Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химико-биологический факультет

Кафедра химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Неорганическая химия»

Получение и идентификация малахита

Руководитель работы

Е.А. Осипова

Исполнитель

студент группы 14Хим(ба)НХ

Л.Г. Ермошина

Оренбург 2015



Задание

1 Тема работы «Получение и идентификация малахита»

2 Срок сдачи студентом работы «____» __________ 20__г.

3 Цель и задачи работы : Получить в лабораторных условиях 5 г. малахита. Провести реакции, на идентификацию и чистоту полученного вещества.

4 Исходные данные к работе: литературные источники.

5 Перечень вопросов, подлежащих разработке: Изучить свойства малахита. Ознакомится со способами получения малахита. Осуществить синтез.



Аннотация

Курсовая работа посвящена вопросу получения малахита. В работе исследуется медь и ее соединение - малахит. Дается характеристика химическим и физическим свойствам меди и малахита. Особое внимание уделяется способам получения этих веществ. Главное место в курсовой работе занимают лабораторные способы получения малахита. По одной из предложенных методик был осуществлен синтез вещества. В работе представлены расчеты и описание проведения эксперимента. Всего в курсовой работе представлено 19 листов и 3 иллюстрации эксперимента.

Kursarbeit ist auf die Herstellung Malachit gewidmet. Wir untersuchen die Kupfer und seine Verbindungen - Malachit. Die Charakteristik des chemisch-Himmel und physikalischen Eigenschaften von Kupfer und Malachit. Besonderes Augenmerk ist auf Verfahren zur Herstellung derselben bezahlten. Der wichtigste Ort im Laufe der Arbeit sind Catching-Laborverfahren zur Herstellung von Malachit. Nach einem der vorgeschlagenen Verfahren wurde Substanzen synthetisiert. Der Beitrag stellt die Berechnung und Beschreibung des Experiments. Nur Kursarbeit eingereicht 19 Seiten und 3 veranschaulichen das Experiment.



Содержание

Введение

1. Физико-химические свойства

1.1 Нахождение в природе

1.2 Изотопный состав

1.3 Строение электронной оболочки

1.4 Химическая связь

1.5 Физические свойства

1.7 Промышленные способы получения меди

1.8 Лабораторные способы получения меди

1.9 Получение малахита

2. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка к проведению эксперимента

2.2 Ход эксперимента

2.3 Идентификация вещества

2.4 Заключение по второй главе

Заключение

Список используемых источников



Введение

Медь - пластичный металл золотисто-розового цвета. В таблице Менделеева это элемент одиннадцатой группы четвёртого периода, имеющий атомный номер 29. Латинское название меди cuprum и соответствующий ему символ Сu происходят от названия острова Кипр. Именно с этого острова в Средиземном море вывозили медь древние римляне и греки. Медь является одним из самых «древних» металлов: люди начали использовать ее для изготовления орудий труда еще в IV тыс. до н.э.. Распространение меди в древности объясняется тем, что она встречается в природе в самородном состоянии. Люди научились восстанавливать углем медные руды, а из полученного металла изготовлять бронзу - сплав меди с оловом. Около 50% добываемой меди идет на изготовление проводов. Широко используют различные сплавы меди, наиболее применяемы латуни, бонзы и медноникелевые сплавы. Медный купорос применяют как протраву при побелке. Ряд соединений меди используется при борьбе с сельскохозяйственными вредителями. Медь часто используют в качестве катализатора при различных органических синтезах. Рассмотрим основной карбонат меди - малахит. Малахит - широко распространенный природный минерал, содержащий основной карбонат меди. Минерал имеет зеленый цвет различных оттенков: от светло-бирюзового до темно-зеленого. У одних образцов блеск на срезе стеклянный или матовый, у других - шелковистый. Малахит выражается химической формулой Cu₂(CO₃)(OH)₂. Это ценный ювелирно-поделочный камень. Благодаря его привлекательной окраске, узору и хорошей полируемости широко используется при изготовлении кабинетных украшений: оснований настольных ламп, ваз, шкатулок, пепельниц и других изделий. В России в 18-19 вв. методом "русской мозаики" малахитом облицовывались колонны, пилястры, каминные доски, столешницы, крупные напольные вазы, часы и другие изделия в дворцовых интерьерах. В Малахитовом зале Эрмитажа хранится более 200 изделий из малахита. Колонны из малахита установлены в алтарной части Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. Несмотря на невысокую твердость и нестойкость, малахит и сегодня является одним из самых популярных ювелирных и декоративных камней. Основная цель моей работы получить 5 г чистого малахита в лабораторных условиях.



