Реакция взаимодействия меди с концентрированной серной кислотой. Растворимость меди в воде и кислотах. Растворимость меди в водной среде

МЕДЬ (лат. Cuprum) , Cu (читается «купрум»), химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.

Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов 63 Cu (69,09% по массе) и 65 Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди 3s 2 p 6 d 10 4s 1 . Образует соединения в степенях окисления +2 (валентность II) и +1 (валентность I), очень редко проявляет степени окисления +3 и +4.

В периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au).

Радиус нейтрального атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu + от 0,060 нм (координационное число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu 2+ - от 0,071 нм (координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ. Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов. Стандартный электродный потенциал Cu/Cu 2+ 0,339 В. В ряду стандартных потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни из кислот водорода не вытесняет.

Простое вещество медь - красивый розовато-красный пластичный металл.

Название: латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого слова в русском языке нет.

Физические и химические свойства: кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, параметр решетки а = 0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см 3 , температура плавления 1083,4°C, температура кипения 2567°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10 –3 Ом·м).

В сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH) 2 ·CuCO 3 . Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Для создания на художественных предметах «налета старины» на них наносят слой меди, который затем специально патинируется.

При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu 2 O, затем - оксид CuO.

Красновато-коричневый оксид меди (I) Cu 2 O при растворении в бромо- и иодоводородной кислотах образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При взаимодействии Cu 2 O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат меди:

Cu 2 O + H 2 SO 4 = Cu + CuSO 4 + H 2 O.

При нагревании на воздухе или в кислороде Cu 2 O окисляется до CuO, при нагревании в токе водорода - восстанавливается до свободного металла.

Черный оксид меди (II) CuO, как и Cu 2 O, c водой не реагирует. При взаимодействии CuO с кислотами образуются соли меди (II):

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O

При сплавлении со щелочами CuO образуются купраты, например:

CuO + 2NaOH = Na 2 CuO 2 + H 2 O

Нагревание Cu 2 O в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:

Cu 2 O = CuO + Cu.

Такие восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие восстанавливают CuO до свободной меди, например:

CuO + СО = Cu + СО 2 .

Кроме оксидов меди Cu 2 O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu 2 O 3 , обладающий сильными окислительными свойствами.

Медь реагирует с галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с медью с образованием темно-коричневого дихлорида CuCl 2 . Существуют также дифторид меди CuF 2 и дибромид меди CuBr 2 , но дииодида меди нет. И CuCl 2 , и CuBr 2 хорошо растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и образуют голубые растворы.

При реакции CuCl 2 с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый в воде хлорид меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной соляной кислоте, причем образуются комплексные анионы – , 2– и [СuCl 4 ] 3– , например за счет процесса:

CuCl + НCl = H

При сплавлении меди с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu 2 S. Сульфид меди (II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через раствор соли меди (II):

H 2 S + CuSO 4 = CuS + H 2 SO 4

C водородом, азотом, графитом, кремнием медь не реагирует. При контакте с водородом медь становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди) из-за растворения водорода в этом металле.

В присутствии окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с соляной кислотой и разбавленной серной кислотой, но водород при этом не выделяется:

2Cu + 4HCl + O 2 = 2CuCl 2 + 2H 2 O.

С азотной кислотой различных концентраций медь реагирует довольно активно, при этом образуется нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например, с 30%-й азотной кислотой реакция меди протекает так:

3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.

С концентрированной серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

Практическое значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):

2FeCl 3 + Cu = CuCl 2 + 2FeCl 2

Этот процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.

Ионы меди Cu 2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава 2+ . При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С 2 Н 2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC 2 .

Гидроксид меди Cu(OH) 2 характеризуется преобладанием основных свойств. Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, например:

Сu(OH) 2 + 2HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O.

Но Сu(OH) 2 реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом образуются соответствующие купраты, например:

Сu(OH) 2 + 2NaOH = Na 2

Если в медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH) 2 или основного сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается растворение целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы. Из этого раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят применение при производстве бельевого трикотажа и различных тканей.

Нахождение в природе: в земной коре содержание меди составляет около 5·10 –3 % по массе. Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит, или медный колчедан, CuFeS 2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu 2 S (79,8% меди), борнит Cu 5 FeS 4 (52-65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu 2 O, (81,8% меди), малахит CuCO 3 ·Cu(OH) 2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.

Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо (Fe), цинк (Zn), свинец (Pb), и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10 –8 % меди.

Получение: промышленное получение меди - сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18-45% меди по массе) подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок - твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до 40-50%. Далее штейн подвергают конвертированию - через расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый флюс (песок SiO 2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа SO 2:

2FeS + 3O 2 + 2SiO 2 = 2FeSiO 3 + 2SO 2

Одновременно сульфид меди (I) Cu 2 S окисляется:

2Cu 2 S + 3О 2 = 2Cu 2 О + 2SO 2

2Cu 2 О + Cu 2 S = 6Cu + SО 2

В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии - огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки. На заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.

Применение: медь, как полагают, - первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 - начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.

С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь - незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике - для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.

Большое значение имеют медные сплавы - латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами - оловом (Sn), алюминием (Al), берилием (Be), свинцом (Pb), кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и никеля (Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с "алюминием (Al) и медь с никелем (Ni)) применяют для чеканки монет - «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота.

