En la amalgama de química física y analítica que llamamos el Laboratorio de Medición CH452 en NCSU, hemos hecho esta reacción muchas veces, ya sea como un experimento cinético de una tarde o como un proyecto cinético: colocamos un pequeño trozo de cobre en blanco en la escala de platino de un balance de análisis termogravimétrico (TGA) y aumentó la temperatura bajo flujo de nitrógeno puro a una temperatura de trabajo entre aproximadamente 450 y límite de 900 C. Una vez que la temperatura es estable, cambiamos a oxígeno puro o una mezcla seca de N2 y O2. Esto hace que una capa de Cu2O crezca en la superficie del metal. La cinética es inversa de primer orden, por lo que el grosor de la capa, que puede controlar por el aumento de peso, aumenta con la raíz cuadrada del tiempo. La capa que obtienes se ve gris, pero si la rascas obtienes un polvo rojo intenso que, utilizando la difracción de rayos X, invariablemente resultó ser Cu2O. Nunca CuO. La razón detrás de esta cinética particular es que los iones Cu +, en contraste con Cu2 +, son bastante móviles en un compuesto sólido. Esto les permite migrar desde el metal a través de la capa de óxido para combinarse con más oxígeno en la interfaz superior. De hecho, la capa de óxido funciona como un electrolito sólido con un potencial (electro) químico a través de ella, proporcionado por el reductor Cu en un lado y el oxidante O2 en el otro.
Nunca aumente la temperatura del experimento por encima de 900 ° C más o menos, porque entonces el cobre y el platino del soporte se encenderán para formar un óxido mixto de cobre y platino y esto no solo abortará la ejecución, sino que puede dañar el instrumento. Ciertamente significa que debe reemplazar el soporte de platino que es costoso.
Por debajo de unos 400 ° C, la reacción se vuelve muy muy lenta. Quizás allí podría formar algo de CuO, pero nunca hemos encontrado suficiente para demostrar su presencia con XRD, que en realidad tomaría muy poca muestra ya que el cobre se dispersa como el infierno.
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Creo que la razón por la cual la cinética triunfa sobre la termodinámica aquí es la naturaleza de los dos iones de cobre. Uno es un ion 3d10 que le gusta estar en una variedad de entornos de baja simetría, tetraédrica, triangular, ¿qué tiene? Por lo tanto, puede saltar de un entorno a otro y eso lo hace móvil incluso dentro de una red sólida. Las diferencias de energía entre los entornos son pequeñas: muchos pozos poco profundos en su camino.
El otro (Cu2 +) es 3d9 y es como un octaedro seriamente distorsionado, porque es un ion Jahn-Teller. Esto significa que es mucho más “exigente” con su entorno y la penalización energética por dejar su único pozo profundo es grande: no hay movilidad, por favor.
