«Загальнахарактеристика хімічних властивостей Купруму»
Хімічний елемент Купруму земній корі не надто поширений, всього лише 0,01 %, але він достатньо часто зустрічаєтьсяі самородному вигляді і тому давно використовується людиною. Мідь була першим металом,отримувати який навчилася людина.
Наведітьелектронну та електронно-графічну формули атома Купруму, його основні ступеніокиснення у сполуках, стандартний електродний потенціал та зробіть на основі цьоговисновок щодо хімічної активності металу.
Хімічнийелемент Купрум розташований у періодичній системі хімічних елементів піл порядковимномером 29. віз розміщений у першій групі, побічній підгрупі, та у четвертому періоді.Оскільки його порядковий номер рівний 29, на енергетичних рівнях елемента буде розміщуватися29 електронів, тому електронні формула елемента буде наступною:
/>
Складемотакож єлектронно-графічну формулу елемента: />
Мідь відносять доd-елементів, а її валентні електронирозміщені на 3d- та 4s-підрівнях.Тому у сполуках Купрум проявляє ступені окиснення +1 та +2, віддаючи електрони,тому його можна віднести до металів.
Якщо розглянути електроннубудову атомів Купруму та Нікелю, то можна зробити висновок, що для Купруму є характернимпроскок електрона із 4s на 3d-підрівень.
Стандартний електроднийпотенціал для Купруму рівний />, більшістьметалів має електродний потенціал значно більш негативний чим у Купруму. На основізначення стандартного електродного потенціалу та розташування електронів на енергетичнихрівнях та підрівнях атома елемента можна зробити висновок, що хімічний елемент Купрумне відноситься до активних металів. По своїх властивостях він нагадуватиме Арґентумта Аурум, хоча й буде більш активним порівняно із ними.
1. Опишітьхімічні властивості Купруму – його реакції із:
· Киснем
У реакції із киснемможна прогнозувати утворення двох оксидів: Cu2O та CuO. При нагріванні міді в атмосфері киснюутворюється спочатку CuO, Купруму (ІІ) оксид, речовина чорного кольору:
/>
Дана реакція протікаєв температурному інтервалі від 200 до 375ºС. при подальшому нагріванні привищих температурах на поверхні міді утворюється оксидна плівка CuO, а під нею шар Cu2O, червоного кольору: />.
· Галогенами
Мідь являється малоактивнимметалом, але із галогенами вона реагує вже при кімнатній температурі. На швидкістьреакції впливає вологість, у вологому середовищі реакція прискорюється.
/>
· Водою
Мідь не реагує ізводою. 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.
· Хлороводневоюкислотою
Оскільки у ряді напругметалів мідь розташована після водню, то вона не може витісняти водень із розчинівхлороводневої кислоти. Тому вона не реагує із розчинами хлороводневої кислоти.
У присутності киснюможлива реакція розчинення міді у хлороводневій кислоті із утворенням відповіднихсолей.
/>
Нагрівання реакційноїсуміші буде прискорювати дану реакцію.
· Нітратною(V) кислотою різних концентрацій
Мідь розчиняєтьсяв нітратній кислоті різної концентрації із утворенням Купрум (ІІ) нітрату Cu(NO3)2 та оксидів Нітрогену. При зростанні температуриреакція взаємодії із нітратною кислотою прискорюється, її прискорює також зростанняконцентрації кислоти.
Розбавлена нітратнакислота в реакції із міддю відновлюється до NO:
HNO3+ Cu = Cu(NO3)2 + NO + H2OРеакція Коефіцієнт Речовина
Cu – 2e = Cu2+ 3 Відновник
NO3- + 4H+ + 3e = NO + 2H2O 2 Окисник
8HNO3+ 3Cu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
У випадку концентрованогорозчину нітратної кислоти відновлення відбувається до NO2.
Cu + HNO3= Cu(NO3)2 + NO2 + H2OРеакція Коефіцієнт Речовина
Cu – 2e = Cu2+ 1 Відновник
NO3- + 2H+ + 1e = NO2 + H2O 2 Окисник
Cu + 4HNO3= Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Виділення водню вреакціях із нітратною кислотою не відбувається.
