【中2 理科 化学】 酸化銅の還元 (19分) - YouTube
銅の粉末を、ガスバーナーなどで高温になるまで加熱すると、真っ黒な固体に変化します 。この真っ黒な固体が、 酸化銅 なのです。銅が熱されることで、 空気中に存在する酸素と結合し、酸化物である酸化銅となります 。 酸化銅は、銅がもっていた金属光沢、電気伝導性、熱伝導性、展性、延性といった性質をすべて失っています 。つまり、酸化銅は表面が輝いておらず、電気や熱を伝えずらくなってしまうのですね。そして、展性や延性が失われることで、酸化銅はもろくなってしまいます。 酸化銅と銅の性質は正反対だ。 酸化銅の還元実験について学ぼう! それでは、 酸化銅の還元実験について詳しく学んでいきます 。端的に表現すると、 酸化銅の還元とは、酸化銅を銅に戻す反応のことです 。酸化銅を還元する方法はいくつか存在しますが、ここでは、代表的なものを3つ紹介します。 実験装置についてや化学変化の様子などに注目して、3つの酸化銅の還元方法について学んでみてください 。これらの実験について理解が深まれば、酸化銅の還元についての知識がしっかりと身に付きますよ。 炭素を用いる実験 image by Study-Z編集部 はじめに、 炭素を用いて酸化銅を還元する方法を紹介しますね 。 試験管の中に、酸化銅と粉末状の炭素を入れて、ガスバーナーなどで加熱します 。このようにすると、 試験管の中に金属光沢をもつ銅が生じます 。 酸化銅に含まれていた酸素が炭素によって、取り去られて、銅が試験管の中に残ったのですね 。このように、 何らかの物質を用いて酸化物から酸素を取り去ることで、還元反応を進行させるのです 。 炭素が酸化銅から酸素を取り去るとき、炭素と酸素は結合し、二酸化炭素になります。そのため、 試験管内から出てくる気体を導管に通して石灰水に送り込むと、石灰水は白く濁るのです 。発生した二酸化炭素は、空気中に放出されるので、試験管内に存在する物質の質量は減少します。 次のページを読む
炭素による酸化銅の還元 - YouTube
今回の論文は,この「電解による一酸化炭素の還元反応」において,「酸化銅を還元して作った銅ナノ粒子」が非常に優れた特性を示した,という報告である. 著者らが測定に用いたサンプルは3つ.最初の二つは酸化銅を還元したもので,銅のホイルを酸素で酸化,それを水中で電気化学的に還元したものと,水素により還元したもの.残る一つは対照実験用で,銅を蒸発させそれを吸着させることで作成したナノ粒子である.これら3つのサンプルはほぼ同じ粒径(30-100 nm程度と比較的大きい)のナノ粒子から出来ているが,その内部構造的にはやや異なっている.蒸着して作ったナノ粒子は非常に綺麗なナノ粒子が無数にくっついているだけなのだが,酸化銅を還元して作ると,大きな酸化銅の各所から還元が起こり銅ナノ粒子化するため,一つの粒子が複数のドメインを持ち,内部にいくつもの粒界(結晶格子の向きが違う複数の結晶の接合部)が存在している. これら3つのサンプルを用いて一酸化炭素の還元を行ったところ,劇的に違う結果が得られている.実験条件としては,0. 酸化銅の炭素による還元の実験動画 - YouTube. 1 mol/Lの水酸化カリウム溶液を1気圧の一酸化炭素雰囲気下に置き飽和させ,そこで電解を行った.これは通常行われる実験よりも一酸化炭素濃度がかなり低く,より実践的な条件である(この手の検証実験では,数気圧かけることも多い.当然,一酸化濃度が高い方が反応が起こりやすい). 酸化銅を還元して作った電極では,電位(電気化学で標準として用いられる可逆水素電極の電位を基準とし,それに対しての電位で測定する)を-0. 25 Vに落としただけで一酸化炭素の還元が進行し,酢酸およびエタノールが生成した.酸化銅の電解還元で作成した電極の方が活性が高く,流した電流の約50%がこれらの有機物を作るのに利用されるなどかなり活性が高い.水素還元した電極では30%程度が有機物の生成に使われた.一方,単なる銅ナノ粒子を用いた場合には水素ガスが主生成物であり,有機物の生成は検出されていない.さらに電極電位を下げて還元反応を促進すると効率は若干向上し,-0. 30 Vで55%程度(電解還元銅)および40%弱(水素還元銅),-0. 35 Vでは両者とも45%程度となった.電位を下げすぎると効率が下がるのは,一酸化炭素を低圧で使用しているため,電極での還元反応に対し一酸化炭素の溶液中での供給が間に合わず,仕方なく代わりの反応(水素イオンが還元され水素ガスが発生する反応)が進行してしまうためである.実際,より高圧の一酸化炭素を用いると,似たような効率を保ったままより大量の有機物を生成することが出来ている.一方の単なる銅ナノ粒子を電極に用いたものでは,電極電位を-0.
