Reageerbuis geologie

Datum: januari - oktober 2011

Principe:

Een geologisch proces nabootsen.

Materiaal:

  • Reageerbuizen
  • Filtreerpapier
  • Spijkers
  • Digitale camera
  • Kopersulfaat (CuSO4.5H2O)
  • Zout (NaCl)
  • Demi water
  • Stereo microscoop of digitale microscoop

Experimentele opstelling:

  • Plaats 1-2 cm kopersulfaat op de bodem van de reageerbuis
  • Voeg net genoeg water toe om de laag met water te verzadigen.
  • Knip een filtreerpapiertje dusdanig op maat zodat het precies in de reageerbuis past.
  • Plaats dit filtreerpapier op de kopersulfaat laag.
  • Plaats een zelfde hoeveelheid zout in de reageerbuis.
  • Voeg wederom net genoeg water toe om de zoutlaag te verzadigen.
  • Plaats wederom een passend filtreerpapiertje op de zoutlaag.
  • Plaats spijkers bovenop dit filtreerpapiertje met de kop omlaag.
     
  • Ik heb ook een controle experiment ingezet zonder de filtreerpapiertjes en waarbij zout en kopersulfaat al enigszins gemengd zijn.
     
  • Observeer.
  • Maak regelmagtig foto's.

Uitvoering en resultaten:

14-01-2011: rechter buis is controle experiment 14-01-2011: water toegevoegd aan controle experiment
15-01-2011 16-01-2011

17-01-2011 18-01-2011
19-01-2011
(rechter buis extra water toegevoegd)		 20-01-2011

 
Indien men maar lang genoeg wacht. Koper deposities uit reageerbuis gehaald.
Er vind onmiddellijk verkleuring plaats.
   

Op 15012011 heb ik een tweede experiment opgestart in een iets bredere testbuis.

  Wederom, na enige tijd wachten krijgt men prachtige structuren te zien.

Microscopische opnamen.

Gextraheerd materiaal Na enige tijd
Door het glas heen  

Discussie en conclusie:

Dit experiment is oorspronkelijk bedacht om het geologisch proces van minerale concentratie en depositie te demonstreren. De koperkristallen die opgekweekt worden in dit experiment vormen zich volgens een proces dat de werkelijkheid nagenoeg perfect nabootst. Dit proces is niet alleen verantwoordelijk voor de vorming van koper maar ook van andere materialen zoals goud, zilver en lood.

Mineralen vormen zich in de natuur als een oplossing waarin de minerale componenten zijn opgelost een nieuwe omgeving binnendringt. Dit nieuwe milieu veroorzaakt dan minerale depositie.

In dit experiment komen de koperionen in contact met de ijzeren spijkers, die dus het veranderende milieu leveren, resulterende in de vorming van koper kristallen.

De kopersulfaatlaag stelt het koper voor dat in aardlagen verspreid zit (in werkelijkheid in veel lagere concentraties). De zoutlaag wordt op de kopersulfaat geplaatst en vormt zo een fysieke barrière door welke de koperionen moeten migreren om in contact te komen met een reducerend medium. In dit geval het ijzer in de spijkers die op de zoutlaag geplaatst zijn. Het water zorgt ervoor dat de het kopersulfaat langzaam oplost waardoor koperionen gevormd worden die kunnen migreren. De koperionen diffunderen door de hele oplossing. Als dit gebeurt en de koperionen in contact met het elementaire ijzer (spijkers) worden de koperionen gereduceerd (nemen elektronen op) naar elementair koper. De ijzeratomen worden geoxideerd (verliezen elektronen) en gaan de oplossing in. Dit proces resulteert in de vorming van koperkristallen vanaf de bodem van een spijker als meer en meer koperionen gereduceerd worden. De zoutlaag dient nu als een medium waarin de koperkristallen kunnen groeien, zich verspreidende over een steeds groter oppervlak. 
 
Chemisch gezien hebben we hier met een typische redox reactie te maken nl:
Cu2+(aq) + Fe0(s) <=> Cu0(s) + Fe2+(aq)
Schrijven we de halfreacties op dan krijgen we:
Cu2+  +  2e-  -->  2Cu        Eo = +0.337 V
Fe --> Fe2+ + 2e-      Eo = -0.44 V
Aangezien dit een redox vergelijking is kunnen we de wet van Nernst toepassen:

pA + qB + … + ne <=> rC + sD + …

Eo is de normaalpotentiaal (V)
F = Faraday constante – 96500 C/eq
 T is de absolute temperatuur (K)
n = aantal elektronen die bij de reactie betrokken  zijn.
 Als P=1 atm en a=1 kan de Nernst vergelijking getransformeerd worden in de log vergelijking. Op deze manier kunnen we ook de evenwichtsconstante berekenen.
 

Hetgeen laat zien dat thermodynamisch gezien het reactie evenwicht richting kopervorming ligt.
 

Literatuur:

  • James A. Cortze, Dick Powell, Ed Mellon;'Test Tube Geology: A Slowly Developing Redox System for Class Study'; Journal of Chemical Education; 1988 4 65; p. 350,351.
  • Timothy John Corcoran; 'Grow Your Own Copper Deposit'; The Science Teacher; December 2009; p. 42-46.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Men kan in dit experiment ook de vorming van de dendrieten observeren. Hier zijn we in een eerder experimenten "Dendriet kristallen" al uitgebreid op ingegaan. Deze dendrieten zijn random fractals en kunnen beschreven worden met diffusie gelimiteerde aggregatie modellen (DLA). DLA is een proces waarbij deeltjes een "random walk" ondergaan die wordt bepaald door de Browniaanse beweging, vervolgens samensmelten en zo aggregaten van dit soort deeltjes vormen. De theorie is toepasbaar op vele systemen waar diffusie het primaire transport mechanisme vormt. Op bovenstaande pagina kan men computerprogramma's in VB en python vinden die de vorming van dit soort structuren nabootsen.

Achtergrondinformatie:

Koper is een metaal dat sinds de oudheid bekend is en voornamelijk wegens zijn geleidende eigenschappen wordt gebruikt. In legering met tin vormt het brons., dat voor vuurwapens en huishoudelijke voorwerpen wordt gebruikt. De primaire koperertsen bestaan vnl uit chalcopyriet (FeCuS2), uit verschillende sulfiden en uit koper- en ijzerhoudende verbindingen van zwavel en arsenicum. De secundaire ertsen, die door oxidatie zijn ontstaan, bestaan vnl uit secundaire sulfiden, chalcosien (Cu2S) en covellien (CuS), en uit basische carbonaten, malachiet (CuCO3[OH]2) en azuriet (Cu3[CO3]2[OH]2).
Chalcopyriet kristalliseert in kleine tetragonale kristallen van sfenoïde vorm die veel op tetraëders lijken. Het komt over het algemeen in compacte massa's voor, samen met andere koper- en ijzerertsen, of verspreid in kleine concentraties in grote pyrietmassa's. Het is geel en soms ook groenachtig van kleuren is dikwijls iriserend. Het is de meest voorkomende koperverbinding, hoewel niet de belangrijkste.
Malachiet komt voor in monokliene prismatische of tubulaire vormen, over het algemeen slecht gekristalliseerd. Het komt echter vaker in vormloze of pseudomorfe massa's voor. De kleur varieert van smaragdgroen tot zwartgroen en heeft een glasachtige glans. Het is vaak een bruikbaar kopererts en wordt gevonden in de oxidatiezone van koperhoudende ertsen.   

25/12/2011