Синтез соединений меди

Размещено на http://allbest.ru

Медь и её природные соединения

Введение

Медь - элемент 1В группы Периодической системы, плотность 8,9 г см-3 , один из первых металлов, ставших известными человеку. Считают, что медь начали использовать около 5000 до н.э. В природе медь изредка встречается в виде металла. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. У индейцев, живших на его берегах оз. Верхнее (Сев. Америка), где есть очень чистая самородная медь, способы ее холодной обработки были известны до времен Колумба. Около 3500 до н.э. на Ближнем Востоке медь научились извлекать из руд, ее получали восстановлением углем. Медные рудники были и в Древнем Египте. Известно, что глыбы для знаменитой пирамиды Хеопса обрабатывали медным инструментом. [1]

К 3000 до н.э. в Индии, Месопотамии и Греции для выплавки более твердой бронзы в медь стали добавлять олово. Открытие бронзы могло произойти случайно, однако ее преимущества по сравнению с чистой медью быстро вывели этот сплав на первое место. Так начался «бронзовый век».

Изделия из бронзы были у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше 5 в. до н.э. Около 290 до н.э. Харесом в честь бога солнца Гелиоса был создан Колосс Родосский. Он имел высоту 32 м и стоял над входом во внутреннюю гавань древнего порта острова Родоса в восточной части Эгейского моря. Гигантская бронзовая статуя была разрушена землетрясением в 223 н.э.

Предки древних славян, жившие в бассейне Дона и в Приднепровье, применяли медь для изготовления оружия, украшений и предметов домашнего обихода. Русское слово «медь», по мнению некоторых исследователей, произошло от слова «мида», которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще.

Символ Cu происходит от латинского aes cyproum (позднее, Cuprum), так как на Кипре (Cyprus) находились медные рудники древних римлян. Относительное содержание меди в земной коре составляет 6,8·10-3%. Самородная медь встречается очень редко. Обычно элемент находится в виде сульфида, оксида или карбоната. Важнейшими рудами меди являются халькопирит CuFeS2, который, по оценкам, составляет около 50% всех месторождений этого элемента, медный блеск (халькоцит) Cu2S, куприт Cu2O и малахит Cu2CO3(OH)2. Большие месторождения медных руд найдены в различных частях Северной и Южной Америк, в Африке и на территории нашей страны. В 18-19 вв. близ Онежского озера добывали самородную медь, которую отправляли на монетный двор в Петербург. Открытие промышленных месторождений меди на Урале и в Сибири связано с именем Никиты Демидова. Именно он по указу Петра I в 1704 начал чеканить медные деньги. Богатые месторождения меди давно выработаны. Сегодня почти весь металл добывается из низкосортных руд, содержащих не более 1% меди. Некоторые оксидные руды меди могут быть восстановлены непосредственно до металла нагреванием с коксом. Однако большая часть меди производится из железосодержащих сульфидных руд, что требует более сложной переработки. Эти руды сравнительно бедные, и экономический эффект при их эксплуатации может обеспечиваться лишь ростом масштабов добычи. Руду обычно добывают в огромных карьерах, где используются экскаваторы с ковшами до 25 м3 и грузовики грузоподъемностью до 250 т.

Сырье размалывают и концентрируют (до содержания меди 15-20%) с использованием пенной флотации, при этом серьезной проблемой является сброс многих миллионов тонн тонко измельченных отходов в окружающую среду. К концентрату добавляют кремнезем, а затем смесь нагревают в отражательных печах (доменные печи для тонко измельченной руды неудобны) до температуры 1400° С, при которой она плавится.[3] Суммарное уравнение протекающих реакций можно представать в виде:

2CuFeS2 + 5O2 + 2SiO2 = 2Cu + 2FeSiO3 + 4SO2

Cu+1 + 1e- = Cu0 |

Fe+3 + 1e- = Fe+2 | -10 e-

2S-2 - 12e- = 2S+4 |

O2 + 4e- = 2O-2

Большую часть полученной черновой меди очищают электрохимическим методом, отливая из нее аноды, которые затем подвешивают в подкисленном растворе сульфата меди CuSO4, а катоды покрывают листами очищенной меди. В процессе электролиза чистая медь осаждается на катодах, а примеси собираются около анодов в виде анодного шлама, который является ценным источником серебра, золота и других драгоценных металлов. Около 1/3 используемой меди представляет собой вторичную медь, выплавленную из лома. Годовое производство нового металла составляет около 8 млн. т. Лидируют по производству меди Чили (22%), США (20%), СНГ (9%), Канада (7,5%), Китай (7,5%) и Замбия (5%). [2]

Главное применение металла - в качестве проводника электрического тока. Кроме того, медь используется в монетных сплавах, поэтому ее часто называют «монетным металлом». Она также входит в состав традиционных бронзы (сплавы меди с 7-10% олова) и латуни (сплав меди с цинком) и специальных сплавов, таких как монель (сплав никеля с медью). Металлообрабатывающий инструмент из медных сплавов не искрит и может использоваться во взрывоопасных цехах. Сплавы на основе меди служат для изготовления духовых инструментов и колоколов. [4]

1.Свойства меди

В виде простого вещества медь обладает характерной красноватой окраской. Медь металл мягкий и пластичный. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру. Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами.

Медь устойчива в чистом сухом воздухе при комнатной температуре, однако при температуре красного каления образует оксиды. Она реагирует также с серой и галогенами. В атмосфере, содержащей соединения серы, медь покрывается зеленой пленкой основного сульфата. В электрохимическом ряду напряжений медь находится правее водорода, поэтому она практически не взаимодействует с неокисляющими кислотами. Металл растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, а также в разбавленной и концентрированной азотной кислоте. Кроме того, медь можно перевести в раствор действием водных растворов цианидов или аммиака:

2Cu + 8NH3·H2O + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O

В соответствии с положением меди в Периодической системе, ее единственная устойчивая степень окисления должна быть (+I), но это не так. Медь способны принимать более высокие степени окисления, причем наиболее устойчивой, особенно в водных растворах, является степень окисления (+II). В биохимических реакциях переноса электрона, возможно, участвует медь(III). Эта степень окисления редко встречается и очень легко понижается под действием даже слабых восстановителей. Известно несколько соединений меди(+IV).

При нагревании металла на воздухе или в кислороде образуются оксиды меди: желтый или красный Cu2O и черный CuO. Повышение температуры способствует образованию преимущественно оксида меди(I) Cu2O. В лаборатории этот оксид удобно получать восстановлением щелочного раствора соли меди(II) глюкозой, гидразином или гидроксиламином:

2CuSO4 + 2NH2OH + 4NaOH = Cu2O + N2 + 2Na2SO4 + 5H2O

Эта реакция - основа чувствительного теста Фелинга на сахара и другие восстановители. К испытываемому веществу добавляют раствор соли меди(II) в щелочном растворе. Если вещество является восстановителем, появляется характерный красный осадок. [5]

Поскольку катион Cu+ в водном растворе неустойчив, при действии кислот на Cu2O происходит либо дисмутация, либо комплексообразование:

Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O

Cu2O + 4HCl = 2 H[CuCl2] + H2O

Оксид Cu2O заметно взаимодействует со щелочами. При этом образуется комплекс:

Cu2O + 2NaOH + H2O=2Na[Cu(OH)2]

Для получения оксида меди(II) CuO лучше всего использовать разложение нитрата или основного карбоната меди(II):

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2

(CuOH)2CO3 = 2CuO + CO2 + H2O

Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH)2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II). Бледно-голубой осадок гидроксида меди(II), проявляющий амфотерные свойства (способность химических соединений проявлять либо основные, либо кислотные свойства), можно растворить не только в кислотах, но и в концентрированных щелочах. При этом образуются темно-синие растворы, содержащие частицы типа [Cu(OH)4]2- . Гидроксид меди(II) растворяется также в растворе аммиака:

Cu(OH)2 + 4NH3 H2O = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O

Гидроксид меди(II) термически неустойчив и при нагревании разлагается:

Cu(OH)2 = CuO + H2O

Есть сведения о существовании темно-красного оксида Cu2O3, образующегося при действии K2S2O8 на Cu(OH)2. Он является сильным окислителем, при нагревании до 400° С разлагается на CuO и О2.

Катион меди(II), напротив, в водном растворе вполне устойчив. Соли меди(II), в основном, растворимы в воде. Голубой цвет их растворов связан с образованием иона [Cu(H2O)4]2+ . Они часто кристаллизуются в виде гидратов. Водные растворы в небольшой степени подвержены гидролизу и из них часто осаждаются основные соли. Основный карбонат есть в природе - это минерал малахит, основные сульфаты и хлориды образуются при атмосферной коррозии меди, а основный ацетат (ярь-медянка) используется в качестве пигмента. Ярь-медянка известна со времен Плиния Старшего (23-79 н.э.). В русских аптеках ее начали получать в начале 17 в. В зависимости от способа получения она может быть зеленого или голубого цвета. Ею были окрашены стены царских палат в Коломенском в Москве.

Наиболее известную простую соль - пентагидрат сульфата меди(II) CuSO4·5H2O - часто называют медным купоросом. Слово купорос, по-видимому, происходит от латинского Cipri Rosa - роза Кипра. В Росси медный купорос называли синим, кипрским, затем турецким. То, что купорос содержит медь, было впервые установлено в 1644 Ван Гельмонтом. В 1848 Р.Глаубер впервые получил медный купорос из меди и серной кислоты. Сульфат меди широко используется в электролитических процессах, при очистке воды, для защиты растений. Он является исходным веществом для получения многих других соединений меди.

Тетраамины легко образуются при добавлении аммиака к водным растворам меди(II) до полного растворения первоначально выпавшего осадка. Темно-синие растворы тетраамминов меди растворяют целлюлозу, которую можно вновь осадить при подкислении, что используется в одном из процессов для получения вискозы. Приливание этанола к раствору вызывает осаждение [Cu(NH3)4]SO4·H2O. Перекристаллизация тетраамминов из концентрированного раствора аммиака приводит к образованию фиолетово-синих пентаамминов, однако пятая молекула NH3, легко теряется. Гексааммины можно получить только в жидком аммиаке, и их хранят в атмосфере аммиака. Медь(II) образует плоско-квадратный комплекс с макроциклическим лигандом фталоцианином. Его производные используются для получения ряда пигментов от синего до зеленого, которые устойчивы вплоть до 500° С и широко используются в чернилах, красках, пластиках и даже в цветных цементах. [6]

Медь имеет важное биологическое значение. Ее окислительно-восстановительные превращения участвуют в различных биохимических процессах растительного и животного мира.

Высшие растения легко переносят сравнительно большое поступление соединений меди из внешней среды, низшие же организмы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к этому элементу. Самые незначительные следы соединений меди их уничтожают, поэтому растворы сульфата меди или их смеси с гидроксидом кальция (бордосская жидкость) применяют как противогрибковые средства.

Из представителей животного мира наибольшие количества меди содержатся в телах осьминогов, устриц и других моллюсков. В их крови она играет ту же роль, что железо в крови других животных. В составе белка гемоцианина она участвует в переносе кислорода. Неокисленный гемоцианин бесцветен, а в окисленном состоянии он приобретает голубовато-синюю окраску. Поэтому не зря говорят, что у осьминогов - голубая кровь.