· Сульфатною(VI) кислотою різних концентрацій
Із сульфатною кислотою/> мідь утворює Купруму (ІІ) сульфатта SО2:
Сu0+2Н2S+6O4(конц )= Cu+2SO4 + S+4О2 + 2H2O
Сu0-2е = Сu+2 2 2 1 відновник окиснюється
S+6+2е = S+4 2 1 окисник відновлюється
Реакція із сульфатноюкислотою відбувається досить повільно у випадку розбавлених розчинів та значно швидшепри використанні концентрованих розчинів та нагрівання. У багатьох літературнихджерелах (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, наявністьдомішок. Тому більш вірно буде вважати, що при низьких концентраціях кислоти реакціявідбувається досить повільно.
· Сумішами кислот(/> та іншими)
Із сумішами кислотмідь теж вступає у хімічну взаємодію. В таких реакціях утворюються, як правило,комплексні сполуки міді.
Якщо використати сумішхлоридної та нітратної кислот />, то у випадкуміді буде утворюватися />. Якщо використатисуміш фтороводневої та нітратної кислот />,то при дії суміші на мідь утворитися фторидний комплекс міді, де координаційне числоскладатиме 6: />.
/>
Рис. 1. Структурафторидної комплексної сполуки Купруму.
На рисунку 1 наведенабудова фторидного комплексу Купруму, як видно із рисунка, фторидний комплекс маєоктаєдричну будову.
· Розчином аборозтопом лугу
Мідь не являєтьсяамфотерним елементом і не вступає у реакції взаємодії із лугами.
· Розчинамисолей з урахуванням гідролізу останніх
Мідь витісняєіз розчинів солей ті метал, які розташовані у ряді напруг перед нею. До таких металіввідносяться 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 складаннірівнянь реакцій.
/>
/>
Тому підчас реакції із цинком будуть утворюватися продукти:
/>
2. Напідставі відповідних термодинамічних розрахунків (визначення />, />, />) та аналізу значень окисно- відновних потенціалів встановіть імовірність перебігу реакцій, вказанихвикладачем, та вкажіть умови їх реалізації (діапазон температур).
Нехай нам вказаніреакції:/>
/>
Тепловий ефект розраховуютьза стандартними теплотами утворення та згоряння. Тепловий ефект реакції рівний різниціміж алгебраїчними сумами теплот утворення продуктів реакції та вихідних речовин:
/>, тоді зміна ентальпії системибуде рівною: />
/>
Отже зміна ентальпіїсистеми рівна />, тому ми можемо вважати, що реакціяможе відбуватися у прямому напрямку, її тепловий ефект додатній.
За рівнянням Гіббсавизначимо як змінюватиметься ентропія та ентальпія системи: />. При переході від найменш впорядкованогостану – газу до рідини чи твердого тіла ентропія зменшується. У нас в лівій частинірівняння розташовано одну молекулу газоподібних речовин, а у правій ні одної, тобтоентропія висока. А у правій не має газоподібних речовин, тобто у хімічній реакціїентропія системи зменшується.
/>
/>
Енергія Гіббса процесурівна:
/>
Оскільки значенняенергії Гіббса відерне то дана реакція може відбуватися самодовільно.
Із виразу />, при /> ми одержимо: />, тому />, це буде температура за якоївстановиться рівновага системи. />.
Отже хімічні рівновагавстановиться за температури />.
3. Охарактеризуйтекорозійну стійкість металу у кислому, нейтральному та лужному середовищах уприсутності кисню (наведіть рівняння анодних та катодних реакцій, щоперебігають на поверхні металу, загальні рівняння корозійного процесу таосновні продукти корозії). Запропонуйте заходи щодо зниження корозійногоруйнування метала.
