Cuprospinel es un mineral que se encuentra naturalmente en Baie Verte , Terranova , Canadá . [1] El mineral fue encontrado en un expuesta mineral de volcado, en la propiedad de Consolidated Mines Limited Rambler cerca de Baie Verte, Newfoundland. El mineral fue caracterizado por primera vez por Ernest Henry Nickel , un mineralogista del Departamento de Energía, Minas y Recursos de Australia, en 1973. [7] [8]
Cuprospinel | |
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General | |
Categoría | Grupo espinela mineral óxido |
Fórmula (unidad de repetición) | CuFe 2 O 4 o (Cu, Mg) Fe 2 O 4 |
Clasificación de Strunz | 4.BB.05 |
Sistema de cristal | Isometrico |
Clase de cristal | Hexoctaédrico (m 3 m) Símbolo HM : (4 / m 3 2 / m) |
Grupo espacial | Grupo de espacio cúbico : F d 3 m |
Identificación | |
Masa de fórmula | 239,23 g / mol |
Color | Negro, gris en luz reflejada |
Hábito de cristal | Granos irregulares, láminas entrecruzadas con hematita |
Escala de Mohs de dureza | 6.5 |
Lustre | Metálico |
Racha | Negro |
Diafanidad | Opaco |
Gravedad específica | 5 - 5,2 |
Propiedades ópticas | Isotrópico |
Índice de refracción | n = 1,8 |
Referencias | [1] [2] [3] |
Nombres | |
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Nombre IUPAC Cobre (2+) bis [óxido (oxo) hierro | |
Otros nombres Óxido de hierro de cobre, cuprospinel, tetraóxido de diiron de cobre, ferrita de cobre | |
Identificadores | |
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ChemSpider | |
PubChem CID | |
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Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
( que es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Cuprospinel es una espinela inversa con la fórmula CuFe 2 O 4 , donde el cobre sustituye a algunos de los cationes de hierro en la estructura. [9] [10] Su estructura es similar a la de la magnetita , Fe 3 O 4 , pero con propiedades químicas y físicas ligeramente diferentes debido a la presencia de cobre.
Propiedades estructurales
El cuprospinel, como muchas otras espinelas, tiene la fórmula general AB 2 O 4 . Sin embargo, el cuprospinel es una espinela inversa en el sentido de que su elemento A , en este caso el cobre (Cu 2+ ), solo ocupa sitios octaédricos en la estructura y el elemento B , hierro (Fe 2+ y Fe 3+ ), se divide entre los sitios octaédricos y tetraédricos en la estructura. [11] [12] La especie Fe 2+ ocupará algunos de los sitios octaédricos y solo habrá Fe 3+ en los sitios tetraédricos. [11] [12] Cuprospinel adopta fases cúbica y tetragonal a temperatura ambiente , sin embargo, a medida que la temperatura se eleva, la forma cúbica es más estable. [9] [12]
Propiedades magnéticas
Las nanopartículas de CuFe 2 O 4 se caracterizaron como materiales superparamagnéticos con magnetización saturada de Ms = 49 emu g -1 , [13] magnetización remanente ( M r = 11,66 emu g -1 ) y coercitividad ( H c = 63,1 mT). [14] Las propiedades magnéticas de CuFe 2 O 4 han correlacionado el tamaño de las partículas. En particular, la disminución de la magnetización saturada y la remanencia corresponden a la disminución del tamaño de CuFe 2 O 4 , mientras que la coercitividad aumenta. [15]
Síntesis en fase sólida
La espinela CuFe 2 O 4 se sintetizó mediante síntesis en fase sólida a alta temperatura. En un procedimiento particular para este tipo de síntesis, la mezcla estequiométrica de Cu (CH 3 COO) 2 · y FeC 2 O 2 se trituró y se agitó en disolvente. Después de la evaporación del solvente, el polvo se calentó en un horno a temperatura constante alrededor de 900 ° C en un ambiente aire-atmósfera. Luego, la mezcla resultante se enfrió lentamente a temperatura ambiente para obtener una estructura estable de espinela. [15]
Síntesis hidrotermal
El método hidrotermal es ampliamente conocido como una forma eficaz de sintetizar óxido de espinela, especialmente para el óxido de hierro de cobre. Normalmente, se añadió NaOH gota a gota a una solución de Fe 3+ (Fe (NO 3 ) 3 o Fe (acac) 3 ) y Cu 2+ (Cu (NO 3 ) 2 o CuCl 2 ) en trietilenglicol a temperatura ambiente con constante agitando hasta que se formó por completo un precipitado de color negro rojizo. La mezcla resultante se colocó en un baño ultrasónico para mezclarla bien, seguido de calentamiento en un horno a alta temperatura. Los productos finales se lavaron luego en éter dietílico, acetato de etilo, etanol y agua desionizada y luego se secaron al vacío para obtener partículas de óxido. [16] [17] [18]
Usos
El cuprospinel se utiliza en varios procesos industriales como catalizador . Un ejemplo es la reacción de desplazamiento de agua-gas : [12]
- H 2 O (v) + CO (g) → CO 2 (g) + H 2 (g)
Esta reacción es particularmente importante para la producción y el enriquecimiento de hidrógeno .
