«Загадочная медь» (стр. 3 )

NaBr + H2SO4 (р-р) = NaHSO4 + HBr↑

Реакцию проводили на холоду.

Рис. 3. Взаимодействие бромида калия с серной кислотой

концентрацией ~96 % (1), ~65 % (2) и

концентрированной фосфорной кислотой (3).

Рис. 4. Доказательство кислотного характера продуктов

взаимодействия кислот с бромидом калия с

использованием влажной лакмусовой бумаги.

На рис. 3 и 4 хорошо видно, что одновременно с выделением бромоводорода происходит его окисление и образование брома по реакции:

2HBr + H2SO4 (к онц.) = Br2 + SO2↑ + 2H2O

Понижение концентрации серной кислоты до 65 % , позволяло получать бромоводород без видимой примеси брома (рис. 3-2 и 4-2). Пропусканием бромоводорода через воду получали достаточно концентрированный раствор бромоводородной кислоты (рис. 5).

Чистый раствор бромоводородной кислоты представлял бесцветную и иногда желтоватую прозрачную жидкость, возможно за счет выделения незначительного количества брома.

Выполнение опыта. 10 г бромида натрия помещали в большую пробирку, смачивали раствором серной кислоты и быстро закрывали пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки опускали в пробирку с 3 мл воды, при этом газоотводная трубка не должна была касаться воды. Пробирку с водой закрывали и охлаждали снегом или льдом. В результате получался достаточно концентрированный раствор бромоводородной кислоты (рис. 4).

Рис. 5. Обнаружение бромид-иона с помощью нитрата

серебра в растворе продукта взаимодействия

бромида калия с 65 %-ной серной кислотой.

Б. Взаимодействием концентрированной фосфорной кислоты с бромидами.

Для получения бромоводорода из бромида калия серную кислоту можно заменить концентрированной фосфорной (рис. 3-3 и 4-3):

NaBr + H3PO4 = NaH2PO4 + HBr↑

Оба способа позволяли получить бромоводородную кислоту с концентрацией, достаточной для взаимодействия с медью.

2.2. Опыты с металлической медью

2.2.1. Растворение меди в растворе аммиака

Реактивы. Свежеосажденная медь, 10%-й раствор аммиака.

Проведение опыта. В пробирку объемом 15 мл поместили несколько крупинок свежеосажденной меди и прилили 3 мл раствора аммиака.

Пробирку закрыли пробкой и сильно встряхивали в течение нескольких секунд. Получили ярко-синий раствор, характерный для катиона тетраамминмеди(II) (рис. 6-2) [4]. Такую же окраску имел раствор сравнения, полученный добавлением раствора аммиака к сульфату меди(II) (рис. 6-3).

Рис.6. Растворение меди в растворе аммиака:

1.  пробирка с медью до пробки заполнена раствором аммиака;

2.  раствор после взаимодействия меди с раствором аммиака;

3.  раствор сравнения;

4.  раствор сульфата меди(II).

Объяснение опыта. В этой реакции металлическая медь растворялась, а значит окислялась. В литературе мы нашли сведения о роли кислорода в этой реакции, который обычно выступает в роли окислителя.

Чтобы проверить эту гипотезу, мы провели дополнительные опыты:

1. Исключили кислород, заполнив пробирку полностью раствором

аммиака (рис. 6-1). Затем пробирку интенсивно встряхивали;

2. Пропускали кислород, полученный разложением пероксида водорода, (рис. 7-1) через раствор аммиака с медью, без встряхивания пробирки

(рис. 7-2);

3. Добавляли каплю пероксида водорода непосредственно в реакционную пробирку, которую в дальнейшем не встряхивали (рис. 7-3). Раствор очень быстро приобретал ярко – синюю окраску.

В отсутствии кислорода растворение меди не происходило; раствор не приобретал синий цвет (рис. 6-1).

А Б

Рис. 7. Влияние кислорода на взаимодействие

меди с раствором аммиака (А) и полученные растворы (Б):

1.  получение кислорода разложением пероксида водорода;

2.  пропускание кислорода через раствор аммиака с медью;

3.  добавление капли пероксида водорода в раствор аммиака с медью.

Растворение меди в растворе аммиака можно объяснить так. При окислении меди кислородом воздуха в присутствии аммиака образуется устойчивый комплексный ион, который и определяет направление химической реакции:

2Cu + 8NH3 + O2 + 2H2O = 2[Cu(NH3)4]2(ОН)2

Гидроксид тетраамминмеди(II)

2.2.2. Взаимодействие меди с концентрированной соляной и

разбавленной серной кислотами

Реактивы. Свежеосажденная медь, соляная кислота концентрацией ~35 % (плотность 1,175 г/см3) и разбавленная серная кислота концентрацией ~10 % (плотность 1,070 г/см3).

Проведение опыта. В пробирку объемом 15 мл поместили несколько крупинок свежеосажденной меди и прилили 3 мл раствора кислоты.