1. Физико-химические свойства

1.1 Нахождение в природе

Медь содержится в земной коре, ее содержание не превышает 4,7^.10^-3 %. Металл встречается в свободном состоянии, наиболее крупные медные самородки имеют массу сотни килограммов. В основном, медь находится в виде сульфитных руд. Главные минералы, содержащие медь: халькопирит - CuFeS₂, халькозин - Cu₂S, ковеллин - CuS, малахит - Cu₂(OH)₂CO₃. Малахит - характерный минерал для близкоповерхностных меднорудных месторождений, является продуктом их выветривания. Совместно с малахитом часто встречаются сопутствующие минералы: азурит, куприт, самородная медь, псевдомалахит и т.д. Выделение малахита в природе очень разнообразно, чаще всего встречаются почковидные формы, дающие на срезе различные рисунки. Такие формы вырастают из сильно пресыщенных неравновесных растворов. Реже в природе встречаются кристаллы игольчатой или пластинчатой формы.

1.2 Изотопный состав

Природная медь состоит из двух стабильных изотопов -- ⁶³Cu и ⁶⁵Cu с распространённостью 69,1 и 3O,9 атомных процентов соответственно. Известны более двух десятков нестабильных изотопов, самый долгоживущий из них ⁶⁷Cu с периодом полураспада 62 часа.

1.3 Строение электронной оболочки

Электронная формула атома меди имеет следующий вид: 1s ²2s ²2p ⁶3s ²3p⁶3d¹⁰4s ¹.У меди происходит провал электрона. Казалось должно получиться Cu… 3 d⁹ 4 s², но вновь происходит переход одного электрона с s-оболочки, на d-оболочку Cu…3 d¹⁰4 s¹. Образуя химические соединения, атом может отдавать один, два или три электрона, проявляя степень окисления соответственно +1, +2 и +3. При этом наиболее устойчивыми являются соединения меди (II), а наименее устойчивыми - соединения меди (III).

1.4 Химическая связь

Медь относится к металлам, а значит, имеет металлическую связь. Решетка гранецентрированная кубическая. Длина связи -256 пм.

1.5 Физические свойства

Медь - мягкий, блестящий металл, золотисто-розового цвета. На воздухе быстро покрывается оксидной пленкой и меняет цвет на красный. Многие соединения меди имеют голубовато-зеленые оттенки. Температура плавления - 1356,55 К, температура кипения - 2840 К. Металл мягкий и ковкий, хорошо проводит электрический ток и теплоту. Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м. Медь - диамагнетик. Медь образует несколько сплавов: латуни -- с цинком, бронзы -- с оловом и другими элементами, мельхиор -- с никелем, баббиты -- со свинцом и другие. Малахит - твердый минерал, естественного происхождения. Имеет зеленый цвет, оттенок которого может варьироваться от светлого до черно-зеленого. Имеет сложный состав: на 72% состоит из CuO, на 20 % из CO₂ и на 8 % из H₂O. Кристаллическая система - моноклинная, плотность 3,7-4,1 г/см³ , твердость - 3,6-4,0.

