Дайте характеристику меди как химического элемента.
Медь (Cu) — это химический элемент с атомным номером 29. Она является переходным металлом и располагается в 11 группе периодической таблицы. Медь — это мягкий, ковкий и пластичный металл, обладающий хорошей электропроводностью. Имеет характерный красноватый цвет. Медь активно используется в электротехнике и строительстве благодаря своей высокой проводимости и устойчивости к коррозии.
Химические свойства меди включают её способность образовывать оксиды и соли, реагировать с кислотами, но она менее активна, чем щелочные металлы, такие как калий. Медь может быть окислена до медных (II) и (I) соединений, например, CuO (оксид меди (II)) и Cu₂O (оксид меди (I)).
В I группу наряду с медью, серебром и золотом входят щелочные металлы, отличающиеся высокой химической активностью. Сравните электронные конфигурации атомов меди и калия. Чем вызвано резкое различие в химических свойствах этих двух металлов?
Калий (K): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹
Медь (Cu): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹
Различие в химических свойствах этих элементов объясняется их электронными конфигурациями. У калия (K) на внешнем уровне один электрон в 4s-орбитале, что делает его склонным к отдаче этого электрона, образуя ионы K⁺. Это объясняет его высокую химическую активность и склонность к реакции с другими веществами.
Медь, с другой стороны, имеет более сложную конфигурацию, где 4s-электрон стабилизируется за счет заполненных 3d-орбиталей. Это объясняет её относительно низкую химическую активность по сравнению с щелочными металлами. Медь легче теряет один электрон с внешней оболочки, чем два, как это происходит у щелочных металлов.
Расскажите о получении и применении меди.
Медь добывается в основном из медных руд, таких как халькопирит (CuFeS₂) и малахит (Cu₂CO₃(OH)₂). Процесс получения меди включает в себя несколько стадий, включая обжиг руды, флотацию, а затем переработку с использованием электролиза.
Медь широко используется в различных областях:
Электротехника (проводка, кабели).
Строительство (водопроводные трубы, элементы отопления).
Монетное дело.
Составные сплавы, такие как бронза (медь + олово) и латунь (медь + цинк).
Что называют электролитическим рафинированием?
Электролитическое рафинирование меди — это процесс очистки меди, при котором она растворяется с анода и осаждается на катоде в виде чистого металла. Этот процесс используется для удаления примесей из меди, например, железа, серебра, золота и других.
Напишите уравнения реакций электролиза растворов: а) хлорида меди(II) с инертными электродами; б) хлорида меди(II) с медным анодом; в) сульфата меди(II)с инертными электродами.
а) Хлористый медь (II) с инертными электродами:
При электролизе раствора хлорида меди (CuCl₂) на аноде происходит окисление хлора до Cl₂, а на катоде — восстановление меди до Cu:
Анод (окисление): 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Катод (восстановление): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
б) Хлористый медь (II) с медным анодом:
При электролизе раствора хлорида меди с медным анодом медь растворяется с анода, образуя Cu²⁺ и затем восстанавливается на катоде:
Анод (окисление): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
в) Сульфат меди (II) с инертными электродами:
При электролизе раствора сульфата меди (CuSO₄) на катоде медь восстанавливается, а на аноде выделяется кислород:
Анод (окисление): 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Перечислите важнейшие медные сплавы и расскажите об их применении.
Медь широко используется в различных сплавах, каждый из которых имеет свои особенности и применения.
Латунь (медь + цинк): Применяется в изготовлении деталей для электроники, монет, сантехники и декоративных изделий.
Бронза (медь + олово): Используется для создания устойчивых к износу и коррозии изделий, таких как подшипники, монеты, корабельные детали.
Бронзовые сплавы с алюминием: Применяются для производства деталей, подвергающихся воздействию воды и высоких нагрузок, таких как трубопроводы и детали судов.
Медно-никелевые сплавы: Применяются в производстве электрических проводов, так как обладают хорошей проводимостью и устойчивостью к коррозии.
Медно-бериллиевые сплавы: Используются в изготовлении пружин, контактных частей электрооборудования, благодаря своей высокой прочности и хорошей проводимости.
Медный купорос имеет синий цвет. При нагревании он становится серым, а при попадании в воду синяя окраска восстанавливается. Объясните эти явления.
Синий цвет медного купороса: Сульфат меди (II) в воде имеет синий цвет из-за присутствия ионов меди (Cu²⁺), которые взаимодействуют с молекулами воды.
При нагревании синий цвет исчезает: При нагревании медный купорос теряет молекулы воды, превращаясь в безводный сульфат меди (CuSO₄), который имеет белый цвет.
Восстановление синего цвета при добавлении воды: Когда к безводному сульфату меди добавляется вода, восстанавливается гидратированная форма CuSO₄ · 5H₂O, которая имеет синий цвет.
