KOPERSULFIDE: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

Het kopersulfide is een familie van anorganische verbindingen waarvan de algemene formule Cu-chemie _x S _{en is} . Als x groter is dan y, betekent dit dat het sulfide rijker is aan koper dan aan zwavel; en als daarentegen x kleiner is dan y, dan is de zwavel rijker aan zwavel dan aan koper.

In de natuur overheersen talrijke mineralen die natuurlijke bronnen van deze verbinding vertegenwoordigen. Ze zijn bijna allemaal rijker aan koper dan aan zwavel, en hun samenstelling wordt uitgedrukt en vereenvoudigd door de formule Cu _x S; hier kan x zelfs fractionele waarden aannemen, indicatief voor een niet-stoichiometrische vaste stof (bijvoorbeeld Cu _1,75 S).

Een staal van covellietmineraal, een van de vele natuurlijke bronnen van kopersulfide. Bron: James St. John

Hoewel zwavel geel is in zijn elementaire toestand, hebben de daarvan afgeleide verbindingen donkere kleuren; Dit is ook het geval met kopersulfide. Het mineraal coveliet (bovenste afbeelding), dat voornamelijk is samengesteld uit CuS, vertoont metaalglans en blauwachtige irisatie.

Ze kunnen worden bereid uit verschillende bronnen van koper en zwavel, met behulp van verschillende technieken en met verschillende syntheseparameters. U kunt dus CuS-nanodeeltjes met interessante morfologieën verkrijgen.

Structuur van kopersulfide

Links

Deze verbinding lijkt kristallijn te zijn, dus het kan onmiddellijk worden gezien als samengesteld uit ionen Cu ⁺ (eenwaardig koper), Cu ²⁺ (tweewaardig koper), S ^2- en, inclusief, S ₂ ^- en S ₂ ^{2 -} (disulfide-anionen), die interageren door elektrostatische krachten of ionische binding.

Er is echter een licht covalent karakter tussen Cu en S, en daarom kan de Cu-S-binding niet worden uitgesloten. Vanuit deze redenering begint de kristalstructuur van CuS (en die van al zijn afgeleide vaste stoffen) te verschillen van die gevonden of gekarakteriseerd voor andere ionische of covalente verbindingen.

Met andere woorden, we kunnen niet spreken van zuivere ionen, maar eerder dat in het midden van hun aantrekkingen (kation-anion) er een lichte overlap is van hun externe orbitalen (elektronendeling).

Coördinaties in la covelita

Kristalstructuur van covelliet. Bron: Benjah-bmm27.

Dit gezegd hebbende, wordt de kristalstructuur van het coveliet weergegeven in de bovenste afbeelding. Het bestaat uit hexagonale kristallen (bepaald door de parameters van hun eenheidscellen), waarin de ionen zich verenigen en zich oriënteren in verschillende coördinaties; dit zijn, met een gevarieerd aantal naaste buren.

In de afbeelding worden koperionen weergegeven door roze bollen, terwijl zwavelionen worden weergegeven door gele bollen.

Als we ons eerst concentreren op de roze bollen, zal worden opgemerkt dat sommige worden omgeven door drie gele bollen (coördinatie in het trigonale vlak) en andere door vier (tetraëdrische coördinatie).

Het eerste type koper, trigonaal, kan worden geïdentificeerd in de vlakken loodrecht op de zeshoekige vlakken die naar de lezer zijn gericht, waarin het tweede type koolstof, tetraëdrisch, op zijn beurt is.

Als we ons nu wenden tot de gele bollen, sommige hebben vijf roze bollen als buren (trigonale bipiramidecoördinatie), en andere drie en een gele bol (nogmaals, tetraëdrische coördinatie); In het laatste geval worden we geconfronteerd met het disulfide-anion, dat onder en binnen dezelfde structuur van het coveliet te zien is:

Tetraëdrische coördinatie van het disulfide-anion in covelliet. Bron: Benjah-bmm27.

Alternatieve formule

Er zijn dan ionen Cu ²⁺ , Cu ⁺ , S ^2- en S ₂ ^2- . Studies die zijn uitgevoerd met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS), geven echter aan dat al het koper als Cu ⁺ kationen is ; en daarom wordt de beginformule CuS, "beter" uitgedrukt als (Cu ⁺ ) ₃ (S ²⁻ ) (S ₂ ) ^- .

Merk op dat de Cu: S-verhouding voor de bovenstaande formule 1 blijft, en bovendien worden de kosten geannuleerd.

Andere kristallen

Een kopersulfide kan orthorhombische kristallen aannemen, zoals in de polymorf, γ-Cu ₂ S, van chalcociet; kubisch, zoals in een andere polymorf van chalcociet, α-Cu ₂ S; tetragonaal, in het mineraal aniliet, Cu _1,75 S; monoklinieken, in djurleiet, Cu _1,96 S, onder anderen.

Voor elk gedefinieerd kristal is er een mineraal, en op zijn beurt heeft elk mineraal zijn eigen kenmerken en eigenschappen.

Eigendommen

Algemeen

De eigenschappen van kopersulfide zijn onderhevig aan de Cu: S-verhouding van zijn vaste stoffen. Die welke S ₂ ^2- anionen bevatten, hebben bijvoorbeeld hexagonale structuren en kunnen halfgeleiders of metalen geleiders zijn.

