"Загальна характеристика хімічних властивостей Купруму"
Хімічний елемент Купрум у земній корі не надто поширений, всього лише 0,01 %, але він достатньо часто зустрічається і самородному вигляді і тому давно використовується людиною. Мідь була першим металом, отримувати який навчилася людина.
Наведіть електронну та електронно-графічну формули атома Купруму, його основні ступені окиснення у сполуках, стандартний електродний потенціал та зробіть на основі цього висновок щодо хімічної активності металу.
Хімічний елемент Купрум розташований у періодичній системі хімічних елементів піл порядковим номером 29. віз розміщений у першій групі, побічній підгрупі, та у четвертому періоді. Оскільки його порядковий номер рівний 29, на енергетичних рівнях елемента буде розміщуватися 29 електронів, тому електронні формула елемента буде наступною:
Складемо також єлектронно-графічну формулу елемента:
Мідь відносять до d-елементів, а її валентні електрони розміщені на 3d-та4s-підрівнях. Тому у сполуках Купрум проявляє ступені окиснення +1 та +2, віддаючи електрони, тому його можна віднести до металів.
Якщо розглянути електронну будову атомів Купруму та Нікелю, то можна зробити висновок, що для Купруму є характерним проскок електрона із 4sна 3d-підрівень.
Стандартний електродний потенціал для Купруму рівний , більшість металів має електродний потенціал значно більш негативний чим у Купруму. На основі значення стандартного електродного потенціалу та розташування електронів на енергетичних рівнях та підрівнях атома елемента можна зробити висновок, що хімічний елемент Купрум не відноситься до активних металів. По своїх властивостях він нагадуватиме Арґентум та Аурум, хоча й буде більш активним порівняно із ними.
1.
Опишіть хімічні властивості Купруму – його реакції із:
· Киснем
У реакції із киснем можна прогнозувати утворення двох оксидів: Cu2
Oта CuO. При нагріванні міді в атмосфері кисню утворюється спочатку CuO, Купруму (ІІ) оксид, речовина чорного кольору:
Дана реакція протікає в температурному інтервалі від 200 до 375ºС. при подальшому нагріванні при вищих температурах на поверхні міді утворюється оксидна плівка CuO, а під нею шар Cu2
O, червоного кольору: .
· Галогенами
Мідь являється малоактивним металом, але із галогенами вона реагує вже при кімнатній температурі. На швидкість реакції впливає вологість, у вологому середовищі реакція прискорюється.
· Водою
Мідь не реагує із водою. Така реакція не відбувається як при нормальній так і при підвищеній температурах. Але наявність вологи прискорює взаємодію міді із іншими речовинами, наприклад киснем, який розчинений у воді, тощо.
· Хлороводневою кислотою
Оскільки у ряді напруг металів мідь розташована після водню, то вона не може витісняти водень із розчинів хлороводневої кислоти. Тому вона не реагує із розчинами хлороводневої кислоти.
У присутності кисню можлива реакція розчинення міді у хлороводневій кислоті із утворенням відповідних солей.
Нагрівання реакційної суміші буде прискорювати дану реакцію.
· Нітратною (V) кислотою різних концентрацій
Мідь розчиняється в нітратній кислоті різної концентрації із утворенням Купрум (ІІ) нітрату Cu(NO3
)2
та оксидів Нітрогену. При зростанні температури реакція взаємодії із нітратною кислотою прискорюється, її прискорює також зростання концентрації кислоти.
Розбавлена нітратна кислота в реакції із міддю відновлюється до NO:
HNO3
+ Cu = Cu(NO3
)2
+ NO + H2
O
| Реакція | Коефіцієнт | Речовина |
| Cu – 2e = Cu2+
|
3 | Відновник |
| NO3
- + 4H+ + 3e = NO + 2H2 O |
2 | Окисник |
8HNO3
+ 3Cu = 3Cu(NO3
)2
+ 2NO + 4H2
O
У випадку концентрованого розчину нітратної кислоти відновлення відбувається до NO2
.
Cu + HNO3
= Cu(NO3
)2
+ NO2
+ H2
O
| Реакція | Коефіцієнт | Речовина |
| Cu – 2e = Cu2+
|
1 | Відновник |
| NO3
- + 2H+ + 1e = NO2 + H2 O |
2 | Окисник |
Cu + 4HNO3
= Cu(NO3
)2
+ 2NO2
+ 2H2
O
Виділення водню в реакціях із нітратною кислотою не відбувається.