Организм взрослого человека содержит около 100 мг меди, сосредоточенной, в основном, в белках, только содержание железа и цинка выше. Ежедневная потребность человека в меди составляет около 3-5 мг. Дефицит меди проявляется в анемии, однако избыток меди также опасен для здоровья.

2.Химические свойства меди

Медь -- электроположительный металл. Относительную устойчивость ее ионов можно оценить на основании следующих данных:

Cu2+ + e > Cu+ E0 = 0,153 B,

Сu+ + е > Сu0 E0 = 0,52 В,

Сu2+ + 2е > Сu0 E0 = 0,337 В.

Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами и не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь растворяется в азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц. H2SO4 -- с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь растворяется только при продувании через раствор воздуха.

Химическая активность меди невелика, при температурах ниже 185°С с сухим воздухом и кислородом не реагирует. В присутствии влаги и СО2 на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление; ниже 375°С образуется СuО, а в интервале 375--1100°С при неполном окислении меди -- двухслойная окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с медью уже при комнатной температуре, образуя хлорид меди(II), хорошо растворимый в воде. Медь реагирует и с другими галогенами.

Особое сродство проявляет медь к сере: в парах серы она горит. С водородом, азотом, углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твердой меди незначительна и при 400°С составляет 0,06 г в 100 г меди. Присутствие водорода в меди резко ухудшает ее механические свойства (так называемая "водородная болезнь"). При пропускании аммиака над раскаленной медью образуется Cu2N. Уже при температуре каления медь подвергается воздействию оксидов азота: N2O и NO взаимодействуют с образованием Сu2О, a NO2 -- с образованием СuО. Карбиды Сu2С2 и СuС2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы солей меди. Окислительно-восстановительные равновесия в растворах солей меди в обеих степенях окисления осложняются легкостью диспропорционирования меди(I) в медь(0) и медь(II), поэтому комплексы меди(I) обычно образуются только в том случае, если они нерастворимы (например, CuCN и Cul) или если связь металл--лиганд имеет ковалентный характер, а пространственные факторы благоприятны.

Медь(II). Двухзарядный положительный ион меди является ее наиболее распространенным состоянием. Большинство соединений меди(I) очень легко окисляется в соединения двухвалентной меди, но дальнейшее окисление до меди(Ш) затруднено.

Конфигурация 3d9 делает ион меди(II) легко деформирующимся, благодаря чему он образует прочные связи с серосодержащими реагентами (ДДТК, этилксантогенатом, рубеановодородной кислотой, дитизоном). Основным координационным полиэдром для двухвалентной меди является симметрично удлиненная квадратная бипирамида. Тетраэдрическая координация для меди(П) встречается довольно редко и в соединениях с тиолами, по-видимому, не реализуется.

Большинство комплексов меди(II) имеет октаэдрическую структуру, в которой четыре координационных места заняты лигандами, расположенными к металлу ближе, чем два других лиганда, находящихся выше и ниже металла. Устойчивые комплексы меди(II) характеризуются, как правило, плоскоквадратной или октаэдрической конфигурацией. В предельных случаях деформации октаэдрическая конфигурация превращается в плоскоквадратную. Большое аналитическое применение имеют внешнесферные комплексы меди.

Гидроксид меди(II) Сu(ОН)2 в виде объемистого осадка голубого цвета может быть получен при действии избытка водного раствора щелочи на растворы солей меди(II). ПР(Сu(ОН)-) = 1,31.10-20. В воде этот осадок малорастворим, а при нагревании переходит в СuО, отщепляя молекулу воды. Гидроксид меди(II) обладает слабо выраженными амфотерными свойствами и легко растворяется в водном растворе аммиака с образованием осадка темно-синего цвета. Осаждение гидроксида меди происходит при рН 5,5.

