Медь и серебро (стр. 1 )

МЕДЬ И СЕРЕБРО

Медь и серебро располагаются в побочной подгруппе I группы Периодической системы химических элементов, в которую также входит золото Au. Поскольку золото и его соединения мало используются в химическом практикуме, данная глава будет посвящена свойствам меди и серебра.

Исторические сведения. Медь и серебро принадлежат к числу семи металлов, известных человечеству издревле, поэтому точная дата их открытия не известна.

Современные историки полагают, что люди начали использовать медь около семи тысяч лет тому назад (V тысячелетие до н. э.). В природе медь изредка встречается в виде самородков. Именно из такой самородной меди были изготовлены первые металлические орудия труда. Спустя 15 веков (около 3500 лет до н. э.) люди научились извлекать медь из руды. По всей видимости, медь стала первым металлом, который человек начал выплавлять из руды. Благодаря этому медные изделия повсеместно стали замещать каменные – наступил «медный век». Еще спустя 500 лет (около 3000 года до н. э.) в медь стали добавлять олово, чтобы получить более твердую и прочную бронзу. Открытие бронзы могло произойти случайно, однако ее преимущества по сравнению с чистой медью быстро вывели этот сплав на первое место. Так начался «бронзовый век». И хотя в настоящее время длится «железный век», бронза до сих пор остается широко применяемым сплавом.

Русское слово медь, по мнению некоторых исследователей, произошло от слова мида, которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще. Латинское название металла cuprum происходит от острова Кипр (Cyprus), на котором находились рудники, являвшимися какое-то время основными поставщиками меди в Древнюю Грецию и Древний Рим. Поэтому латинское название меди можно перевести на русский язык как металл с острова Кипр.

Приблизительной датой знакомства человека с серебром считается начало IV тысячелетия до н. э. Открытию серебра способствовало то, что в свое время серебро, равно как и золото, часто встречалось в самородном виде – его не приходилось выплавлять из руды. Красивый блестящий металл сразу привлек внимание и занял значительное место в культурных традициях различных народов. Например, в Ассирии и Вавилоне серебро считалось священным металлом и являлось символом Луны; до недавних времен у монголов серебряные изделия ценились выше золотых. В течение нескольких тысячелетий серебро, наряду с золотом и медью, было одним из основных монетных металлов.

Происхождение названий серебра доподлинно неизвестно. Есть предположение, что русское слово серебро восходит к санскритскому сарпа, что обозначало Луну. Поэтому название серебро можно истолковать как металл лунного цвета. Примечательно, что и латинское название argentum также связано с окраской серебра: оно произошло от греческого слова argos (белый, блестящий).

Распространение в природе. В виде соединений медь встречается во многих местах и в больших количествах. Самородная медь распространена гораздо меньше. Поэтому сегодня практически вся медь добывается из ее руд. В природе этот элемент находится чаще всего в виде сульфида, оксида или карбоната. Всего медь образует свыше 170 минералов, из которых 17 имеют промышленное значение. Важнейшими медными рудами, кроме самородной меди, являются халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, который, по оценкам, составляет около 50% всех медных месторождений, халькозин (медный блеск) Cu2S, куприт (красная медная руда) Cu2O, малахит Cu(OH)2∙CuCO3 и азурит (медная лазурь) 2CuCO3×Cu(OH)2. Небольшое значение имеют силикаты меди, такие как хризоколл CuSiO3×2H2O и диоптаз CuSiO3×H2O, иногда используемые как драгоценные камни.

Серебро – редкий элемент; в земной коре его почти в тысячу раз меньше, чем меди. Встречается оно в природе в основном в виде соединений: известно свыше 50 минералов серебра, главными из которых являются аргентит (серебряный блеск) Ag2S, пираргирит Ag3SbS3, прустит Ag3AsS3, кераргирит (роговое серебро) AgCl и бромаргирит AgBr. Нередко в природе встречается самородное серебро, отдельные экземпляры которого достигали гигантских размеров. Например, в 1477 году на одном из приисков в Рудных горах (Германия) был обнаружен самородок серебра размером 1×1×2,2 м, содержавший около 18 тонн чистого серебра. Уже в XX веке в провинции Онтарио (Канада) был найден самородок, имевший вид пластины размером 30×18 м. Когда из него было выплавлено чистое серебро, его оказалось 20 тонн. Надо сказать, что собственно серебряные месторождения давно уже разработаны и теперь довольно редки. Поэтому сегодня около 80-90% серебра добывается в результате комплексной переработки полиметаллических руд, содержащих свинец, медь и цинк.