El interés del cuprospinel surge porque la magnetita es un catalizador ampliamente utilizado para muchas reacciones químicas industriales, como el proceso de Fischer-Tropsch , el proceso de Haber-Bosch y la reacción de desplazamiento de agua-gas. Se ha demostrado que el dopaje de magnetita con otros elementos le confiere propiedades químicas y físicas diferentes; estas diferentes propiedades a veces permiten que el catalizador funcione de manera más eficiente. Como tal, el cuprospinel es esencialmente magnetita dopada con cobre y esto mejora las propiedades de cambio de gas de agua de la magnetita como catalizador heterogéneo. [19] [20]
Catalizador reciclable para reacciones orgánicas
En los últimos años, se han publicado varias investigaciones sobre la capacidad catalítica heterogénea de CuFe 2 O 4 en la síntesis orgánica, que van desde reacciones tradicionales hasta la transformación organometálica moderna. [21] Aprovechando las ventajas de la naturaleza magnética, el catalizador puede separarse simplemente mediante magnetismo externo, lo que puede superar la dificultad de separar el catalizador metálico nanoescalado de la mezcla de reacción. Particularmente, solo aplicando una barra magnética en el recipiente exterior, el catalizador se puede sostener fácilmente en el borde del recipiente mientras se eliminan la solución y las partículas de lavado. [13] Las partículas obtenidas se pueden utilizar fácilmente para los siguientes ciclos de catalizador. Además, el sitio catalítico se puede explotar en el centro de cobre o de hierro debido a la gran superficie de las nanopartículas, lo que da lugar a un amplio alcance para aplicar este material en varios tipos de reacciones. [17] [21]
Catalizador para reacción multicomponente (MCR)
Se utilizó nano CuFe 2 O 4 como catalizador en la síntesis en un recipiente de derivados de espirohexahidropirimidina que contienen flúor. También se observó que el catalizador se puede reutilizar cinco veces sin una pérdida significativa de actividad catalítica después de cada ejecución. En la reacción, el hierro juega un papel vital en coordinación con el grupo carbonilo para aumentar la propiedad electrofílica, lo que puede facilitar la condición de reacción y aumentar la velocidad de reacción. [17]
Otro ejemplo de MCR que utiliza CuFe 2 O 4 se publicó en una investigación sobre el acoplamiento A3 de aldehídos, amina con fenilacetileno para dar las propargilaminas correspondientes. El catalizador se puede reutilizar tres veces sin una reducción notable en el rendimiento de la reacción. [22]
Catalizador para acoplamiento cruzado de CO
Pallapothula y colaboradores demostraron que CuFe 2 O 4 es un catalizador eficaz para el acoplamiento cruzado de CO entre fenoles y haluros de arilo. El catalizador mostró una actividad superior en comparación con otros óxidos de nanopartículas como Co 3 O 4 , SnO 2 , Sb 2 O 3 . [24] Además, el catalizador puede beneficiarse de la aplicación de acoplamiento cruzado de CO en alcoholes alquílicos, lo que aumenta el alcance de la transformación. [25]
Catalizador para la activación de CH
El catalizador Nano CuFe 2 O 4 demostró su actividad para la activación de CH en una reacción de tipo Mannich. En el estudio mecanicista, el cobre juega un papel importante tanto en la generación de radicales de TBHP como en la activación de CH a partir de alquinos sustituidos. En esta reacción, el centro de hierro se consideró como una fuente magnética y esta hipótesis fue probada por el experimento, en el que se había utilizado Fe3O4 magnético pero no pudo catalizar la reacción en ausencia del centro de cobre. [dieciséis]
Otras reacciones
También se puede aplicar CuFe 2 O 4 para la α-arilación de escisión CC entre acetilacetona con yodobenceno. El producto de fenilacetona se obtuvo con un rendimiento excelente al 99% y se observó una selectividad del 95% para el producto principal en comparación con la 3-fenil-2,4-pentanodiona como subproducto. Se observaron los resultados de XRD que la estructura cristalina del catalizador permaneció sin cambios después de la sexta ejecución mientras que la actividad catalítica disminuye ligeramente al 97% de conversión en la ejecución final. En esta reacción, el estudio mecanicista mostró que el ciclo catalítico comenzaba de Cu II a Cu I y luego se oxidaba a Cu II por aril yodo. [13]
El papel del cobre se ha enfatizado aún más en la reacción de acoplamiento de fenoles orto-arilados y dialquilformamidas. Se observó que había una adición oxidativa de un solo electrón de cobre II al cobre III a través de una etapa de radicales, luego se transformó de nuevo en cobre I por eliminación reductora en presencia de oxígeno o peróxido. El catalizador se puede reutilizar 9 veces sin una pérdida significativa de actividades catalíticas. [26]
Efecto sinérgico de la actividad catalítica.
En particular, se demostró un efecto sinérgico para el caso de CuFe 2 O 4 en la reacción de Sonogashira. Tanto el centro de Fe como el de Cu contribuyen a la actividad catalítica de la transformación entre haluro de arilo y alquinos sustituidos. El producto se obtuvo con un rendimiento del 70% en presencia de Nano CuFe 2 O 4 , mientras que solo se observó un rendimiento del 25% y un rendimiento <1% cuando se usaron CuO y Fe 3 O 4 respectivamente. [27]
Referencias
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- ^ Mindat.org
- ^ Datos webmineral
- ^ SigmalAldrich
- ^ Chemspider
- ^ Pubchem
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