35)に掲載されました(DOI: 10. 1021/ acscatal. 0c04106 )。 図1. 酸化銅の炭素による還元映像 youtube. 表面増強赤外分光法(ATR-SEIRAS)よるメタンチオール分子(CH 3 SH)の脱離による銅電極上の粗さの増大とCu + の形成。両者の働きにより銅電極上でC2化合物の生成が促進される。 研究の背景 二酸化炭素の資源化は脱化石資源や地球温暖化の観点から、重要な研究開発テーマの一つとなっています。特に銅を電極とした二酸化炭素の還元反応では、エチレンやエタノールなどの C2 化合物が生成することが知られています。同研究グループは表面増強赤外分光法を用いて銅電極による二酸化炭素還元反応メカニズムについて明らかにしてきました(例えば ACS Catal., 2019, 9, 6305-6319. など)。銅電極による二酸化炭素の還元反応では電極上へのドープや分子修飾によるヘテロ原子の存在も重要であることが指摘されていましたが、ヘテロ原子がどのような役割を果たしているかについてはよくわかっておらず、銅電極を利用した戦略的なヘテロ原子の利用による二酸化炭素還元触媒電極を開発するためには、ヘテロ原子の役割を詳細に調べる必要がありました。 研究の内容・成果 本研究では、メタンチオール分子が修飾された銅電極表面で電気化学測定などと組み合わせた一連の表面分析測定(表面増強赤外分光測定、電子顕微鏡測定、微小角入射X線回折測定、X線光電子分光測定)を行うことで、還元反応における電極上の二酸化炭素およびメタンチオールの挙動を詳細に観測しました。何も修飾されていない銅電極による二酸化炭素還元反応との比較やDFT計算による解析から、負電位でのメタンチオールの電極表面からの脱離が電極表面の粗さを増大させること、また銅電極表面でのCu + の形成を促進することがわかりました( 図 2 )。両者の影響により、銅電極上で生成した二酸化炭素の還元生成物の一つである一酸化炭素(CO)が電極上で2量化し、エチレンやエタノールなどのC2化合物へ変換されやすくなることを明らかにしました。 図2.
"Electroreduction of carbon monoxide to liquid fuel on oxide-derived nanocrystalline copper" C. W. Li, J. Ciston and W. 炭素による酸化銅の還元 - YouTube. M. Kanan, Nature, 508, 504-507 (2014). 二酸化炭素や一酸化炭素から各種有機物を作ろうという研究が各所で行われている.こういった研究は廃棄されている二酸化炭素を有用な炭素源とすることでリサイクルしようという観点であったり,化石燃料の枯渇に備えた石油化学工業の代替手段の探索であったりもする.もう一つの面白い視点として挙げられるのが,不安定で利用しにくい再生可能エネルギーを液体化学燃料に変換することで,電力を貯蔵したり利用しやすい形に変換してしまおうというものである. よく知られているように,再生可能エネルギーによる発電には出力が不安定なものも多い.従って蓄電池など何らかの貯蔵システムが必要になるのだが,それを化学的なエネルギーとして蓄えてしまおうという研究が存在する.化学エネルギーはエネルギー密度が高く,小さな体積に膨大なエネルギーを貯蔵できるし,液体燃料であれば現状の社会インフラでも利用がしやすい.その化学エネルギーとしての蓄積先として,二酸化炭素を利用しようというのだ.二酸化炭素を水とエネルギーを用いて還元すると,一酸化炭素を経由してメタノールやエタノール,エタンやエチレンに酢酸といった比較的炭素数の少ない化合物を生成することが出来る. この還元反応の中でも,今回著者らが注目したのが電気化学的反応だ.水に二酸化炭素や一酸化炭素(および,電流を流すための支持電解質)がある程度溶けた状態で電気分解を行うと,適切な触媒があれば各種有機化合物が作成できる.電気分解を用いることにどんな利点があるかというのは最後に述べる. さてそんな電解還元であるが,二酸化炭素を一酸化炭素に還元する反応の触媒は多々あれども,一酸化炭素から各種有機物へと還元する際の触媒はほとんど存在せず,せいぜい銅が使えそうなことが知られている程度である.しかもその銅でさえ活性が低く,本来熱力学的に必要な電圧よりもさらに大きな負電圧をかけねばならず(これはエネルギー効率の悪化に繋がる),しかも副反応である水の電気分解(水素イオンの還元による水素分子の発生)の方が主反応になるという問題があった.何せ下手をすると流した電流の6-7割が水素の発生に使われてしまい,炭化水素系の燃料が生じるのが1割やそれ以下,などということになってしまうのだ.これでは液体燃料の生成手段としては難がありすぎる.
0gと過不足なく反応する炭素は何gか。このとき生じる二酸化炭素は何gか。 (4) 酸化銅80gと炭素12gを反応させたとき、試験管に残る固体の質量は何gか。 (5) 酸化銅120gと炭素6gを反応させたとき、試験管に残る固体の質量は何gか。 まず、与えられたグラフの意味はわかりますか?
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