Якщо розглянути явищакорозії, то можна виділити корозію у кислому, лужному та нейтральному середовищі.Мідь доволі стійка до впливу корозійно активних речовин, оскільки вона розміщенау ряді напруг після водню та має на поверхні доволі міцну оксидну плівку.
Спочатку розглянемоявище корозії у кислому середовищі. У кислому середовищі наявна велика кількістьіонів />. Тому розглянемо вплив іонів/> на корозію. У нейтральномусередовищі іони /> взаємодіють згіднорівняння: />. Потенціал реакції у нейтральномута слабко кислому середовищі буде рівний: />,тому />. Тому у кислому середовищікорозія міді неможлива. Для корозії у такому середовищі потрібні інші корозійноактивні речовини.
Якщо розглянути корозійнісередовища, які містять розчинений кисень, то можна записати рівняння реакції окиснення:
/>
Потенціал такого процесурівний: />, у нейтральних середовищахвін матиме значення: />. Тобто розчиненийу воді чи деяких речовинах кисень може окислювати мідь. У випадку міді в присутностірозчиненого кисню відбувається процес окиснення міді: />,далі іони міді будуть реагувати із аніонами кислот, які дисоціювали у розчині таутворювати солі, як правило при наявності розчиненого кисню та воду утворюватимутьсягідроксосолі, такі як гідроксосульфат купруму: />,тощо. Якщо реакція проходитиме в лужному середовищі, то за наявності розчиненогоу воді та лузі кисню реакція проходитиме згідно рівняння: />. Анодом буде мідний електрод, наньому буде окислюватиметься мідь: />. Електрони відновлюють кисень до гідроксид– іонів. В воде йони Сu2+ та OH — взаємно реагують між собою:
/>
Для зменшеннявпливу корозії можна запропонувати покриття міді менш активними речовинами, алевраховуючи, що мідь доволі малоактивний метал такі покриття майже не застосовують.Можна запропонувати для зменшення впливу корозії покриття мідних деталей шарамилаків та фарб, антикорозійних мастик, тощо. Ці методи широко використовують у хімічнійпромисловості 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 РНсередовища складає приблизно 9, тому можна вважати, що середовище слабко лужне.В лучному середовищі мідні предмети можуть кородувати із кисневою деполяризацією.Потенціал такого процесу рівний: />. Швидкістькорозії металу залежатиме у значній мірі від РН середовища. Тому можна записативираз: />
реакціяпроходитиме згідно рівняння: />. Анодом буде мідний електрод, на ньомубуде окислюватиметься мідь: />. Електрони відновлюють кисень до гідроксид– іонів. В воді йони Сu2+ та OH — взаємно реагують між собою:
/>
При зростанні РН наодиницю концентрація йонів гідроксилу зростає у 10 разів, тому ми можемо записати,що:
/>
Як видно ізрозрахунків зростання концентрації лугу в розчині приведе до зростання значенняелектродного потенціалу, що приводить до зростання потенціалу корозійного процесуі може привести до зростання швидкості процесу корозії. Зростання концентрації йонів/> в розчині приводить до зменшенняпотенціалу корозійного процесу тому це зменшуватиме швидкість корозійного процесу.
5. Назвітьметали, контакт з якими є небезпечним для заданого метала з точки зору йогокорозійного руйнування. Складіть схеми відповідних гальванічних елементів.
Стандартний електроднийпотенціал міді рівний />. Тому при контактііз металами, потенціал яких буде більш негативний чим у міді, мідь виступатиме катодомі не окислюватиметься під час процесів електрохімічної корозії. Для прикладу розглянемогальванічний елемент, що складається із цинкового та мідного електродів. Розглянемостандартний гальванічний елемент, електроди якого виготовлені з міді і цинку і зануренів розчин електроліту. У ряді напруги металів цинк розташований перед міддю, томувін більш хімічно активний чим мідь. Тому мідний електрод буде катодом. Анодом будецинковий електрод, на ньому буде окислюватимуться цинк:
/>
Сумарне хімічне рівняння,яке описуватиме процеси, які протікають в гальванічному елементі матиме вигляд:
/>
Електролітом в такомугальванічному елементі може служити розчин кислоти, наприклад сірчаної. Запис гальванічногоелемента матиме вигляд: />. Якщо розглянути контакт металів в нейтральномусередовищі, то: /> . Анодом буде цинковий електрод, на ньомубуде окислюватиметься цинк: />. Електрони переходять в мідь, де вони відновлюютькисень до гідроксид – іонів: />.