Безводный сульфат меди(II) используют для удаления воды из спирта (такой процесс называют абсолютированием). На чём основано абсолютирование?
Абсолютирование — это процесс удаления воды из спиртов. Безводный сульфат меди (CuSO₄) действует как осушитель, потому что он обладает способностью связывать молекулы воды, образуя гидрат CuSO₄ · 5H₂O. Это свойство используется для получения абсолютного спирта, т.е. спирта, практически не содержащего воды.
При пропускании сероводорода через раствор сульфата меди(II) выпадает чёрный осадок сульфида меди(II). Напишите уравнение реакции. Как меняется кислотность раствора по мере пропускания сероводорода? Сделайте вывод о растворимости сульфида меди(II) в растворах кислот. Можно ли таким образом получить осадок сульфида железа(II)?
При пропускании сероводорода через раствор сульфата меди(II) образуется чёрный осадок сульфида меди(II) (CuS). Уравнение реакции:
H₂S + CuSO₄ → CuS + H₂SO₄
Изменение кислотности раствора: По мере пропускания сероводорода кислотность раствора будет увеличиваться, так как сульфид меди(II) образуется при низком pH. В растворе сероводорода происходит образование ионов H⁺, что повышает кислотность.
Растворимость сульфида меди(II): Сульфид меди (CuS) малорастворим в воде, но его растворимость значительно увеличивается в кислых растворах. Поэтому осадок CuS будет хорошо растворяться в кислотах, таких как соляная или серная кислота.
Получение сульфида железа(II): Таким способом не получится получить сульфид железа(II), так как для его осаждения необходимо использовать соляную кислоту с раствором железа(II), что приведет к образованию сульфида железа.
Предложите способ получения сульфата меди(II) из меди.
Для получения сульфата меди(II) из меди можно использовать метод окисления меди с помощью кислоты, например, серной. Реакция будет выглядеть следующим образом:
Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂
Этот процесс происходит при нагревании меди с концентрированной серной кислотой. В результате образуется сульфат меди(II) и водород.
Какой объём сернистого газа (н. у.) можно получить при обжиге 1 т сульфида меди(II), содержащего 10% пустой породы?
Для того чтобы вычислить объём сернистого газа, который можно получить при обжиге 1 т сульфида меди(II), сначала найдем массу чистого сульфида меди(II), а затем объём сернистого газа.
Масса сульфида меди(II) в 1 т смеси с 10% пустой породы: 1 т - 10% пустой породы = 0.9 т = 900 кг.
Сульфид меди(II) имеет молекулярную формулу CuS. Молекулярная масса CuS = 63,5 (медь) + 32 = 95,5 г/моль.
1 моль сульфида меди(II) образует 1 моль сернистого газа (SO₂) при обжиге, следовательно, масса сернистого газа, которая может быть получена из 1 моль CuS, равна 64 г (SO₂).
Масса 900 кг сульфида меди(II) будет равна (900 000 г / 95,5 г/моль) моль сульфида меди.
Таким образом, моль сернистого газа составит (900 000 г / 95,5 г/моль) × (64 г / 64 г) = 900 000 г SO₂ / 95,5 г/моль = 9420 моль.
Теперь находим объём сернистого газа при нормальных условиях (н. у.):
1 моль газа при н.у. занимает 22,4 л.
Объём SO₂ = 9420 моль × 22,4 л/моль = 211,488 куб. м.
Таким образом, объём сернистого газа при обжиге 1 т сульфида меди(II) составляет 211,5 м³.
Какие два вещества вступили в реакцию, если в результате её образовались медь, углекислый газ, азот и вода? Приведите три варианта ответа.
Если в результате реакции образуются медь (Cu), углекислый газ (CO₂), азот (N₂) и вода (H₂O), то возможны следующие варианты реагирующих веществ:
Вариант 1: Сульфид меди (CuS) + углерод (C) → медь (Cu) + углекислый газ (CO₂) + сернистый газ (SO₂)
Вариант 2: Азотистая кислота (HNO₂) + углерод (C) → углекислый газ (CO₂) + азот (N₂) + вода (H₂O)
Вариант 3: Нитрат меди (II) (Cu(NO₃)₂) + углерод (C) → медь (Cu) + углекислый газ (CO₂) + азот (N₂) + вода (H₂O)
К твёрдому оксиду марганца(IV) добавили концентрированную соляную кислоту. Выделившийся газ пропустили над нагретой медью. Образовавшееся твёрдое вещество растворили в воде и добавили раствор щёлочи. Выпавший осадок отфильтровали и прокалили. Напишите уравнения описанных реакций.
