Poster Inorganica

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INTRODUCCIÓN La resistividad eléctrica de muchos metales y aleaciones cae repentinamente a cero cuando la muestra se enfría hasta una temperatura suficientemente baja, que frecuentemente es una temperatura del orden del helio líquido. Este fenómeno denominado superconductividad, fue observado por primera vez por Kamerlingh Onnes en Leiden en 1911, tres años después que obtuviese helio líquido por primera vez. Posteriormente se vio que muchos de los materiales superconductores repelían un campo magnético: o sea el efecto Meissner. En 1986 Paul Chu y Maw-Kuen Wu, sintetizaron un compuesto, YBa2Cu3O7, que es un superconductor por arriba de los 77 K. La estructura de YBa2Cu3O7 esta relacionada con una importante clase de minerales llamados perovskitas (ver imagen 1). Estos minerales contienen tres átomos de oxígeno por cada dos átomos metálicos en su celda unidad, por lo tanto debería tener 9 átomos de oxígeno si se tratara de una perovskita ideal. Éste compuesto tiene una estructura derivada de la perovskita (ver imagen 2), en donde se apilan tres celdas unitarias de perovskita y se sustituyen los iones B por iones cobre (II) o cobre (III), los iones A superior e inferior por iones bario, y el ion A central por un ion itrio. Como esto da una fórmula errónea, se eliminan ocho iones oxigeno compartidos en las aristas. El objetivo de ésta síntesis fue obtener el compuesto a partir de Y 2 O 3 , BaCO 3 y CuO empleando una ruta térmica, el cual fue analizado por difracción de rayos X, prueba de nitrógeno líquido y análisis cualitativo de cobre en la estructura final. PROCEDIMIENTO Se pesó 1,05 g de Y 2 O 3 , 3,9 g de BaCO 3 y 2,4 g de CuO, se mezclaron y maceraron por un tiempo aproximado de 20 minutos hasta obtener una mezcla homogénea de color gris oscuro. Seguidamente se elaboraron pastillas y éstas fueron llevadas a la mufla por un tiempo total de 16 horas a 900°C. El proceso de calcinación no se hizo de forma continua, se dividió en dos etapas de 8 horas cada una. Una vez terminado el proceso de calcinación no hubo un cambio significativo en el color del producto, del cual una parte se llevo a analizar por difracción de rayos X. Al analizar el espectro de difracción de rayos X empleando el soſtware DIFC.EVA se encontró que el producto obtenido de la calcinación presentaba varias fases, las cuales se identificaron y se observan en el espectro de difracción. La presencia de varios compuestos en el producto final, se debe a que gran parte de ellos no reaccionaron, hay reacciones secundarias entre ellos debido a las condiciones en las que se realizó el experimento se favorece la formación de otros compuestos menos el deseado. Y lo podemos observar a través de tres reacciones principales producidas durante el proceso de calcinación. Estas son: 1. Descomposición del BaCO 3 en BaO sólido y CO 2 gaseoso 2. BaCO 3 sólido reacciona con CuO para formar CO 2 y BaCuO 2 3. BaCuO 2 reacciona con Y 2 O 3 y CuO para formar YBa 2 Cu 3 O 7-x y oxígeno gaseoso. En esta última etapa es importante que la muestra este en contacto con una alta concentración de oxigeno, ya que éste ayuda a estabilizar la estructura. Para comprobar si el producto obtenido presentaba características de superconductor se realizó la prueba con nitrógeno liquido. En esta prueba se ubicó sobre el producto obtenido un imán y seguido a esto se agregó nitrógeno liquido hasta cubrir completamente el producto. No se observó levitación del imán sobre este, lo que nos indica que el producto obtenido no presenta propiedades superconductoras. Para el análisis cualitativo de cobre se tomaron 0,5 g del producto de la calcinación y se disolvieron en 30 mL de HCl 1M y se procedió a calentar la solución. Este análisis no se realizó, ya que se debía obtener una solución azul después de calentar, que indican la presencia de Cu +2 . Como se observa en la imagen 7, a medida que transcurre el tiempo la intensidad del color aumentaba, lo que indica que se formó el complejo [CuCl 4 ] -2 , debido a la alta concentración de iones Cl - en la solución provenientes del HCl, como se observa en la reacción . Este complejo exhibe un color verde y aumenta su intensidad a medida que se calienta. CONCLUSIONES • A pesar de que la mezcla de óxidos y carbonato no se sometió al tratamiento térmico en su totalidad, se logró obtener el compuesto YBa 2 Cu 3 O 7-x, , el cual fue identificado en el difractograma, a pesar de la existencia de otros productos. El material obtenido no presenta propiedades superconductoras, debido a que presenta muchas impurezas y probablemente no se logró estabilizar su estructura debido al poco tratamiento térmico y la ausencia de una fuente oxígeno. BIBLIOGFIA Superconductor de Alta Temperatura, YBa 2 Cu 3 O 7-x Cristian Fernando Martinez Camacho ; Luz Miriam Florez Parra Universidad Industrial de Santander Facultad de Ciencias Básicas Escuela de Química Imagen 2. Estructura cristalina de YBa 2 Cu 3 O 7 . Imagen tomada de internet. Imagen 1. Celda unidad Perovskita tipo ABX 3 . Imagen tomada de Química Inorgánica. Schriver & Atkins. 1,05 g de Y 2 O 3 3,9 g de BaCO 3 2,4 g de CuO (1) Macerar (2) Aplicar presión (3) Calentada al aire 900 °C ; 16 horas Superconductor YBa 2 Cu 3 O 7-x Relación atómica Y:Ba:Cu = 1:2:3 Esquema 1. Procedimiento empleado en la obtención del superconductor 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Counts 20 30 40 50 60 70 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) Espectro de difracción de rayos X del compuesto obtenido. BaCO 3 PDF 05-0378 CuO PDF 05-0661 Y 2 O 3 PDF 25-1200 Y 2 Cu 2 O 5 PDF 81-0703 YBa 2 Cu 3 O 7,34 PDF 78-2210 (3) Calentada en aire 900 °C ; 16 horas Imagen 3. Mezcla de óxidos para llevar a la mufla Imagen 4. Producto obtenido de la calcinación. Imagen 5. Producto obtenido de la calcinación. Imagen 6. Producto obtenido de la calcinación y después de agregar nitrógeno líquido. 20 minutos Δ 20 minutos Δ Imagen 7. Análisis cualitaivo de cobre. En la imagen (a) se observa el producto obtenido disuelto en HCl . En (b) y (c) el producto se sometió a calentamiento constante. (a) (b) (c) [Cu(H 2 O) 6 ] +2 (aq) + 4 Cl - (aq) [CuCl 4 ] -2 (aq) + 6H 2 O (l)