Последовательные значения констант гидролиза для ионов меди(II) равны: рК1гидр = 7,5; рК2гидр = 7,0; рК3гидр = 12,7; рК4гидр = 13,9. Обращает на себя внимание необычное соотношение pK1гидр > рК2гидр. Значение рК = 7,0 вполне реально, так как рН полного осаждения Сu(ОН)2 равно 8--10. Однако рН начала осаждения Сu(ОН)2 равно 5,5, поэтому величина рК1гндр = 7,5, очевидно, завышена

Медь(III). Доказано, что медь(III) с конфигурацией 3d8 может существовать в кристаллических соединениях и в комплексах, образуя анионы -- купраты. Купраты некоторых щелочных и щелочноземельных металлов можно получить, например, нагреванием смеси оксидов в атмосфере кислорода. КСuО2 -- это диамагнитное соединение голубовато-стального цвета.

При действии фтора на смесь КСl и СuСl2 образуются светло-зеленые кристаллы парамагнитного соединения К3СuF6.

При окислении щелочных растворов меди(II), содержащих периодаты или теллураты, гипохлоритом или другими окислителями образуются диамагнитные комплексные соли состава K7[Cu(IO6)2]7H2O. Эти соли являются сильными окислителями и при подкислении выделяют кислород.

Соединения меди(Ш). При действии спиртового раствора щелочи и пероксида водорода на охлажденный до 50° спиртовой раствор хлорида меди(II) выпадает коричнево-черный осадок пероксида меди СuО2. Это соединение в гидратированной форме можно получить при действии пероксида водорода на раствор соли сульфата меди, содержащего в небольших количествах Na2CO3. Суспензия Сu(ОН)2 в растворе КОН взаимодействует с хлором, образуя осадок Сu2О3 красного цвета, частично переходящий в раствор.

3.Природные соединения меди

Медь входит в состав более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны только 17,преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являются халькопирит CuFeS ,ковеллин CuS,борнит CuFeS, халькозин CuS. Окислы: тенорит ,куприт. Карбонаты: малахит, азурит. Сульфаты: халькантит, брошантит. Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит

Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.

Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем намечается интересный практический признак для поисков.

Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли, и карбонаты(силикаты).

С.С.Смирнов так характеризует парагенетические ряды меди:

при окислении сульфид - куприт + лимонит (кирпичная медная руда)

мелаконит (смоляная медная руда) - малахит + хризоколла.

4. Соединения Меди (1)

Сульфид меди - Cu2S в природе встречается в виде ромбических кристаллов медного блеска; удельный вес его 5,785, температура плавления 1130 0С. Из расплава Cu2S затвердевает в кубических кристаллах. Cu2S достаточно хорошо проводит электрический ток, однако хуже, чем сульфид меди (2)

Окись меди (I) Cu2O встречается в природе в виде минерала куприта - плотной массы цвета от красного до черно - коричневого; иногда она имеет кристаллы правильной кубической формы. При взаимодействии сильных щелочей с солями меди(I) выпадает желтый осадок, переходящий при нагревании в осадок красного цвета, по-видимому, Cu2O. Гидроксид меди(I) обладает слабыми основными свойствами, он несколько растворим в концентрированных растворах щелочей. Искусственно Cu2O получают добавлением натриевой щелочи и не слишком сильного восстановителя, например виноградного сахара, гидразина или гидроксиламина, к раствору сульфита меди (2) или к фелинговой жидкости. [7]

В воде окись меди (I) практически нерастворима. Она однако, легко растворяется в водном растворе аммиака и в концентрированных растворах галогеноводородных кислот с образованием бесцветных комплексных соединений [Cu(NH3)2]OH и соответственно H[CuX2] (где Х - галоген).

В растворах щелочей окись меди (I) заметно растворима. Под действием разбавленных галогеноводородных кислот окись меди (I), превращается в галогенид меди (I), также не растворимый в воде. В разбавленной кислородной кислоте, например серной, окись меди (I) растворяется, однако при этом распадается на соль меди (II) и металл:

Cu2O + H2SO4 = CuSO4 + H2O + Cu.