Биологическая роль: медь присутствует во всех организмах и принадлежит к числу микроэлементов, необходимых для их нормального развития (см. Биогенные элементы). В растениях и животных содержание меди варьируется от 10 –15 до 10 –3 %. Мышечная ткань человека содержит 1·10 –3 % меди, костная ткань - (1-26)·10 –4 %, в крови присутствует 1,01 мг/л меди. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг меди. Основная роль меди в тканях растений и животных - участие в ферментативном катализе. Медь служит активатором ряда реакций и входит в состав медьсодержащих ферментов, прежде всего оксидаз, катализирующих реакции биологического окисления. Медьсодержащий белок пластоцианин участвует в процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий белок, гемоцианин, выполняет роль гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так как медь токсична, в животном организме она находится в связанном состоянии. Значительная ее часть входит в состав образующегося в печени белка церулоплазмина, циркулирующего с током крови и деставляющего медь к местам синтеза других медьсодержащих белков. Церулоплазмин обладает также каталитической активностью и участвует в реакциях окисления. Медь необходима для осуществления различных функций организма - дыхания, кроветворения (стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина), обмена углеводов и минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как растений, так и животных и человека. С пищей человек ежедневно получает 0,5-6 мг меди.

Сульфат меди и другие соединения меди используют в сельском хозяйстве в качестве микроудобрений и для борьбы с различными вредителями растений. Однако при использовании соединений меди, при работах с ними нужно учитывать, что они ядовиты. Попадание солей меди в организм приводит к различным заболеваниям человека. ПДК для аэрозолей меди составляет 1 мг/м 3 , для питьевой воды содержание меди должно быть не выше 1,0 мг/л.

Поместите в пробирку кусочек меди и добавте 2–3 капли концентрированной серной кислоты. При необходимости подогрейте на спиртовке.

1) Какой газ образуется в результате реакции?

2) Отметьте цвет раствора и сделайте вывод: какие ионы присутствуют в растворе.

3) Составьте молекулярное уравнение и электронно–ионный баланс. (См. пример 4).

4) Какой ион является окислителем?

3.3. Взаимодействие цинка с концентрированной серной кислотой при нагревании .

Поместите в пробирку кусочек цинка и добавьте 5–6 капель концентрированной серной кислоты. Пробирку немножко подогрейте.

1)Какой газ выделяется?

Продолжайте нагревание. Почувствовали ли вы запах выделяющегося сероводорода?

Напишите уравнения происходящих реакций между цинком и серной кислотой, отличающихся друг от друга продуктами восстановления серной кислоты: при слабом нагревании выделяется газ – диоксид серы, при более сильном нагревании – образуется сера, в условиях ещё более сильного нагрева – появляется запах сероводорода.

Составьте электронно–ионные уравнения для этих реакций.

Объясните разницу в действии концентрированной серной кислоты на цинк и медь, используя данные таблицы стандартных электродных потенциалов.

В чём принципиальное отличие этих реакций от реакций взаимодействия их с разбавленной серной кислотой?

3.4. Взаимодействие металлов с концентрированной азотной кислотой.

В две пробирки поместите по кусочку меди и цинка и добавьте 2–3 капельки концентрированной азотной кислоты.

1)Какой газ выделяется?

2) Напишите молекулярное уравнение и составьте электронно–ионный баланс. (См. пример 5).

3)Исходя из значений электродных потенциалов, ответьте на вопрос, какие металлы взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой.

3.5. Действие на металлы разбавленной азотной кислоты.

В две пробирки поместите по кусочку металлических меди и цинка. Добавьте в обе пробирки по 3–5 капель разбавленной азотной кислоты.

1)Составьте молекулярные уравнения и электронно–ионные уравнения для процессов окисления-восстановления.

ПРЕДЛАБОРАТОРНЫЙ КОНТРОЛЬ Общие химические свойства металлов и их соединений ВАРИАНТ

1.Наиболее активным восстановителем является металл:

(см. таблицу стандартных электродных потенциалов)

1) Na 2) Zn 3) К

2.При взаимодействии Cs с водой образуются:

1) CsOH 2) Сs 2 О 3) Н 2 4) Не взаимодействует.

3.Из перечисленных ниже металлов в водных растворах

щелочей растворяются:

1) А l 2) Mg 3) Li 4) Zn

4.С соляной кислотой НСl взаимодействуют металлы:

1) А1 2) Ag 3) Ti 4) Со

5.При взаимодействии Fe с концентрированной азотной

кислотой HNO 3 могут образоваться:

1) N 2 O 2) NO 3) NO 2 4) N 2

6.Высшая степень окисления ванадия V равна:

1) +2 2) +3 3) +4 4) +5 5) 0

7.Соединения марганца (IV) могут быть:

1) Только восстановителями.

2) Только окислителями,

3) И окислителями и восстановителями.

8.Наиболее сильно основные свойства выражены у оксида:

1) СгО 2) Сг 2 О 3 3) СгОз

9.Комплексное соединение К[А1(ОН) 4 ] диссоциирует как

сильный электролит, образуя ионы:

1) К + 2) А1 3+ 3) ОН – 4) [А1(ОН) 4 ] –

10.В комплексном соединении NO 3

комплексообразователем является:

1) Fe 3+ 2) NH 3 3) F – 4) NO 3 –

Правильные ответы подчеркнуты.

 

Возможно, будет полезно почитать:

• Патриарх кирилл запретил актеру и священнику ивану охлобыстину служить в церкви Охлобыстин церковный сан ;
• Иван охлобыстин - биография, информация, личная жизнь Почему охлобыстин ушел из священников ;
• Ужин для ребенка 4 лет рецепты меню ;
• Принципы функционирования бюджетной системы РФ ;
• Особенности размещения населения на территории земли Население земли размещается равномерно средняя плотность населения ;
• Тонька-пулеметчица — cтрашная судьба страшного человека Фильм палач тонька пулеметчица реальная история ;
• Как поздравить начальницу с юбилеем? ;
• Российские студенты выиграли чемпионат мира по программированию Вот они, герои ;