В воде йони Zn2+ та OH — взаємно реагують між собою:
/>
При контакті із меншактивними 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 якоговиготовлені із міді та срібла.
У ряді напруги металівсрібло розташоване позаду міді, тому воно менш хімічно активне чим мідь. Тому міднийелектрод буде анодом. Катодом буде срібний електрод. На аноді відбуватиметься хімічнареакція окиснення міді:
/>
Сумарне хімічне рівняння,яке описуватиме процеси, які протікають в гальванічному елементі матиме вигляд:
/>
Електролітом в такомугальванічному елементі може служити розчин кислоти, наприклад сірчаної. Запис гальванічногоелемента матиме вигляд: />. Якщо розглянути контакт металів в нейтральномусередовищі, то:
/>.
Анодом буде міднийелектрод, на ньому буде окислюватиметься мідь: />. Електрони переходять в срібло,де вони відновлюють кисень до гідроксид – іонів: />.
В воде йони Сu2+ та OH — взаємно реагують між собою:
/>
В результаті мідькородуватиме, слід відмітити, що в реальних умовах корозія мідних деталей та виробіввідбувається достатньо повільно та залежить від багатьох факторів, таких як температура,вологість, РН розчину, наявність солей у волозі, тощо.
6. Опишітьсфери використання даного металу та застосування його у межах вашої спеціальності.
Мідьвикористовують з бронзового віку, зокрема, в Україні виявлені старі Картамиськімідні копальні на Луганщині, які датуються XVI ст. до н.е. на них видобували міднуруду та переробляли її
Сучасне широкезастосування міді пов’язане з її високою електропровідністю, хімічноюстійкістю, пластичністю і здатністю утворювати сплави з багатьма металами:оловом (бронза), цинком (латунь), нікелем (мельхіор) і ін. Мідьвикористовується в різних галузях промисловості: електротехнічній (50%),машинобудуванні (25%), будівельній, харчовій і хімічній (25%) галузях.
Використовуєтьсяу чистому вигляді у електротехніці, вирізняється високою електро- ітеплопровідністю. У сплавах з оловом і цинком – бронза і латунь, дюралюмін –також має широке застосування. У монетній справі з часів античності мідьвикористовувалась у складі сплавів (лігатур).
Сплави міді розділяютьна конструкційні, електротехнічні. До конструкційних сплавів відносять різноманітнісплави міді та нікелю, такі як нейзильбери та мельхіори. Мельхіори містять 20 –30% нікелю, до 70 % міді та невеликі кількості заліза, та марганцю. Нейзильберимістять 5 – 35% нікелю та 13 – 455 цинку. Завдяки стійкості проти корозії у водідані сплави широко використовуються у суднобудуванні, та енергетиці. Із них виготовляютьрадіатори, дистиляційні установки для підводних човнів, трубопроводи.
Електротехнічні сплавиміді, а саме константан ( 40 % Ni, 0,5 % Mn), та манганін ( 3 % Ni, 13 % Mn) володіють низьким коефіцієнтом електричногоопору та використовуються для виготовлення резисторів, копель ( 43 % Ni, 0,5 % Mn) використовують для виготовлення термопар.
У промисловості використовуютьне тільки чисту мідь, але і різноманітні її сполуки, як природні так і штучні.
Із природних сполукКупруму можна назвати малахіт, який використовується для виготовлення різноманітнихдекоративних та ювелірних виробів.
Якщо розглядуватисполуки Купруму, то найбільше використання мають солі Купруму: Купруму (ІІ)сульфат />, який використовують як протравудля 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: Справочноеиздание/ 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.