Rückblick GEFTA Jahrestagung 1999

Die Bildung von Cu₂S aus den Elementen

R. Blachnik, A. Müller
Institut für Chemie/Anorganische Chemie
D-49069 Universität Osnabrück

Über die Reaktionen zwischen Metallen und Chalkogenen und deren Verbindungen liegt trotz ihrer technologischen Bedeutung im Vergleich zum thermodynamischen Wissen über diese Stoffgruppe ausgesprochen wenig Information vor. Im Rahmen von Untersuchungen zur Reaktivität im System Cu-As-S wurde detailliert ermittelt, welche Faktoren eine Rolle bei der Bildung von Cu₂S aus den Elementen spielen. Zur Charakterisierung der Reaktionen und (Zwischen)produkte wurden sowohl in-situ als auch ex-situ thermoanalytische und röntgenographische Methoden verwendet. Außerdem wurden Untersuchungen mit einer Mikrosonde an teilreagierten Kupferfolien durchgeführt.

Bei der Untersuchung wurde bei Konstanz aller anderen Parameter gezielt ein Parameter verändert und sein Einfluß auf die DTA-Kurve des Reaktionsgemisches von Kupfer und Schwefel bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 600 °C/h untersucht. Nach und in bestimmten Fällen auch vor der thermischen Analyse wurden Röntgenpulverdiffraktogramme aufgenommen.

Um zu gewährleisten, daß sich Unterschiede in entprechenden DTA-Kurven und Diffraktogrammen auch tatsächlich auf veränderte Versuchsparameter zurückführen lassen, wurde in verschiedenen Versuchen die Reproduzierbarkeit überprüft.

Folgende Einflußfaktoren haben sich als besonders wichtig für den Reaktionsverlauf erwiesen:

- Form und Dichte des Reaktionsgemisches (Pulver, Tablette, Folie im Schwefelbett)

- Charge und Vorbehandlung des Kupferpulvers

- Kupferteilchengröße

- mechanische Vorbehandlung des Reaktionsgemisches, speziell durch Mahlen

- Alterung des Reaktionsgemisches im Vakuum oder unter Schutzgas

Obwohl die einzelnen DTA-Kurven kaum Gemeinsamkeiten aufweisen, traten in allen Fällen, bei denen Zwischenprodukte nachzuweisen waren, gemäß der Abfolge der Verbindungen im Cu-S-Phasendiagramm zunächst alle schwefelreicheren Kupfersulfide auf, bis schließlich Cu₂S entsteht. Bei ausreichend feinen Kupferpulver kann die Reaktion auch schlagartig und vollständig bereits unterhalb des Schwefelschmelzpunktes oder beim Pressen von Tabletten ablaufen. Außerdem ist bemerkenswert, daß bei Verwendung sauerstofffreien Cu-Pulvers Schwefel bei einer Alterung im Vakuum bereits nach zwei Tagen und beim Mahlen in einer Planetenkugelmühle nach 20 min abreagiert.

Verändert man zu den genannten Parametern zusätzlich die Aufheizgeschwindigkeit, sind die entsprechenden DSC-Kurven in Peakanzahl und Reaktionstemperatur in weiten Bereichen variabel.

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