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INTRODUCCIÓNLa resistividad eléctrica de muchos metales y aleaciones cae repentinamente a cero cuando la muestra se enfría hasta una temperatura su� cientemente baja, que frecuentemente es una temperatura del orden del helio líquido. Este fenómeno denominado superconductividad, fue observado por primera vez por Kamerlingh Onnes en Leiden en 1911, tres años después que obtuviese helio líquido por primera vez. Posteriormente se vio que muchos de los materiales superconductores repelían un campo magnético:

o sea el efecto Meissner. En 1986 Paul Chu y Maw-Kuen Wu, sintetizaron un compuesto, YBa2Cu3O7, que es un superconductor por arriba de los 77 K. La estructura de YBa2Cu3O7 esta relacionada con una importante clase de minerales llamados perovskitas (ver imagen 1). Estos minerales contienen tres átomos de oxígeno por cada dos átomos metálicos en su celda unidad, por lo tanto debería tener 9 átomos de oxígeno si se tratara de una perovskita ideal.Éste compuesto tiene una estructura derivada de la perovskita (ver imagen 2), en donde se apilan tres celdas unitarias de perovskita y se sustituyen los iones B por iones cobre (II) o cobre (III), los iones A superior e inferior por iones bario, y el ion A central por un ion itrio. Como esto da una fórmula errónea, se eliminan ocho iones oxigeno compartidos en las aristas.

El objetivo de ésta síntesis fue obtener el compuesto a partir de Y2O3, BaCO3 y CuO empleando una ruta térmica, el cual fue analizado por difracción de rayos X, prueba de nitrógeno líquido y análisis cualitativo de cobre en la estructura � nal.

PROCEDIMIENTO

Se pesó 1,05 g de Y2O3, 3,9 g de BaCO3 y 2,4 g de CuO, se mezclaron y maceraron por un tiempo aproximado de 20 minutos hasta obtener una mezcla homogénea de color gris oscuro. Seguidamente se elaboraron pastillas y éstas fueron llevadas a la mu� a por un tiempo total de 16 horas a 900°C. El proceso de calcinación no se hizo de forma continua, se dividió en dos etapas de 8 horas cada una.

Una vez terminado el proceso de calcinación no hubo un cambio signi� cativo en el color del producto, del cual una parte se llevo a analizar por difracción de rayos X.