Также в природе встречаются такие соединения Меди (I) как: Cu2О, в природе называемый берцелианитом (Умангит). Который искуствено получают взаимодействием паров Se или H2Se с Cu или её солями при высоких температурах.

5.Соединения Меди (II)

медь химический дигидроксокарбонат синтез

Окись меди (II) CuO встречается в природе в виде черного землистого продукта выветривания медных руд (мелаконит). В лаве Везувия она найдена закристаллизованной в виде черных триклинных табличек (тенорит). Искусственно окись меди получают нагреванием меди в виде стружек или проволоки на воздухе при температуре красного каления или прокаливанием нитрата или карбоната. Полученная таким путём окись меди аморфна и обладает ярко выраженной способностью адсорбировать газы.

Также встречаются соединения: дигидроксокарбонат меди (горная зелень) Cu2(OH)2CO3 тёмно-зелёные кристаллы. Образуется в зоне окисления медных месторождений. [7]

6.Экспериментальная часть

Синтез [Cu(OH)]2CO3

1) Приборы и реактивы.

Реактивы:

NaHCO3 - 8,13 г.

CuSO4·5H2O - 11 г.

Приборы:

Фарфоровая ступка с пестиком - 1.

Термический стакан - 250 мл.

Штатив.

Асбестовая сетка - 1.

Стеклянная палочка - 2.

Воронка Бюхнера - 1.

Колба Бунзана - 1.

Фильтровальная бумага.

Вакуумный насос.

Пробирка.

Горелка.

2)Расчёт и материальный баланс.

(мал) ===0.022 моль

(CuSO4) =2 · (мал) =0.044 моль

м(CuSO4) = (CuSO4) · М(CuSO4) = 0,044 - 250 = 11 г.

(NaHCO3) = 4 · (мал) = 4 · 0,022 = 0,088 моль

м (NaHCO3) = (NaHCO3) · М (NaHCO3) = 0,088 · 84 = 7,39 г.

м (NaHCO3) = 7,39 · 0,739 = 8,13 г.

Ход работы

В фарфоровой ступке смешали 11 г. тонко стёртой сухой соли CuSO4 ·5H2O с гидрокарбонатом натрия 8,13 г.

В стакане нагрели до кипения 200 мл. воды. Смесь высыпали небольшими порциями в кипящую воду, быстро перемешивая. При этом наблюдается вспенивание. Следующую порцию смеси вносили после прекращения вспенивания. Содержимое стакана кипятили 10-15 мин для удаления из раствора СО2. В результате реакции образуются гидроксокарбонат меди:

2CuSO4 + 4NaHCO3 = CuCО3·Cu(OH)2 + 2Na2SO4+3CO2 + H2O

Осадку давали отстояться, затем промывали декантацией горячей водой, отмывая от иона SO42-; делали пробу на полноту промывания (4 раза). Основную соль отсасывали на воронке Бюхнера и сушили между листьями фильтровальной бумаги, а затем высушивали в эксикаторе при комнатной температуре.

Вывод

Получили заданное вещество, научились пользоваться вспомогательной литературой.

Практический выход - 94%

Ошибка составила 0,947 %

Список литературы

1. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. - 249с.);

2. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. - 234с.);

3. Газарян Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. - 189с.);

4. Справочник металлурга по цветным металлам, под редакцией Н.Н. Мурача, (2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2, М., 1947. - 211с

5. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М., Химия, 1994.

6.Карякин Ю.В., Ангелов И.И. «Чистые химические вещества», Издательство «Химия», Москва, 1974 г.

7.Реми Г. «Курс неорганической химии» том 1. Издательство «Химия», Москва 1967 г.

8. Г.Смит. Драгоценные камни. М., «Мир», 1980

9. Здорик Т.Б., Фельдман Л.Г. Минералы и горные породы, т. 1. М, «ABF», 1998 г.

Размещено на Allbest.ru