נחושת גופרתי: מבנה, תכונות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

גפרתי נחושת היא משפחה של תרכובות אנאורגניות שאת הנוסחה הכללית היא כימיה Cu _x S _ו . אם x גדול מ- y זה אומר שהגולפיד האמור עשיר יותר בנחושת מאשר בגופרית; ואם להפך, x קטן מ- y, הרי שהגופרית עשירה יותר בגופרית מאשר בנחושת.

בטבע שולטים מינרלים רבים המייצגים מקורות טבעיים לתרכובת זו. כמעט כולם עשירים יותר בנחושת מאשר בגופרית, והרכבם מתבטא ומפשט על ידי הנוסחה Cu _x S; כאן x יכול אפילו לקחת ערכים שברים, מה שמעיד על מוצק לא-סטיכיומטרי (Cu _1.75 S, למשל).

דגימה של מינרל קובוליט, אחד המקורות הטבעיים הרבים של גופרת נחושת. מקור: ג'יימס סנט ג'ון

הגופרית אמנם צהובה במצבה היסודי, אך לתרכובות הנגזרות שלה צבעים כהים; כך גם במקרה של גופרת נחושת. עם זאת, הקובליט המינרלי (תמונה עליונה), המורכב בעיקר מ- CuS, מציג ברק מתכתי ואירזנציות כחלחלות.

ניתן להכין אותם ממקורות שונים של נחושת וגופרית, תוך שימוש בטכניקות שונות ומשתנים את פרמטרי הסינתזה. כך תוכלו להשיג חלקיקי CuS עם מורפולוגיות מעניינות.

מבנה גופרית נחושת

קישורים

למתחם זה נראה כאילו הוא גבישי, כך שניתן לחשוב עליו מייד כמורכב מיונים Cu ⁺ (נחושת חד-פעמית), Cu ²⁺ (נחושת דו-ערכית), S ^2- וכולל, S ₂ ^- ו- S ₂ ^{2 -} (אניונים דיסולפידיים), המקיימים אינטראקציה דרך כוחות אלקטרוסטטיים או מליטה יונית.

עם זאת, יש אופי קוולנטי קל בין Cu ל- S, ולכן לא ניתן לשלול את הקשר Cu-S. מנימוק זה, מבנה הגביש של CuS (ושל כל המוצקים הנגזרים שלו) מתחיל להיות שונה מאלה שנמצאו או מאופיינים לתרכובות יוניות או קוולנטיות אחרות.

במילים אחרות, איננו יכולים לדבר על יונים טהורים, אלא שבאמצע האטרקציות שלהם (קטיון-אניון) יש חפיפה קלה בין האורביטלים החיצוניים שלהם (שיתוף אלקטרונים).

תיאומים ב- la covelita

מבנה קריסטל של קובוליט. מקור: Benjah-bmm27.

לאחר האמור לעיל, מבנה הגביש של הקובליט מוצג בתמונה העליונה. הוא מורכב מגבישים משושים (המוגדרים על ידי הפרמטרים של תאי היחידה שלהם), בהם היונים מתאחדים ומכוונים את עצמם בקואורדינציות שונות; אלה, עם מספר מגוון של שכנים קרובים.

בתמונה מיצי נחושת מיוצגים על ידי כדורים ורודים ואילו יוני גופרית מיוצגים על ידי כדוריים צהובות.

תוך התמקדות ראשונה בתחומים הוורודים, יצוין כי חלקם מוקפים על ידי שלושה כדורים צהובים (תיאום מטוס טריגונאלי) ואחרים על ידי ארבעה (תיאום טטרהדראלי).

ניתן לזהות את הסוג הראשון של הנחושת, טריגונאלית, במישורים הניצב לפנים המשושים הפונים אל הקורא, בו הסוג השני של הפחמן, הטטרהדרלי, בתורו.