Al analizar el espectro de difracción de rayos X empleando el so� ware DIF� C.EVA se encontró que el producto obtenido de la calcinación presentaba varias fases, las cuales se identi� caron y se observan en el espectro de difracción. La presencia de varios compuestos en el producto � nal, se debe a que gran parte de ellos no reaccionaron, hay reacciones secundarias entre ellos debido a las condiciones en las que se realizó el experimento se favorece la formación de otros compuestos menos el deseado. Y lo podemos observar a través de tres reacciones principales producidas durante el proceso de calcinación. Estas son:1. Descomposición del BaCO3 en BaO sólido y CO2 gaseoso2. BaCO3 sólido reacciona con CuO para formar CO2 y BaCuO2

3. BaCuO2 reacciona con Y2O3 y CuO para formar YBa2Cu3O7-x y oxígeno gaseoso.En esta última etapa es importante que la muestra este en contacto con una alta concentración de oxigeno, ya que éste ayuda a estabilizar la estructura.

Para comprobar si el producto obtenido presentaba características de superconductor se realizó la prueba con nitrógeno liquido. En esta prueba se ubicó sobre el producto obtenido un imán y seguido a esto se agregó nitrógeno liquido hasta cubrir completamente el producto. No se observó levitación del imán sobre este, lo que nos indica

que el producto obtenido no presenta propiedades superconductoras. Para el análisis cualitativo de cobre se tomaron 0,5 g del producto de la calcinación y se disolvieron en 30 mL de HCl 1M y se procedió a calentar la solución.Este análisis no se realizó, ya que se debía obtener una solución azul después de calentar, que indican la presencia de Cu+2 . Como se observa en la imagen 7, a medida que transcurre el tiempo la intensidad del color aumentaba, lo que indica que se formó el complejo [CuCl4]-2 , debido a la alta concentración de iones Cl- en la solución provenientes del HCl, como se observa en la reacción . Este complejo exhibe un color verde y aumenta su intensidad a medida que se calienta.

CONCLUSIONES

• A pesar de que la mezcla de óxidos y carbonato no se sometió al tratamiento térmico en su totalidad, se logró obtener el compuesto YBa2Cu3O7-x,, el cual fue identi� cado en el difractograma, a pesar de la existencia de otros productos.

• El material obtenido no presenta propiedades superconductoras, debido a que presenta muchas impurezas y probablemente no se logró estabilizar su estructura debido al poco tratamiento térmico y la ausencia de una fuente oxígeno.

BIBLIOG� FIA•

Superconductor de Alta Temperatura, YBa2Cu3O7-xCristian Fernando Martinez Camacho ; Luz Miriam Florez Parra

Universidad Industrial de SantanderFacultad de Ciencias Básicas

Escuela de Química

Imagen 2. Estructura cristalina de YBa2Cu3O7 . Imagen tomada de internet.

Imagen 1. Celda unidad Perovskita tipo ABX3. Imagen tomada de Química Inorgánica. Schriver & Atkins.

1,05 g de Y2O33,9 g de BaCO32,4 g de CuO

(1) Macerar

(2) Aplicar presión

(3) Calentada al aire

900 °C ; 16 horasSuperconductor

YBa2Cu3O7-xRelación atómicaY:Ba:Cu = 1:2:3

Esquema 1. Procedimiento empleado en la obtención del superconductor

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Cou

nts

20 30 40 50 60 70

2Theta (Coupled TwoTheta/Theta)

Espectro de difracción de rayos X del compuesto obtenido.

BaCO3 PDF 05-0378

CuO PDF 05-0661

Y2O3 PDF 25-1200

Y2Cu2O5 PDF 81-0703

YBa2Cu3O7,34 PDF 78-2210

(3) Calentada en aire

900 °C ; 16 horas

Imagen 3. Mezcla de óxidos para llevar a la mu� a Imagen 4. Producto obtenido de la calcinación.

Para el análisis cualitativo de cobre se tomaron 0,5 g del producto de la calcinación y se disolvieron en 30 mL de HCl 1M y se procedió a calentar

Este análisis no se realizó, ya que se debía obtener una solución azul . Como se observa

Imagen 5. Producto obtenido de la calcinación.

Imagen 6. Producto obtenido de la calcinación y después de agregar nitrógeno líquido.

20 minutos

Δ

20 minutos

Δ

Imagen 7. Análisis cualita� ivo de cobre. En la imagen (a) se observa el producto obtenido disuelto en HCl . En (b) y (c) el producto se sometió a calentamiento constante.

(a) (b) (c)

[Cu(H2O)6]+2(aq) + 4 Cl-

(aq) [CuCl4]-2(aq) + 6H2O(l)