Сначала добавляем концентрированную соляную кислоту к твёрдому оксиду марганца(IV) (MnO₂), результатом чего является выделение хлора и образование хлорида марганца(II):
MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
Далее газ хлор пропускается через нагретую медь. При этом происходит восстановление хлора и образование меди (II):
Cu + Cl₂ → CuCl₂
Полученный твёрдый хлорид меди (CuCl₂) растворяется в воде, а затем добавляется раствор щёлочи. В результате образуется осадок гидроксида меди(II):
CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + 2NaCl
Затем осадок гидроксида меди(II) прокаливается (нагревается) для получения оксида меди(II):
Cu(OH)₂ → CuO + H₂O
Определите валентность и степень окисления меди в перечисленных комплексных ионах: [Cu(NH3)4]2+, [Cu(NH3)2]+, [Cu(H2O)6]2+.
a) [Cu(NH₃)₄]²⁺
В этом ионе аммиак (NH₃) является нейтральной лигандой, а медь (Cu) имеет степень окисления +2.
Степень окисления меди в [Cu(NH₃)₄]²⁺ равна +2.
Валентность меди в данном ионе также 2.
b) [Cu(NH₃)₂]⁺
В этом ионе аммиак (NH₃) тоже нейтрален, и медь также имеет степень окисления +2.
Степень окисления меди в [Cu(NH₃)₂]⁺ равна +2.
Валентность меди в данном ионе тоже 2.
c) [Cu(H₂O)₆]²⁺
В этом ионе вода (H₂O) является нейтральной лигандой, и медь имеет степень окисления +2.
Степень окисления меди в [Cu(H₂O)₆]²⁺ равна +2.
Валентность меди в этом ионе также 2.
Для растворения одного и того же образца меди необходимо 100 г 98%-го раствора серной кислоты или 200 г концентрированной азотной кислоты. Рассчитайте концентрацию азотной кислоты.
Дано:
100 г 98%-го раствора серной кислоты растворяет тот же образец меди, что и 200 г концентрированной азотной кислоты.
Рассчитаем количество вещества меди, которое может раствориться:
98%-й раствор серной кислоты:
Масса серной кислоты = 100 г × 98% = 98 г.
Молекулярная масса H₂SO₄ = 98 г/моль.
Количество вещества серной кислоты = 98 г / 98 г/моль = 1 моль.
Для реакции с медью (Cu) серная кислота (H₂SO₄) реагирует по уравнению:
Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
То есть 1 моль серной кислоты растворяет 1 моль меди.
Теперь рассчитаем, сколько азотной кислоты потребуется для растворения того же количества меди.
Реакция меди с азотной кислотой (HNO₃) происходит по следующему уравнению:
3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
Согласно этому уравнению, 3 моль меди реагируют с 8 моль азотной кислоты.
Из расчёта, что 1 моль меди требует 8/3 моль HNO₃:
1 моль меди = (8/3) моль HNO₃.
Рассчитаем количество вещества азотной кислоты, которое необходимо для растворения 1 моль меди:
(8/3) моль HNO₃ = 8 / 3 моль = 2.67 моль HNO₃.
Масса азотной кислоты в 200 г концентрированного раствора:
Обозначим массовую долю азотной кислоты в растворе как x. Тогда масса азотной кислоты = 200 г × x.
Молекулярная масса HNO₃ = 63 г/моль, следовательно, количество вещества азотной кислоты в 200 г раствора будет равно:
(200 г × x) / 63 г/моль = 2.67 моль.
Выразим x:
x = (2.67 моль × 63 г/моль) / 200 г = 0.84.
То есть массовая доля азотной кислоты в растворе составляет 84%.
Ответ: Концентрация азотной кислоты в растворе — 84%.
Напишите уравнения реакций, соответствующие схемам:
а) CuO2 - CuO - CuSO4 - Cu(NO3)2 - Cu(OH)2 - Cu2O;
б) Cu0 - Cu+2 - Cu+1 - Cu0
а) CuO₂ → CuO → CuSO₄ → Cu(NO₃)₂ → Cu(OH)₂ → Cu₂O:
CuO₂ → CuO: 2CuO₂ → 2CuO + O₂ ↑
CuO → CuSO₄: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O
CuSO₄ → Cu(NO₃)₂: CuSO₄ + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂SO₄
Cu(NO₃)₂ → Cu(OH)₂: Cu(NO₃)₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + 2NaNO₃
Cu(OH)₂ → Cu₂O: 2Cu(OH)₂ → Cu₂O + H₂O + O₂ ↑
б) Cu₀ → Cu²⁺ → Cu¹⁺ → Cu₀:
Cu₀ → Cu²⁺: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Cu²⁺ → Cu¹⁺: Cu²⁺ + e⁻ → Cu¹⁺
Cu¹⁺ → Cu₀: Cu¹⁺ + e⁻ → Cu₀
Расшифруйте схему превращений. Напишите соответствующие уравнения реакций:
CuO - X1 - H2SO4 - X2 - 2NaOH - X3 - CH3CHO - X4 + X5
CuO → X₁ → H₂SO₄ → X₂ → 2NaOH → X₃ → CH₃CHO → X₄ + X₅
CuO → X₁: CuO → Cu₂O + O₂ ↑
Cu₂O → H₂SO₄: Cu₂O + H₂SO₄ → Cu₂SO₄ + H₂O
Cu₂SO₄ → 2NaOH: Cu₂SO₄ + 2NaOH → 2CuOH + Na₂SO₄
CuOH → CH₃CHO: CuOH + CH₃CHO → Cu + CH₃COOH
В колбу с горячим раствором 90%-й серной кислоты внесли смесь меди и оксида железа(II). После полного растворения смеси в кислоте масса раствора в колбе увеличилась на 12 г. Точно такую же навеску исходной смеси внесли в другую колбу с горячим раствором 90%-й азотной кислоты. После полного растворения смеси масса раствора в колбе увеличилась на 5 г. Определите массу навески исходной смеси.