Физические свойства. Медь – один из трех (наряду с золотом и цезием) интенсивно окрашенных металлов. Она обладает характерной красноватой окраской. На свежем изломе или срезе цвет розовый, но из-за образования оксидной пленки он постепенно темнеет. Чистая медь достаточно мягка, обладает большой вязкостью и хорошо тянется, но наличие ряда примесей (например, мышьяка, сурьмы или серы) вызывает повышение твердости и ломкости. Плотность меди равна 8,96 г/см3, что позволяет отнести ее к тяжелым металлам. По температуре плавления (1083оС) медь занимает промежуточное положение между легкоплавкими и тугоплавкими металлами, но все же ее чаще относят к веществам с высокой температурой плавления. Кипит медь при 2600оС.

Серебро является благородным металлом с красивым белым блеском. В видимой области спектра у чистого серебра наибольший среди металлов коэффициент отражения падающих лучей, который может достигать 99% в зависимости от длины света. Серебро сравнительно легко плавится (при 921оС). Температура кипения составляет 2212оС. По твердости оно стоит между медью и золотом. Аналогично золоту серебро легко протягивается: из одного грамма металла можно вытянуть тончайшую проволочку длиной почти два километра. Серебро – довольно тяжелый металл: по плотности (10,5 г/см3) оно лишь немного уступает свинцу. Одним из интересных физических свойств серебра является поглощение кислорода. При повышенных температурах оно способно поглотить значительные количества этого газа (до 20 объемов на 1 объем серебра), при этом образуется раствор кислорода в твердом или жидком серебре. При охлаждении такого раствора происходит красивое, но опасное явление – «серебряный взрыв», который известен с древних времен. Если расплавленное серебро поглотило значительные количества кислорода, то затвердевание металла сопровождается высвобождением большого количества газа. Под давлением выделяющегося кислорода корка на поверхности застывающего серебра разрывается, часто с большой силой. В результате происходит внезапное взрывное разбрызгивание металла, как будто металл взорвался изнутри.

Оба рассматриваемых в данной главе металла отличаются очень высокой электро - и теплопроводностью. Среди металлов серебро – самый лучший проводник тока; медь находится на втором месте. Это обусловило широкое применение меди и серебра в электротехнике.

Химические свойства. Хотя медь и серебро расположены в той же группе, что щелочные металлы, сходство между ними минимальное. Пожалуй, единственное, что их объединяет, – это возможность проявлять валентность I. Но и здесь проявляется небольшое отличие: в то время как щелочные металлы исключительно одновалентны в своих соединениях, серебро и особенно медь могут проявлять и более валентные состояния. По остальным параметрам гораздо больше отличий между элементами главной и побочной подгрупп I группы, чем сходства. Например, щелочные металлы находятся в начале ряда металлов, а медь и серебро – в конце. Металлы главной подгруппы образуют сильные основания, тогда как металлы побочной подгруппы – слабые. Литий и его аналоги вступают в реакцию со многими реагентами уже при комнатной температуре, а медь и серебро – как правило, при нагревании. Среди всех элементов щелочные металлы обладают наименьшей склонностью к комплексообразованию, в то время как элементы побочной подгруппы I группы очень легко образуют различные комплексные соединения.

Согласно правилу Клечковского и схеме Гольданского, в атомах меди и серебра на d-подуровне предпоследнего слоя должно находиться по 9 электронов. Однако вследствие устойчивости d10-конфигурации энергетически оказывается более выгодным переход одного электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь или с 5s на 4d (явление «провала» электрона). Таким образом, строение электронной оболочки данных атомов может быть представлено в следующем виде:

Cu − 1s22s22p63s23p63d104s1;

Ag − 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1.

В соответствии с указанными выше электронными формулами и медь, и серебро должны проявлять одну устойчивую валентность I. Но это справедливо только для серебра, которое, впрочем, изредка бывает двух - или трехвалентным. Для меди наиболее устойчивой, особенно в водных растворах, является валентность II. Кроме того, известно несколько соединений, в которых медь трехвалентна.

Как и подавляющее большинство d-металлов, медь и серебро очень легко образуют различные комплексные соединения, которых известно гораздо больше, чем обычных соединений этих металлов.

В электрохимическом ряду напряжений металлов медь и серебро располагаются сразу после водорода, следовательно, они являются малоактивными металлами. Это утверждение подтверждается практикой: при комнатной температуре медь соединяется только с галогенами, да и то скорость реакции очень мала. В реакции с фтором, хлором и бромом медь двухвалентна, а с йодом – одновалентна. Это вызвано тем, что окисляющей способности йода не хватает для окисления меди до двухвалентного состояния, зато достаточно для перевода в одновалентное:

При обычных условиях серебро также должно взаимодействовать с хлором и его аналогами, но в самом начале реакции на поверхности металла образуется защитная пленка из трудно Растворимого галогенида серебра, которая препятствует дальнейшему протеканию процесса. Поэтому более или менее заметное взаимодействие серебра с галогенами можно наблюдать лишь при повышенных температурах: