Медь и её соединения

Медный купорос продают в магазине для дачников: это синие кристаллы CuSO₄·5H₂O. Если нагреть кристалл в пробирке, он теряет кристаллизационную воду и превращается в белый порошок безводного CuSO₄. Капля воды снова окрашивает порошок в голубой цвет. Поэтому безводный сульфат меди служит индикатором воды.

Опыт с железным гвоздём показывает место меди в ряду напряжений

1. Раствори несколько кристаллов медного купороса в воде — получится голубой раствор.

2. Опусти в него очищенный железный гвоздь. Через несколько минут гвоздь покроется рыжим слоем меди: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

3. Ко второй порции раствора прилей раствор щёлочи. Выпадет голубой осадок: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄.

4. Нагрей пробирку с осадком. Он почернеет: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.

Опыт ставят в школьной лаборатории в очках и перчатках, потому что соли меди ядовиты и пробовать их нельзя. Железо вытесняет медь из раствора соли, так как стоит в ряду напряжений левее. Медь же стоит правее водорода. Из соляной и разбавленной серной кислоты она водород не вытесняет.

Электронная формула меди содержит провал электрона

Медь — элемент № 29, она стоит в 4-м периоде, в побочной подгруппе I группы. По порядку заполнения ждёшь окончания 3d⁹4s², но реальная формула другая: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹. Полностью заполненный d-подуровень устойчивее, и один электрон «проваливается» с 4s на 3d.

Отсюда две степени окисления. Медь(I) даёт красный оксид Cu₂O, медь(II) — чёрный оксид CuO и голубой гидроксид Cu(OH)₂. В растворах устойчивее медь(II). Оксид CuO основный и растворяется в кислотах: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O, так в лаборатории и получают медный купорос.

Из кислот медь растворяется только в кислотах-окислителях

В концентрированной серной и в азотной кислоте медь окисляет сера(+6) или азот(+5) кислотного остатка, поэтому водород в этих реакциях не выделяется:

• Cu + 2H₂SO₄ (концентрированная) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

• Cu + 4HNO₃ (концентрированная) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O;

• 3Cu + 8HNO₃ (разбавленная) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

Бурый газ NO₂ ядовит, поэтому реакцию с концентрированной азотной кислотой проводят только под тягой. На производстве печатных плат лишнюю медь стравливают раствором хлорида железа(III): Cu + 2FeCl₃ → CuCl₂ + 2FeCl₂. Окислитель здесь — ион Fe³⁺.

Коэффициенты в реакции с разбавленной азотной кислотой находят электронным балансом. Медь отдаёт два электрона, Cu⁰ − 2e → Cu⁺², множитель 3; азот принимает три, N⁺⁵ + 3e → N⁺², множитель 2. Из восьми молекул HNO₃ только две превращаются в NO. Остальные шесть уходят на соль Cu(NO₃)₂.

Задача 1. Железную пластинку опустили в раствор, содержащий 32 г сульфата меди(II). Вычисли массу меди, которая осядет на пластинке, если соль прореагировала полностью.

1. Уравнение: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

2. M(CuSO₄) = 160 г/моль; n = 32 / 160 = 0,2 моль.

3. n(Cu) = n(CuSO₄) = 0,2 моль; m = 0,2 · 64 = 12,8 г.

Ответ: 12,8 г меди.

Цвет соединения меди подсказывает его формулу

Малахит — основный карбонат меди (CuOH)₂CO₃, зелёный поделочный камень и старинная медная руда. При нагревании он разлагается сразу на три вещества: (CuOH)₂CO₃ → 2CuO + CO₂ + H₂O. Зелёный порошок становится чёрным.

В заданиях на мысленный эксперимент цвет часто и есть ответ. Голубой раствор говорит об ионах Cu²⁺, голубой осадок — о Cu(OH)₂, чёрный порошок — об оксиде CuO, красный налёт — о самой меди или о Cu₂O, а ярко-синий раствор — об аммиачном комплексе. Чёрный CuO в токе водорода при нагревании краснеет: CuO + H₂ → Cu + H₂O.

Медь проводит ток и входит в старинные сплавы

Среди металлов медь проводит электрический ток лучше всех, кроме серебра, поэтому из неё тянут провода и мотают обмотки двигателей. Чистая медь мягкая. Сплав меди с оловом называют бронзой, сплав с цинком — латунью; из бронзы отливали колокола и скульптуры, из латуни делают краны и гильзы.

Дачники смешивают раствор медного купороса с известковым молоком и получают бордоскую жидкость против грибковых болезней растений: CuSO₄ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂ + CaSO₄. Голубая взвесь оседает на листьях тонким слоем. Работают с ней в перчатках.

Медь путают с активными металлами

• ❌ Cu + 2HCl → CuCl₂ + H₂. ✅ Реакции нет: медь правее водорода в ряду напряжений.

• ❌ Медь с концентрированной серной кислотой выделяет водород. ✅ Выделяется сернистый газ SO₂.

• ❌ Cu(OH)₂ — щёлочь. ✅ Это нерастворимое основание, при нагревании оно разлагается на CuO и воду.

Задача 2. Вычисли массы медного купороса и воды, нужные для приготовления 200 г раствора с массовой долей CuSO₄ 8 %.

1. m(CuSO₄) = 200 · 0,08 = 16 г.

2. n(CuSO₄) = 16 / 160 = 0,1 моль; купороса CuSO₄·5H₂O нужно столько же моль.

3. M(CuSO₄·5H₂O) = 160 + 5 · 18 = 250 г/моль; m = 0,1 · 250 = 25 г.

4. m(воды) = 200 − 25 = 175 г.

Ответ: 25 г медного купороса и 175 г воды.

Задача 3. Медь массой 9,6 г растворили в разбавленной азотной кислоте. Вычисли объём оксида азота(II) (н. у.).

1. Уравнение: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

2. n(Cu) = 9,6 / 64 = 0,15 моль.

3. На 3 моль меди приходится 2 моль NO: n(NO) = 0,15 · 2 / 3 = 0,1 моль.

4. V = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: 2,24 л NO.