· Сульфатною (VI) кислотою різних концентрацій
Із сульфатною кислотою мідь утворює Купруму (ІІ) сульфат та SО2
:
Сu0
+ 2Н2
S+6
O4(конц )
= Cu+2
SO4
+ S+4
О2
+ 2H2
O
Сu0
-2е = Сu+2
2 2
1 відновник окиснюється
S+6
+2е = S+4
2 1 окисник відновлюється
Реакція із сульфатною кислотою відбувається досить повільно у випадку розбавлених розчинів та значно швидше при використанні концентрованих розчинів та нагрівання. У багатьох літературних джерелах (1, ст. 555) вказується, що розбавлена сульфатна кислота не реагує із міддю, але реально провести межу при якій концентрації починає проходити реакція неможливо, адже на швидкість протікання реакції впливають температура, тиск, наявність домішок. Тому більш вірно буде вважати, що при низьких концентраціях кислоти реакція відбувається досить повільно.
· Сумішами кислот ( та іншими)
Із сумішами кислот мідь теж вступає у хімічну взаємодію. В таких реакціях утворюються, як правило, комплексні сполуки міді.
Якщо використати суміш хлоридної та нітратної кислот , то у випадку міді буде утворюватися . Якщо використати суміш фтороводневої та нітратної кислот , то при дії суміші на мідь утворитися фторидний комплекс міді, де координаційне число складатиме 6: .
Рис. 1. Структура фторидної комплексної сполуки Купруму.
На рисунку 1 наведена будова фторидного комплексу Купруму, як видно із рисунка, фторидний комплекс має октаєдричну будову.
· Розчином або розтопом лугу
Мідь не являється амфотерним елементом і не вступає у реакції взаємодії із лугами.
· Розчинами солей з урахуванням гідролізу останніх
Мідь витісняє із розчинів солей ті метал, які розташовані у ряді напруг перед нею. До таких металів відносяться цинк, алюміній, хорм та багато інших. Нижче наведена реакція купрум (ІІ) сульфату із цинком:
Слід враховувати, що у розчинах солі купруму гідролізуються, особливо солі утворені слабкими кислотами, наприклад ацетати, йодиди, броміди. Тому потрібно враховувати гідроліз при складанні рівнянь реакцій.
Тому під час реакції із цинком будуть утворюватися продукти:
2.
На підставі відповідних термодинамічних розрахунків (визначення , , ) та аналізу значень окисно - відновних потенціалів встановіть імовірність перебігу реакцій, вказаних викладачем, та вкажіть умови їх реалізації (діапазон температур).
Нехай нам вказані реакції:
Тепловий ефект розраховують за стандартними теплотами утворення та згоряння. Тепловий ефект реакції рівний різниці між алгебраїчними сумами теплот утворення продуктів реакції та вихідних речовин:
, тоді зміна ентальпії системи буде рівною:
Отже зміна ентальпії системи рівна , тому ми можемо вважати, що реакція може відбуватися у прямому напрямку, її тепловий ефект додатній.
За рівнянням Гіббса визначимо як змінюватиметься ентропія та ентальпія системи: . При переході від найменш впорядкованого стану – газу до рідини чи твердого тіла ентропія зменшується. У нас в лівій частині рівняння розташовано одну молекулу газоподібних речовин, а у правій ні одної, тобто ентропія висока. А у правій не має газоподібних речовин, тобто у хімічній реакції ентропія системи зменшується.
Енергія Гіббса процесу рівна:
Оскільки значення енергії Гіббса відерне то дана реакція може відбуватися самодовільно.
Із виразу , при ми одержимо: , тому , це буде температура за якої встановиться рівновага системи. .
Отже хімічні рівновага встановиться за температури .
3.
Охарактеризуйте корозійну стійкість металу у кислому, нейтральному та лужному середовищах у присутності кисню (наведіть рівняння анодних та катодних реакцій, що перебігають на поверхні металу, загальні рівняння корозійного процесу та основні продукти корозії). Запропонуйте заходи щодо зниження корозійного руйнування метала.