Пробирку закрыли пробкой и сильно встряхивали. Наблюдали растворение меди и окрашивание раствора в темно - зеленый цвет (в HCl, рис. 8-А) и голубой цвет (в H2SO4 , рис. 8-Б). При добавлении воды к зеленому раствору, он также становился голубым. Такой цвет растворов характерен для аквакомплексов меди(II).

Для подтверждения присутствия в голубых растворах катионов двухвалентной меди были выполнены качественные реакции с аммиаком и гексацианоферратом (II) калия. Получили соответственно темно – синее окрашивание раствора и образование красного осадка гексацианоферрата(II) меди(II) [6].

Для уточнения роли кислорода в реакции меди с кислотами проводили дополнительные опыты (см. раздел 2.2.1).

Объяснение опыта. Учитывая, что продукты реакции представляют соли двухвалентной меди, а реакция не идет в отсутствие кислорода воздуха, можно написать следующие уравнения:

2Cu + O2 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + 2H2O

2Cu + O2 + 4HCl = 2CuCl2 + 2H2O

А Б

Рис. 8. Взаимодействие меди с концентрированной соляной

кислотой (А) и разбавленной серной кислотой (Б):

1.  до начала реакции;

2.  после окончания реакции;

3.  после разбавления полученного раствора водой;

4.  после добавления к раствору 3 раствора аммиака;

5.  после добавления к раствору 3 раствора гексацианоферрата(II) калия.

2.2.3. Растворение меди в растворе хлорида железа(III)

Реактивы. Свежеосажденная медь, ~7 %-й раствор хлорида железа(III).

Проведение опыта. В пробирку поместили немного свежеосажденной меди и прилили раствор хлорида железа(III). Для увеличения скорости реакции пробирку нагревали горячей водой. Наблюдали изменение цвета раствора (рис. 9).

Рис. 9. Раствор хлорида железа(III) с медью в начале (слева) и

после окончания реакции (справа).

Рис. 10. Доказательство присутствия в растворе катионов

Fe2+ (1) и Cu2+ (2).

При добавлении аммиака раствор окрашивался в темно – синий цвет, характерный для комплекса [Cu(NH3)4] 2+ . Доказательством присутствия в растворе соли двухвалентного железа служило появление синего осадка в реакции с красной кровяной солью. Стоит отметить, что присутствие катионов Fe2+ и Fe3+ не мешает качественной реакции на катионы Cu2+ так как в этих условиях указанные катионы осаждаются в виде гидроксидов

железа (рис. 11). В свою очередь присутствие в растворе катионов двухвалентной меди не мешает открывать катионы Fe2+ с помощью красной кровяной соли. Однако катионы Cu2+ мешают определению Fe3+ с помощью желтой кровяной соли, так как протекает качественная реакция с образованием красного осадка (рис. 12) гексацианоферрата(II) меди:

2Cu2+ + [Fe(CN)6]4- = Cu2[Fe(CN)6]

Рис. 11. Взаимодействие растворов солей железа с раствором

аммиака:

1.  хлорид железа(III);

2.  сульфат железа(II).

Рис. 12. Раствор сульфата меди(II) после добавления растворов

красной (1) и желтой (2) кровяной соли.

Объяснение опыта. Сравнение степеней окисления меди и железа в исходных веществах и продуктах реакции позволило установить окислитель – ион железа Fe3+ (Fe3+ + 1ē → Fe2+) и восстановитель - атом меди

(Cu0 - 2ē → Cu2+). Поэтому сделан вывод о том, что протекает процесс, описываемый следующим химическим уравнением:

Сu + 2FeCl3 = CuCl2 + 2FeCl2.

2.2.4. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой

Реактивы. Свежеосажденная медь, раствор бромоводородной кислоты.

Проведение опыта. В пробирку с небольшим количеством свежеосажденной меди приливали 3–5 мл бромоводородной кислоты и осторожно и непродолжительно нагревали на пламени спиртовки. Наблюдали энергичное взаимодействие меди с кислотой (рис. 13). Выделяющийся газ собирали в пробирку и подносили к пламени. Характерный тихий хлопок при его сгорании позволял идентифицировать водород.

Рис. 13. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой.

Объяснение опыта. Медь в этой реакции является восстановителем. Образование молекулярного водорода указывает на роль катионов водорода как окислителя в этой реакции.

Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой объясняют тем, что в результате реакции образуется комплексное соединение Н[CuBr2] по реакции:

4HBr + 2Сu = 2H[CuBr2] + H2↑

Комплексный ион [CuBr2]- – достаточно прочный, вследствие чего концентрация ионов меди Cu+ в растворе оказывается ничтожно малой.

Поэтому электродный потенциал меди становится отрицательным и происходит выделение водорода. Мы попробовали подтвердить это объяснение соответствующими расчетами (Приложение 3).

2.3. Изучение амфотерных свойств оксида меди(I)

К свежеосажденному красному оксиду меди(I) добавляли соляную кислоту, раствор аммиака и очень крепкий раствор гидроксида натрия и перемешивали. Наблюдали растворение осадков (рис. 14).