1.6 Химические свойства

Медь относится к малоактивным металлам. В ряду активности металлов находится правее водорода. При обычных условиях медь не вступает во взаимодействие с водой, растворами щелочей, соляной кислотой и разбавленной серной кислотой. Но в азотной и концентрированной серной кислотах медь растворяется:

Сu + 8HNO_{3 разб.} = 3Cu(NO₃ )₂ + 2NO + 4Н₂O

Сu + 4HNO_{3 конц.} = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂+ 2Н₂O

Сu+ 2H₂SO_{4 конц.} = CuSO4 + SO₂ + 2 Н₂O

Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. На воздухе медь покрывается зеленоватым налетом карбоната меди:

2Сu + O₂ + СО₂ + Н₂O = Сu(ОН)₂•СuСO₂

Оксид СuО и гидроксид Сu(ОН)₂ - довольно устойчивы. Гидроксид обладает амфотерными свойствами: он растворяется как в кислотах, так и в концентрированной щелочи с образованием синего гидроксокомплекса:

Cu(OH)₂ + 2НСl = СuСl₂ + 2Н₂O

Гидроксид меди (II) - труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается, образуя оксид меди (II) черного цвета:

Сu(ОН)₂ = СuО + Н₂O

Темный цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого оксида. Медь способна образовывать комплексные соединения. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II):



CuCl₂ + 2NH₃ + 2Н₂O = Сu(ОН)₂ + 2NH₄Cl

Если добавить избыток аммиака, то гидроксид растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной для аммиачного комплекса меди:

Сu(ОН)₂+ 4NH3 = [Cu(NH3)₄] (ОН)₂

Эта реакция является качественной на ион меди (II).
Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также связана с образованием комплексных соединений:

Cu(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [Cu(OH)₄]

Образованием комплексных сое-динений объясняется цвет растворов солей меди (II). При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску:

CuSO₄ + 6Н₂O = [Сu(Н₂O)₆] SO₄

Соединения меди (III), например Cu2O₃ или KCuO2, встречаются редко, они малоустойчивы. Устойчивость соединений меди (I) выше, однако и они в водных растворах легко подвергаются диспропорционированию :

2Сu⁺ = Сu + Сu²⁺

Соли меди образуются при растворении меди в кислотах-окислителях. Большая их часть имеет сине-зеленую окраску. Соединения меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе.

Для малахита характерна растворимость в кислотах с выделением CO₂ и в аммиаке, который при этом окрашивается в синий цвет.

При нагревании в колбе выделяет воду, углекислый газ и становится чёрным:

(CuOH)₂CO₃ = 2CuO + CO₂ + H₂O

Разлагается кипящей водой:

Cu₂СO(OH)_{2 (тв)} + 8 H₂O _(хол) = 2[Cu(H₂O)₄]+ CO+ 2OH

Для малахита характерна растворимость в кислотах с выделением CO₂ и в аммиаке, который при этом окрашивается в синий цвет.

Cu₂СO₃(OH)₂ + 4HCl_(разб.) = 2CuCl₂+ CO₂^ + 3H₂O

Cu₂СO₃(OH)₂+ 8(NH₃•H₂O) _[кoнц.] = [Cu(NH₃)₄]CO₃+ [Cu(NH₃)₄](OH)₂ + 8H₂O

Реагирует с цианидом калия, солями аммония:

Cu₂СO₃(OH)₂+ 8KCN_(конц.) = 2K₂[Cu(CN)₄] + K₂CO₃+ 2KOH

Cu₂СO₃ (OH)+ 4NH₄Cl _(конц.) = 2CuCl+ CO₂^ + 3H₂O + 4NH₃^

Переводится в среднюю соль действием CO2 под избыточным давлением:

Cu₂СO₃(OH)₂+ CO₂ = 2CuCO_3(бел.) + H₂O



1.7 Промышленные способы получения меди

Известно несколько способов пирометаллургического производства меди. Эти методы основаны на том, что FeS₂ FeS окисляются кислородом легче, чем сульфиды меди Cu₂S и CuS. В распространенном методе концентрат с добавкой флюса подвергают окислительной плавке в отражательной печи при нагревании факелом горящего газа или угольной пыли. При этом происходит окисление значительной части связанной с железом серы в SO₂, переход Fe⁺² в шлак Fe₂SiO₄, разложение FeS₂ на FeS и серу. Неокисленными остаются Cu₂S и некоторое количество FeS. В результате в печи образуются два жидких слоя - сверху более легкий шлак, а внизу - расплав, состоящий из FeS и Cu₂S. Шлак сливают, а жидкий штейн переливают в конвертор, в который добавляют флюс и вдувают воздух. Конвертер для выплавки меди аналогичен используемому для получения стали, только воздух в него подается сбоку. В конвертере образуется расплавленная медь, сульфид железа превращается в оксид, который переходит в шлак. Шлак сливают, потом выливают медь. Ее подвергают огневому рафинированию - окислительной плавке в присутствии флюсов. При этом содержащиеся в меди примеси частично переходят в шлак. В результате получают медь, содержащую 99,3-99, 6% Cu. Ее очищают электролизом. На катоде выделяется чистая медь, а содержащиеся в черновой меди примеси частично переходят в раствор, частично в выпадают в виде шлама на дно ванны. Шлам содержит благородные металлы, их стоимость окупает затраты на электролиз. Некоторое количество меди получают из бедных руд гидрометаллургическими методами. Для этого руду обрабатывают различными растворами, реагирующими с соединениями меди с образованием Cu²⁺ , в частности раствором Fe₂(SO₄)₃ при содержании в руде Cu₂S: малахит металл химический

Cu₂S + 2Fe(SO₄)₃ = 4FeSO₄+ 2CuSO₄ + S

Если руда содержит Cu₂(OH)₂CO₃ или оксиды меди, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой. Из полученного раствора выделяют металлическую медь действием порошкообразного железа или электролизом.

1.8 Лабораторные способы получения меди

Порошкообразную медь можно получить восстановлением из соединений меди металлами или водородом. В фарфоровую чашку наливают холодный насыщенный раствор CuSO₄ и вносят порциями цинковую пыль, просеянную через тонкое сито. После введения 1O г. цинковой пыли раствор нагревают до 80^.С и последующие порции цинка вносят уже в горячий раствор. Прибавление цинка заканчивают, когда раствор еще имеет слабо-голубой цвет. Получившийся чрезвычайно раздробленный порошок меди оседает на дно в виде тяжелого темно-красного осадка. Жидкость над осадком сливают и осадок тщательно промывают водой декантацией . Затем к осадку для удаления следов цинка прибавляют при перемешивании 1O% HCl до прекращения вскипания раствора. Осадок снова промывают декантацией, отсасывают на воронке Бюхнера и снова промывают до отрицательного результата промывных вод. Чтобы порошок не спекался, а сохранил тонкораздробленное состояние, его не высушивают, а применяют в виде пасты. Пасту следует хранит в хорошо закупоренной банке. В фарфоровой чашке смешивают 100г CuCl₂^.2H₂O c 15 г. крупного порошка алюминия и небольшим количеством воды. Полученную смесь хорошо перемешивают. Когда жидкость над осадком станет прозрачной, удаляют крупные зерна непрориагировавшего алюминия, осадок декантируют водой и отсасывают на воронке Бюхнера. Полученную кашицу переносят в колбу, снабженную водяным или ртутным затвором. Заливают 20% HCl, вытесняют из колбы воздух водородом и нагревают до 90С при помешивании до прекращения растворения остатков непрореагировавшего алюминия. После охлаждения реакционной смеси осадок промывают водой с декантацией, до исчезновения кислой реакции промывных вод, затем отсасывают на воронке Бюхнера и промывают этиловым спиртом и диэтиловым эфиром. Полученную смесь сушат на воздухе, а затем нагретой струей водорода. В очень раздробленном состоянии медь можно получить при восстановлении окиси меди водородом. В трубку с расширением посередине помещают 5Oг порошкообразного CuO и пропускают водород до полного вытеснения воздуха. Затем не прекращая тока воздуха, трубку подогревают до 150С до тех пор, пока черный цвет не сменится розовым. После этого нагревание прекращают, и охлаждают трубку в токе водорода. Если восстановление проводят в трубчатой печи при 52O^.С, то медь получается в виде спекшейся массы, довольно устойчивой на воздухе.