Якщ
Спочатку розглянемо явище корозії у кислому середовищі. У кислому середовищі наявна велика кількість іонів . Тому розглянемо вплив іонів на корозію. У нейтральному середовищі іони взаємодіють згідно рівняння: . Потенціал реакції у нейтральному та слабко кислому середовищі буде рівний: , тому . Тому у кислому середовищі корозія міді неможлива. Для корозії у такому середовищі потрібні інші корозійно активні речовини.
Якщо розглянути корозійні середовища, які містять розчинений кисень, то можна записати рівняння реакції окиснення:
Потенціал такого процесу рівний: , у нейтральних середовищах він матиме значення: . Тобто розчинений у воді чи деяких речовинах кисень може окислювати мідь. У випадку міді в присутності розчиненого кисню відбувається процес окиснення міді: , далі іони міді будуть реагувати із аніонами кислот, які дисоціювали у розчині та утворювати солі, як правило при наявності розчиненого кисню та воду утворюватимуться гідроксосолі, такі як гідроксосульфат купруму: , тощо. Якщо реакція проходитиме в лужному середовищі, то за наявності розчиненого у воді та лузі кисню реакція проходитиме згідно рівняння: . Анодом буде мідний електрод, на ньому буде окислюватиметься мідь: . Електрони відновлюють кисень до гідроксид – іонів. В воде йони Сu2+
та OH-
взаємно реагують між собою:
Для зменшення впливу корозії можна запропонувати покриття міді менш активними речовинами, але враховуючи, що мідь доволі малоактивний метал такі покриття майже не застосовують. Можна запропонувати для зменшення впливу корозії покриття мідних деталей шарами лаків та фарб, антикорозійних мастик, тощо. Ці методи широко використовують у хімічній промисловості для захисту трубопроводів, ікі виготовлені із мідних труб.
4.
Визначте, чи буде кородувати метал з кисневою та водневою деполяризацією при заданих викладачем значеннях рН та концентрації Іонів кородуючого метала у корозійному середовищі. Розрахуйте у скільки разів зміниться швидкість корозії метала при зміні рН на одиницю.
Припустимо, що РН середовища складає приблизно 9, тому можна вважати, що середовище слабко лужне. В лучному середовищі мідні предмети можуть кородувати із кисневою деполяризацією. Потенціал такого процесу рівний: . Швидкість корозії металу залежатиме у значній мірі від РН середовища. Тому можна записати вираз:
реакція проходитиме згідно рівняння: . Анодом буде мідний електрод, на ньому буде окислюватиметься мідь: . Електрони відновлюють кисень до гідроксид – іонів. В воді йони Сu2+
та OH-
взаємно реагують між собою:
При зростанні РН на одиницю концентрація йонів гідроксилу зростає у 10 разів, тому ми можемо записати, що:
Як видно із розрахунків зростання концентрації лугу в розчині приведе до зростання значення електродного потенціалу, що приводить до зростання потенціалу корозійного процесу і може привести до зростання швидкості процесу корозії. Зростання концентрації йонів в розчині приводить до зменшення потенціалу корозійного процесу тому це зменшуватиме швидкість корозійного процесу.
5.
Назвіть метали, контакт з якими є небезпечним для заданого метала з точки зору його корозійного руйнування. Складіть схеми відповідних гальванічних елементів.
Стандартний електродний потенціал міді рівний . Тому при контакті із металами, потенціал яких буде більш негативний чим у міді, мідь виступатиме катодом і не окислюватиметься під час процесів електрохімічної корозії. Для прикладу розглянемо гальванічний елемент, що складається із цинкового та мідного електродів. Розглянемо стандартний гальванічний елемент, електроди якого виготовлені з міді і цинку і занурені в розчин електроліту. У ряді напруги металів цинк розташований перед міддю, тому він більш хімічно активний чим мідь. Тому мідний електрод буде катодом. Анодом буде цинковий електрод, на ньому буде окислюватимуться цинк:
Сумарне хімічне рівняння, яке описуватиме процеси, які протікають в гальванічному елементі матиме вигляд:
Електролітом в такому гальванічному елементі може служити розчин кислоти, наприклад сірчаної. Запис гальванічного елемента матиме вигляд: . Якщо розглянути контакт металів в нейтральному середовищі, то: . Анодом буде цинковий електрод, на ньому буде окислюватиметься цинк: . Електрони переходять в мідь, де вони відновлюють кисень до гідроксид – іонів: .