כשהם פונים כעת לתחומים הצהובים, לחלקם יש חמש כדורים ורודים כשכנים (תיאום דו-פירמידה טריגונאלי), ואחרים שלושה וכדור צהוב (שוב, תיאום טטרדהרי); באחרון, אנו עומדים בפני אניון הדיסולפיד, שניתן לראות למטה ובתוך אותו מבנה של הקובליט:

תיאום טטרהדראלי של אניון הדיסולפיד בקובליט. מקור: Benjah-bmm27.

נוסחה אלטרנטיבית

יש אז יונים Cu ²⁺ , Cu ⁺ , S ^2- ו- S ₂ ^2- . עם זאת, מחקרים שנערכו עם ספקטרוסקופיה פוטו-אלקטרונית רנטגן (XPS) מצביעים על כך שכל הנחושת היא כקטיון Cu ⁺ ; ולכן הנוסחה הראשונית CuS, באה לידי ביטוי "טוב יותר" כ- (Cu ⁺ ) ₃ (S ²⁻ ) (S ₂ ) ^- .

שימו לב שיחס ה- Cu: S עבור הנוסחה לעיל נשאר 1, ויתרה מכך החיובים מבטלים.

גבישים אחרים

גופרית נחושת יכולה לאמץ גבישים אורתורומביים, כמו בפולימורף, γ-Cu ₂ S, של כלקוציט; מעוקב, כמו בפולימורף אחר של כלקוציט, α-Cu ₂ S; טטרגון, במינרלית האנילית, Cu _1.75 S; monoclinics, ב djurleite, Cu _1.96 S, בין היתר.

לכל קריסטל מוגדר יש מינרל, ובתורו, לכל מינרל מאפיינים ותכונות משלו.

נכסים

כללי

תכונותיו של גופרת נחושת כפופות ליחס ה- Cu: S של המוצקים שלו. לדוגמא, לאלה המציגים אניונים S ₂ ^2- יש מבנים משושים, ויכולים להיות מוליכים למחצה או מוליכים מתכתיים.

אם לעומת זאת, תכולת הגופרית מורכבת אך ורק ^{מאנונים} S ^2- , הרי הגולפידים מתנהגים כמוליכים למחצה, ומציגים גם מוליכות יונית בטמפרטורות גבוהות. הסיבה לכך היא שהיונים שלו מתחילים לרטוט ולנוע בתוך הגבישים, ובכך נושאים מטענים חשמליים.

באופן אופטי, למרות שזה תלוי גם בהרכב הנחושת והגופרית שלהם, סולפידים עשויים לספוג קרינה באזור האינפרא אדום של הספקטרום האלקטרומגנטי. מאפיינים אופטיים וחשמליים אלו הופכים את החומרים הפוטנציאליים ליישום במגוון מכשירים שונים.

משתנה נוסף שיש לקחת בחשבון, בנוסף ליחס ה- Cu: S, הוא גודל הגבישים. לא רק שיש יותר גופרית נחושת "גופרית" או "גמישה", אלא שמימדי הקריסטלים שלהם משפיעים באופן לא מדויק על תכונותיהם; לפיכך, מדענים להוטים ללמוד ולחפש יישומים עבור חלקיקים Cu _x S _y .

קובליט

לכל מינרל או גופרת נחושת יש תכונות ייחודיות. עם זאת, מכולם, קובליט היא המעניינת ביותר מבחינה מבנית ואסתטית (בגלל אירזנטיות וגווני הכחול שלה). לכן, חלק מתכונותיו מוזכרים להלן.

מסה מולארית

95.611 גרם / מול.

צְפִיפוּת

4.76 גרם / מ"ל.

נקודת המסה

500 מעלות צלזיוס; אבל זה נשבר.

מסיסות במים

3.3 · 10 ^-5 גרם / 100 מ"ל בטמפרטורה של 18 מעלות צלזיוס.

יישומים

חלקיקים ננו ברפואה

לא רק גודל החלקיקים משתנה עד שהם מגיעים לממדים ננומטריים, אלא גם המורפולוגיות שלהם יכולות להשתנות מאוד. כך, גופרת נחושת יכולה ליצור ננו-ספירות, מוטות, צלחות, סרטים דקים, כלובים, כבלים או צינורות.