1.9 Получение малахита

С глубокой древности известен способ получения из малахита свободной меди. В условиях неполного сгорания угля, при котором образуется угарный газ, происходит реакция:

(CuOH)₂CO₃ +2CO₂ = 3CO₂ + 2Cu + H₂O

Существует несколько способов получения малахита в лабораторных условиях, ниже представлены наиболее простые из них. К водному раствору сульфата меди или нитрата меди или ацетата меди приливают при комнатной температуре эквивалентное количество карбоната натрия или карбоната калия

2CuSO₄ + Na₂CO₃+H₂O = CuCO₃ • Cu(OH)2+ 2Na₂SO₄ +CO₂

При расчете необходимо учесть наличие кристаллизационной воды. Выпавший зеленовато-синий осадок состоит из основных солей переменного состава. При многочасовом стоянии под раствором осадок постепенно превращается в мелкокристаллическую соль состава CuCO3 •Cu(OH)2. Осадок отфильтровывают, промывают водой, спиртом и высушивают. На воздухе соль устойчива.

В фарфоровой ступке равномерно смешивают 125 г тонко растертой сухой соли CuSO₄•5H₂O и 95 г тонко растертого сухого NaHCO₃. Полученную смесь вносят небольшими порциями при быстром перемешивании в 1 л кипящей воды, находящейся в стакане емкостью 2 л. В результате выделения CO2 раствор вспенивается. Очередную порцию смеси вносят лишь после того, как поверхность воды освободится от пены. В конце реакции смесь кипятят 10-15 минут. Получается быстро оседающая суспензия основной углекислой меди. После отстаивания осадок промывают водой декантацией до отрицательной реакции промывных вод на SO4^2-( проба с раствором BaCl₂) затем отсасывают на воронке Бюхнера. Препарат сушат сначала между листами фильтровальной бумаги, затем при 80-100 градусах. Выход 48-50 г.



2. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка к проведению эксперимента

В основе эксперимента лежит способ получения из пункта 1.9. Проведем расчеты по исходному уравнению реакции:

2CuSO₄•5H₂O + 4NaHCO₃ = CuCO₃•Cu(OH)₂ + 2Na₂SO₄ + 3CO₂ + H₂O

Найдем количество вещества CuSO₄•5H₂O:

n(CuSO₄•5H₂O) = = ,5 моль

тогда по уравнению реакции:

n(CuCO₃•Cu(OH)₂ ) = 1/2n(CuSO₄•5H₂O) = 0,25 моль,

по количеству вещества рассчитаем массу малахита:

m (CuCO₃•Cu(OH)₂ ) = = = 55 г

Выход составит:

з = =. • 100 % = 87%

Чтобы получить 5 г вещества необходимо учесть потери, для этого составим пропорцию:

= , отсюда х = 5,65 г

Для того, что бы получить 5 г малахита с учетом потерь нам необходимо делать расчет остальных веществ в уравнении реакции на 5,65 г малахита:

n(CuCO₃•Cu(OH)₂ ) = = = 0,0254 моль

n(CuSO₄•5H₂O) = 2 n(CuCO₃•Cu(OH)₂ ) = 0,05 моль

m(CuSO₄•5H₂O) =

n(NaHCO₃) = 4n(CuCO₃•Cu(OH)₂ ) = 0,1 моль

m(NaHCO₃) = = 8,4 г

Необходимый объем воды - 100 мл.