В воде йониZn2+
таOH-
взаємнореагують міжсобою:
При контакті із менш активними металами ситуація поміняється. У такому випадку окислюватися буде мідь. Але металів, які викликали б електрохімічну корозію міді в природі не багато, це ртуть, золото, срібло, платина. Розглянемо гальванічний елемент пластини якого виготовлені із міді та срібла.
У ряді напруги металів срібло розташоване позаду міді, тому воно менш хімічно активне чим мідь. Тому мідний електрод буде анодом. Катодом буде срібний електрод. На аноді відбуватиметься хімічна реакція окиснення міді:
Сумарне хімічне рівняння, яке описуватиме процеси, які протікають в гальванічному елементі матиме вигляд:
Електролітом в такому гальванічному елементі може служити розчин кислоти, наприклад сірчаної. Запис гальванічного елемента матиме вигляд: . Якщо розглянути контакт металів в нейтральному середовищі, то:
.
Анодом буде мідний електрод, на ньому буде окислюватиметься мідь: . Електрони переходять в срібло, де вони відновлюють кисень до гідроксид – іонів: .
В воде йониСu2+
таOH-
взаємнореагують міжсобою:
В результаті мідь кородуватиме, слід відмітити, що в реальних умовах корозія мідних деталей та виробів відбувається достатньо повільно та залежить від багатьох факторів, таких як температура, вологість, РН розчину, наявність солей у волозі, тощо.
6.
Опишіть сфери використання даного металу та застосування його у межах вашої спеціальності.
Мідь використовують з бронзового віку, зокрема, в Україні виявлені старі Картамиські мідні копальні на Луганщині, які датуються XVI ст. до н.е. на них видобували мідну руду та переробляли її
Сучасне широке застосування міді пов’язане з її високою електропровідністю, хімічною стійкістю, пластичністю і здатністю утворювати сплави з багатьма металами: оловом (бронза), цинком (латунь), нікелем (мельхіор) і ін. Мідь використовується в різних галузях промисловості: електротехнічній (50%), машинобудуванні (25%), будівельній, харчовій і хімічній (25%) галузях.
Використовується у чистому вигляді у електротехніці, вирізняється високою електро- і теплопровідністю. У сплавах з оловом і цинком – бронза і латунь, дюралюмін – також має широке застосування. У монетній справі з часів античності мідь використовувалась у складі сплавів (лігатур).
Сплави міді розділяють на конструкційні, електротехнічні. До конструкційних сплавів відносять різноманітні сплави міді та нікелю, такі як нейзильбери та мельхіори. Мельхіори містять 20 – 30% нікелю, до 70 % міді та невеликі кількості заліза, та марганцю. Нейзильбери містять 5 – 35% нікелю та 13 – 455 цинку. Завдяки стійкості проти корозії у воді дані сплави широко використовуються у суднобудуванні, та енергетиці. Із них виготовляють радіатори, дистиляційні установки для підводних човнів, трубопроводи.
Електротехнічні сплави міді, а саме константан ( 40 % Ni, 0,5 % Mn), та манганін ( 3 % Ni, 13 % Mn) володіють низьким коефіцієнтом електричного опору та використовуються для виготовлення резисторів, копель ( 43 % Ni, 0,5 % Mn) використовують для виготовлення термопар.
У промисловості використовують не тільки чисту мідь, але і різноманітні її сполуки, як природні так і штучні.
Із природних сполук Купруму можна назвати малахіт, який використовується для виготовлення різноманітних декоративних та ювелірних виробів.
Якщо розглядувати сполуки Купруму, то найбільше використання мають солі Купруму: Купруму (ІІ) сульфат , який використовують як протраву для насіння, Купруму (ІІ) хлорид, , Купруму (ІІ) ацетат використовують у якості барвника.
Список використаної літератури.
1. Глинка Н. Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1988. – 702 с.
2. Гончаров А. І., Корнілов М. Ю. Довідник з хімії. – К.: Вища школа, 1974. – 303 с.
3. Хомченко І. Г. Загальна хімія. – К.: Вища школа, 1993. – 420 с.
4. Крешков А. П., Ярославцев А. А. Курс аналитической химии. – М.: Химия, 1964. – 430 с.
5. Химия: Справочное издание/ под ред. В. Шретер, К.-Х, Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. – М.: Химия, 1989.– 648 с.
6. Химическая энциклопедия в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. – М.: Советская энциклопедия, 1990.