Лабораторный опыт 24, страница 215 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 45. Медь. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - страница 215.

Условие.

Лабораторный опыт 24. Свойства меди, её сплавов и соединений

1. Ознакомьтесь с минералами меди, отметьте их окраску, исследуйте твёрдость. Их формулы и названия запишите в тетрадь.

2. Рассмотрите выданные вам образцы меди и медных сплавов. Отметьте их цвет, запишите состав сплавов в тетрадь. Укажите области их применения.

3. К раствору сульфата меди(II) добавляйте по каплям раствор гидроксида натрия. Образующийся сначала голубой осадок основной соли в избытке щёлочи переходит в синий гидроксид меди(II). Нагрейте пробирку с гидроксидом меди(II) в пламени спиртовки. Чем вызвано изменение окраски?

4. Нагрейте на пламени спиртовки сухую пробирку с несколькими кристаллами медного купороса. Что вы наблюдаете? Как изменяется окраска вещества? Когда пробирка остынет, добавьте в неё несколько капель воды. Объясните наблюдаемое явление.

Решение.

Решение 2.

1. Медь в природе встречается как в самородном виде, так и в виде многочисленных минералов, имеющих разнообразную окраску и твёрдость. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных медных минералов:

• Халькопирит (медный колчедан): формула $CuFeS_2$. Окраска латунно-жёлтая с зелёновато-чёрной чертой, часто с пёстрой побежалостью. Твёрдость по шкале Мооса 3.5-4.
• Малахит: формула $Cu_2(CO_3)(OH)_2$ или $(CuOH)_2CO_3$. Окраска от ярко-зелёной до тёмно-зелёной. Твёрдость 3.5-4. Является ценным поделочным камнем.
• Азурит: формула $Cu_3(CO_3)_2(OH)_2$. Окраска синяя, от лазурно-синей до тёмно-синей. Часто встречается вместе с малахитом. Твёрдость 3.5-4.
• Куприт: формула $Cu_2O$. Окраска красная различных оттенков, от тёмно-красного до почти чёрного. Твёрдость 3.5-4.
• Самородная медь: формула $Cu$. Окраска на свежем изломе розовато-красная, со временем покрывается плёнкой оксидов и карбонатов, приобретая красноватый, зеленоватый или чёрный цвет. Твёрдость 2.5-3.

Ответ: Минералы меди имеют различную окраску (латунно-жёлтую, зелёную, синюю, красную) и среднюю твёрдость (в основном 3-4 по шкале Мооса). Основные минералы: халькопирит ($CuFeS_2$), малахит ($Cu_2(CO_3)(OH)_2$), азурит ($Cu_3(CO_3)_2(OH)_2$), куприт ($Cu_2O$) и самородная медь ($Cu$).

2. Медь и её сплавы широко используются человеком благодаря своим физическим и химическим свойствам.

• Медь ($Cu$). Цвет: розовато-красный. Это пластичный металл с высокой электро- и теплопроводностью. Применение: изготовление электрических проводов и кабелей, теплообменников, радиаторов, водопроводных труб.
• Бронза. Сплав меди, как правило, с оловом ($Sn$) в качестве основного легирующего элемента, но также существуют алюминиевые, кремниевые и другие бронзы. Цвет: от желтовато-золотистого до красноватого. Применение: изготовление скульптур и памятников, подшипников, клапанов, музыкальных инструментов (тарелки, колокола), художественное литьё.
• Латунь. Сплав меди с цинком ($Zn$). Цвет: жёлтый. Применение: сантехническая арматура (краны, фитинги), детали машин, музыкальные духовые инструменты (трубы, саксофоны), гильзы для патронов, бижутерия.
• Мельхиор. Сплав меди с никелем ($Ni$), иногда с добавками железа и марганца. Цвет: серебристый. Обладает высокой коррозионной стойкостью. Применение: изготовление посуды и столовых приборов («новое серебро»), монет, деталей для морских судов.

Ответ: Медь — розовато-красный металл, используемый в электротехнике и теплотехнике. Её сплавы, такие как жёлтая латунь ($Cu-Zn$) и золотисто-красная бронза ($Cu-Sn$), применяются в машиностроении, сантехнике, искусстве и производстве музыкальных инструментов.

3. При добавлении по каплям раствора гидроксида натрия ($NaOH$) к раствору сульфата меди(II) ($CuSO_4$) происходят следующие химические превращения:

1. Сначала, при недостатке щёлочи, образуется голубой осадок основной соли — гидроксосульфата меди(II). Реакция описывается уравнением:

$2CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow (CuOH)_2SO_4 \downarrow + Na_2SO_4$

2. При дальнейшем добавлении щёлочи (в избытке) основной сульфат реагирует с ней, переходя в синий студенистый осадок гидроксида меди(II):

$(CuOH)_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow 2Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Суммарное уравнение реакции при добавлении избытка щёлочи:

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

3. При нагревании пробирки с гидроксидом меди(II) он, будучи термически неустойчивым, разлагается. Синий осадок чернеет из-за образования оксида меди(II) ($CuO$) чёрного цвета:

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO \downarrow + H_2O$

Изменение окраски с синей на чёрную при нагревании вызвано именно этой реакцией разложения.

Ответ: Изменение окраски с синей на чёрную при нагревании пробирки с осадком вызвано термическим разложением гидроксида меди(II) $Cu(OH)_2$ с образованием оксида меди(II) $CuO$, который имеет чёрный цвет.

4. Медный купорос представляет собой кристаллогидрат сульфата меди(II) — $CuSO_4 \cdot 5H_2O$. Это кристаллическое вещество ярко-синего цвета.

При нагревании медного купороса в сухой пробирке наблюдается изменение его цвета с синего на белый или серовато-белый. На стенках пробирки при этом конденсируются капельки воды. Это происходит из-за процесса дегидратации — потери кристаллогидратом кристаллизационной воды:

$CuSO_4 \cdot 5H_2O \text{ (синий)} \xrightarrow{t} CuSO_4 \text{ (белый)} + 5H_2O \uparrow$

Образовавшееся белое вещество — это безводный сульфат меди ($CuSO_4$).

Когда пробирка остывает и в неё добавляют несколько капель воды, происходит обратный процесс — гидратация. Белый порошок безводного сульфата меди жадно поглощает воду, снова превращаясь в синий кристаллогидрат. Реакция сопровождается выделением тепла (экзотермическая):

$CuSO_4 \text{ (белый)} + 5H_2O \rightarrow CuSO_4 \cdot 5H_2O \text{ (синий)} + Q$

Таким образом, наблюдаемое явление объясняется обратимостью процесса гидратации-дегидратации сульфата меди. Синий цвет соединения обусловлен именно наличием кристаллизационной воды в его структуре (точнее, гидратированными ионами меди $[Cu(H_2O)_4]^{2+}$), а не самим сульфатом меди.

Ответ: Наблюдаемое явление — это обратимый процесс дегидратации-гидратации. При нагревании синий медный купорос ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$) теряет воду и превращается в белый безводный сульфат меди ($CuSO_4$). При добавлении воды происходит обратный процесс, и синяя окраска восстанавливается.