Wanneer daarentegen het zwavelgehalte enkel van S ^2- anionen , sulfiden gedragen als halfgeleiders, en ook ionische geleidbaarheden bij hoge temperaturen. Dit komt doordat de ionen beginnen te trillen en in de kristallen te bewegen, waardoor ze elektrische ladingen dragen.

Optisch gezien, hoewel het ook afhangt van hun koper- en zwavelsamenstelling, kunnen sulfiden al dan niet straling absorberen in het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum. Deze optische en elektrische eigenschappen maken het potentiële materialen die kunnen worden geïmplementeerd in verschillende soorten apparaten.

Een andere variabele waarmee rekening moet worden gehouden, naast de Cu: S-verhouding, is de grootte van de kristallen. Er zijn niet alleen meer ‘zwavel’ of ‘koperachtige’ kopersulfiden, maar de afmetingen van hun kristallen geven een onnauwkeurig effect op hun eigenschappen; Wetenschappers zijn dus gretig om toepassingen voor Cu _x S _y nanodeeltjes te bestuderen en te zoeken .

Coveliet

Elk mineraal of kopersulfide heeft unieke eigenschappen. Van allemaal is coveliet echter het meest interessant vanuit een structureel en esthetisch oogpunt (vanwege zijn irisatie en blauwe tinten). Daarom worden enkele van de eigenschappen hieronder vermeld.

Molaire massa

95.611 g / mol.

Dichtheid

4,76 g / ml.

Smeltpunt

500 ° C; maar het valt uiteen.

Oplosbaarheid in water

3,3 · ^10-5 g / 100 ml bij 18 ° C

Toepassingen

Nanodeeltjes in de geneeskunde

Niet alleen varieert de grootte van de deeltjes totdat ze nanometrische afmetingen bereiken, maar ook hun morfologieën kunnen sterk fluctueren. Kopersulfide kan dus nanobolletjes, staven, platen, dunne films, kooien, kabels of buizen vormen.

Deze deeltjes en hun aantrekkelijke morfologieën krijgen individuele toepassingen in verschillende medische domeinen.

Nanokooien of lege bollen kunnen bijvoorbeeld dienen als medicijndragers in het lichaam. Er zijn nanobolletjes gebruikt, ondersteund door koolstofglaselektroden en koolstofnanobuisjes, om te functioneren als glucosedetectoren; evenals zijn aggregaten zijn gevoelig voor de detectie van biomoleculen zoals DNA.

CuS-nanobuisjes presteren beter dan nanobolletjes bij het detecteren van glucose. Naast deze biomoleculen zijn immunosensoren ontworpen van dunne CuS-films en bepaalde dragers voor de detectie van pathogenen.

Nanokristallen en amorfe aggregaten van CuS kunnen zelfs apoptose van kankercellen veroorzaken, zonder schade aan gezonde cellen te veroorzaken.

Nanowetenschap

In de vorige paragraaf werd gezegd dat de nanodeeltjes ervan deel uitmaakten van biosensoren en elektroden. Naast dergelijke toepassingen hebben wetenschappers en technici ook gebruik gemaakt van zijn eigenschappen om zonnecellen, condensatoren, lithiumbatterijen en katalysatoren te ontwerpen voor zeer specifieke organische reacties; Onmisbare elementen in nanowetenschap.

Het is ook vermeldenswaard dat wanneer ondersteund op actieve kool, de NpCuS-CA-set (CA: actieve kool en Np: nanodeeltjes) bleek te dienen als een verwijderaar van kleurstoffen die schadelijk zijn voor de mens en daarom werkt als een zuiveraar van bronnen van water dat ongewenste moleculen absorbeert.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Kopersulfide. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Ivan Grozdanov en Metodija Najdoski. (negentienvijfennegentig). Optische en elektrische eigenschappen van kopersulfidefilms met een variabele samenstelling. Journal of Solid State Chemistry Volume 114, Issue 2, 1 februari 1995, pagina's 469-475. doi.org/10.1006/jssc.1995.1070
4. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Kopersulfide (CuS). PubChem-database. CID = 14831. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peter A. Ajibade en Nandipha L. Botha. (2017). Synthese, optische en structurele eigenschappen
6. van kopersulfide-nanokristallen uit voorlopers van één molecuul. Department of Chemistry, University of Fort Hare, Private Bag X1314, Alice 5700, Zuid-Afrika. Nanomaterialen, 7, 32.
7. Samenwerking: Auteurs en redacteuren van de delen III / 17E-17F-41C (zd). Kopersulfiden (Cu2S, Cu (2-x) S) kristalstructuur, roosterparameters. In: Madelung O., Rössler U., Schulz M. (eds) Niet-tetraëdrisch gebonden elementen en binaire verbindingen I.Landolt-Börnstein- Group III Condensed Matter (Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology), deel 41C. Springer, Berlijn, Heidelberg.
8. Momtazan, F., Vafaei, A., Ghaedi, M. et al. Koreaans J. Chem. Eng. (2018). Toepassing van met kopersulfide nanodeeltjes beladen actieve kool voor gelijktijdige adsorptie van ternaire kleurstoffen: responsoppervlakte-methodologie. 35: 1108. doi.org/10.1007/s11814-018-0012-1
9. Goel, S., Chen, F., & Cai, W. (2014). Synthese en biomedische toepassingen van kopersulfide nanodeeltjes: van sensoren tot theranostics. Klein (Weinheim an der Bergstrasse, Duitsland), 10 (4), 631–645. doi: 10.1002 / smll.201301174