer lichtjes aan te zuren.

Literatuur:

  • "BINAS"; 1992; 3de druk; Wolters Noordhoff; ISBN 9001893724.
  • Font-Altaba, A. Macri; "Mineralogie - Wetenschap in Overzichten"; Van Goor Zonen; 1973; ISBN 9000018641; p. B1
  • Dr. F. Freese, Dr. W.E. van der Linden; "Elektrochemische Analysemethoden"; Agon Elsevier; 1971; ISBN 9010102408.
  • A. Morgan; "Op Avontuur in de elektrochemie"; Centrex; 1964.
  • Andrew Harrison; 'Fractals in Chemistry'; Oxford University Press; 1995; ISBN 0198557671; p. 39,40.
  • Ri Qiu, Hyun Gil Cha, Hui Bog Noh, Yoon Bo Shim, Xiao Li Zhang, Ru Qiao, Dun Zhang, Yeong Il Kim, Umapada Pal, and Young Soo Kang; "Preparation of Dendritic Copper Nanostructures and Their Characterization for Electroreduction"; J. Phys. Chem.; 113 2009; p. 15891-15896.
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics; 97th Ed;  2016.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Het maken van een permanent preparaat

  • Neem het objectglas met de benzoëzuur kristallen erop en plaats er een dekglaasje op.

  • Plak het dekglaasje vast met plakband zoals aangegeven in stap 3 en stap 4 in nevenstaand schema.

  • Gebruik een snijmes en eventueel een tweede objectglas om het overtollige plakband weg te snijden.

 

06/05/2019