2.2 Ход эксперимента

В лаборатории приготовить необходимые для эксперимента реактивы и приборы. Для проведения эксперимента были взяты следующие реактивы:

Рисунок 1. Порошок сернокислой меди и двууглекислого натрия

Взвешиваем на техно-химических весах 8,4 г. NaHCO₃ и 12,5 г CuSO₄•5H₂O. Ссыпаем оба порошка в ступку и растираем пестиком до однородности. Порошок приобретаем бледно-голубую окраску. В термоустойчивый стакан объемом 200 мл наливаем 100 мл дистиллированной воды. Воду доводим до кипения на электрической плитке. В кипящую воду при быстром перемешивании вносим небольшими порциями порошкообразную смесь. Наблюдаем активное вспенивание раствора, выделяется углекислый газ. Следующую порцию вносим в раствор только после того, как вспенивание прекратится. В конце реакции смесь кипятим 15 минут. ( Рис.2)

Рисунок 2. Процесс нагревания раствора

Полученный раствор имеет бирюзовый цвет. Оставляем раствор остывать и отстаиваться. После того, как осадок осядет необходимо промыть его водой декантацией до отрицательной реакции промывных вод на SO₄^2-(раствором BaCl_2.). В отдельную пробирку сливаем часть раствора из стакана и добавляем туда BaCl_2. Выпадает белый творожистый осадок. Это свидельствует о том, что полученное вещество содержит ион SO4^2-. Промываем осадок дистиллированной водой до тех пор, пока реакция на пробу BaCl₂ не станет отрицательной. После семи последовательных декантаций осадок перестал образовываться. Затем осадок отсасываем на воронке Бюхнера, полученный препарат сушим на фильтровальной бумаге в сушильном шкафу при 100^?С до постоянной массы.

2.3 Идентификация вещества

Качественная реакция на ион SO₄^2- отрицательная. Качественная реакция на катион Na⁺ - горение. Если катионы присутствуют, то пламя будет красно-оранжевого цвета. В нашем случае пламя зеленое, при последующем нагревании порошок чернеет, т.к. образуется CuO.При взаимодействии с аммиаком раствор приобретает ярко-синюю окраску.

Рисунок 3.Качественная реакция с аммиаком.

2.4 Заключение по второй главе

Масса полученного малахита составила 4,8 г. Выход продукта - 96%. Качественные реакции на примеси SO₄^2- и Na⁺ отрицательные. Полученное вещество примесей исходных веществ в своем составе не содержит.



Заключение

Получен малахит массой 4,8 г. Вход продукта составил 96 %. В полученном веществе примесей исходных веществ не обнаружено. Проявляет свойства основной соли. Плотные разновидности хорошего цвета с красивым рисунком высоко ценятся и употребляются для изготовления ваз, облицовки столов, шкатулок и других предметов, а также кабошонов для вставок в мелкие ювелирные изделия. Из мелкой крошки изготавливается минеральный пигмент и краски.



Список используемой литературы

1 Лебединский В.И. В удивительном мире камня / В.И. Лебединский - М.: Кругосвет, 1985. - 198 с.

2 Путолова Л.С. Самоцветы и цветные камни / Л.С. Путолова - М.: Изд-во Недра, 1991. - 113, 115 - 116 с.

3 Подчайнова В.Н., Симонова Л.Н. Аналитическая химия меди / В.Н. Подчайнова - М.: Изд-во Наука, 1990. - 7,8-12 с.

4 Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева. Химические свойства неорганических веществ / Р.А. Лидин, В.А. Молочко - М.: Изд-во Химия, 1997. - 289 с.

5 Под ред. Третьякова Ю.Д. Неорганическая химия: в 3 т./ Ю.Д. Третьяков- М.: Издательский центр Академия, 2007. - Т.3.

6 Реми Г. Курс неорганической химии: в 2 т. / Г. Реми- М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - Т. 2.

7 Ключников Н.Г. Практикум по неорганическому синтезу / Н.Г. Ключников - М.: Просвещение, 1979. - 272 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...