חלקיקים אלה והמורפולוגיות האטרקטיביות שלהם רוכשים יישומים פרטניים בתחומי רפואה שונים.

לדוגמא, ננו-עוקבים או תחומים ריקים יכולים לשמש כנשאי תרופות בגוף. ננו-ספירות שימשו, הנתמכות על ידי אלקטרודות זכוכית מפחמן וננו-צינורות פחמן, כדי לתפקד כגלאי גלוקוז; כמו כן האגרגטים שלו רגישים לגילוי ביומולקולות כמו DNA.

צינורות CuS טובים בהשוואה לננו-ספירות בגילוי גלוקוז. בנוסף לביומולקולות אלה תוכננו חיישני חיסון מסרטי CuS דקים ותומכים מסוימים לגילוי פתוגנים.

ננו-גבישים ואגרגטים אמורפיים של CuS יכולים אף לגרום לאפופטוזיס של תאי סרטן, מבלי לגרום נזק לתאים בריאים.

ננו-מדע

בחלק התחתון הקודם נאמר שהננו-חלקיקים שלו היו חלק מסנסורים ביולוגיים ואלקטרודות. בנוסף לשימושים מסוג זה, מדענים וטכנאים ניצלו גם את תכונותיו לתכנון תאים סולאריים, קבלים, סוללות ליתיום וזרזים לתגובות אורגניות מאוד ספציפיות; אלמנטים הכרחיים במדעי הננו.

כמו כן, ראוי להזכיר שכאשר תומכים בפחמן פעיל, ערכת ה- NpCuS-CA (CA: Activated Carbon, ו- Np: Nanoparticles) הוכיחה כי היא משמשת כמסיר של צבעים המזיקים לבני אדם, ולכן היא פועלת כמטהר של מקורות של מים סופגים מולקולות לא רצויות.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). נחושת גופרתי. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. איבן גרוזדנוב ומטודיה נג'דוסקי. (אלף תשע מאות תשעים וחמש). מאפיינים אופטיים וחשמליים של סרטי נחושת גופרתיים בעלי הרכב שונה. כתב העת לכימיה של מצב מוצק כרך 114, גיליון 2, 1 בפברואר 1995, עמודים 469-475. doi.org/10.1006/jssc.1995.1070
4. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). נחושת גופרתי (CuS). מאגר PubChem. CID = 14831. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. פיטר א. עג'יבדה וננדיפה ל. בוטה. (2017). סינתזה, מאפיינים אופטיים ומבניים
6. של ננו-גבישים נחושת גופרתיים ממבשרי מולקולות בודדות. המחלקה לכימיה, אוניברסיטת פורט האר, תיק פרטי X1314, אליס 5700, דרום אפריקה. ננו-חומרים, 7, ​​32.
7. שיתוף פעולה: מחברים ועורכי הכרכים III / 17E-17F-41C (nd). מבנה גבישי נחושת (Cu2S, Cu (2-x) S), פרמטרים סריג. בתוך: Madelung O., Rössler U., Schulz M. (עורכים) אלמנטים קשורים לא-טרטרדרלים ותרכובות בינאריות I. Landolt-Childrenstein- קבוצה III חומר מעובה (נתונים מספריים ויחסים פונקציונליים במדע וטכנולוגיה), כרך 41 ג. שפרינגר, ברלין, היידלברג.
8. Momtazan, F., Vafaei, A., Ghaedi, M. et al. ג'ורג 'כימאי, הקוריאני (2018). יישום של חלקיקי ננו-נחושת גופרתיים טעונים פחמן פעיל לספיחה סימולטנית של צבעי טרנארי: מתודולוגיית פני תגובה. 35: 1108. doi.org/10.1007/s11814-018-0012-1
9. גואל, ס., חן, פ., וקאי, וו. (2014). סינתזה ויישומים ביו-רפואיים של חלקיקי ננו-נחושת גופרתיים: מחיישנים ועד תרנוסטיקה. קטן (וויינהיים an der Bergstrasse, גרמניה), 10 (4), 631–645. doi: 10.1002 / smll.201301174