Смесь меди (Cu) и оксида железа(II) (FeO) реагирует с горячей 90%-й серной кислотой (H₂SO₄) и горячей 90%-й азотной кислотой (HNO₃).
При реакции с H₂SO₄ масса раствора увеличилась на 12 г.
При реакции с HNO₃ масса раствора увеличилась на 5 г.
Найти массу исходной смеси (m).
Обозначения:
Пусть масса меди в смеси = m(Cu).
Масса оксида железа(II) = m(FeO).
Общая масса смеси: m = m(Cu) + m(FeO).
1. Реакция с горячей концентрированной серной кислотой (H₂SO₄): Реакции:
Медь реагирует с H₂SO₄: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ ↑ + 2H₂O
Масса меди m(Cu) переходит в раствор в виде CuSO₄.
Газ SO₂ улетучивается, уменьшая массу раствора.
Оксид железа(II) реагирует с H₂SO₄: FeO + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O
Масса FeO полностью переходит в раствор в виде FeSO₄.
Вода остается в растворе.
Изменение массы раствора при реакции с H₂SO₄:
Увеличение массы раствора происходит за счет добавления Cu и FeO.
Уменьшение массы происходит за счет выделения SO₂ (из реакции Cu).
Чистое увеличение массы раствора: 12 г.
Математически: m(Cu) + m(FeO) - m(SO₂) = 12 г Из реакции меди:
1 моль Cu (63,5 г) выделяет 1 моль SO₂ (64 г).
Масса выделившегося SO₂: m(SO₂) = (64/63,5) × m(Cu) ≈ 1,008 × m(Cu) Подставляем: m(Cu) + m(FeO) - 1,008 × m(Cu) = 12 г m(FeO) - 0,008 × m(Cu) = 12 г (1)
2. Реакция с горячей концентрированной азотной кислотой (HNO₃): Реакции:
Медь реагирует с HNO₃: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ ↑ + 2H₂O
Масса меди m(Cu) переходит в раствор в виде Cu(NO₃)₂.
Газ NO₂ улетучивается, уменьшая массу раствора.
Оксид железа(II) реагирует с HNO₃: FeO + 2HNO₃ → Fe(NO₃)₂ + H₂O
Масса FeO полностью переходит в раствор в виде Fe(NO₃)₂.
Изменение массы раствора при реакции с HNO₃:
Увеличение массы раствора за счет добавления Cu и FeO.
Уменьшение массы за счет выделения NO₂ (из реакции Cu).
Чистое увеличение массы раствора: 5 г.
Математически: m(Cu) + m(FeO) - m(NO₂) = 5 г Из реакции меди:
1 моль Cu (63,5 г) выделяет 2 моля NO₂ (2 × 46 = 92 г).
Масса выделившегося NO₂: m(NO₂) = (92/63,5) × m(Cu) ≈ 1,449 × m(Cu) Подставляем: m(Cu) + m(FeO) - 1,449 × m(Cu) = 5 г m(FeO) - 0,449 × m(Cu) = 5 г (2)
3. Решение системы уравнений: Из уравнения (1): m(FeO) = 12 + 0,008 × m(Cu) Подставляем в уравнение (2): (12 + 0,008 × m(Cu)) - 0,449 × m(Cu) = 5 12 - 0,441 × m(Cu) = 5 0,441 × m(Cu) = 7 m(Cu) ≈ 7 / 0,441 ≈ 15,87 г Тогда: m(FeO) = 12 + 0,008 × 15,87 ≈ 12,13 г Общая масса смеси: m = m(Cu) + m(FeO) ≈ 15,87 + 12,13 = 28 г
Ответ: Масса исходной смеси меди и оксида железа(II) составляет 28 грамм.