Химия · Химия элементов · 9 класс

Медь, серебро, золото и цинк

Почему медный купорос синий, серебро — лучший проводник, а золото как плавят?

Ситуация

На Алмалыкском горно-металлургическом комбинате из руды получают чистую медь для проводов и кабелей, а на руднике Мурунтау в Навоийской области добывают золото. Садоводы защищают виноград от грибковых болезней бордоской жидкостью из медного купороса и извести, ювелиры делают кольца 585-й пробы, задняя сторона зеркала покрывается серебром. Почему медный купорос синий, а гидроксид меди при нагревании чернеет, серебро лучше всех проводит ток, а золото не растворяется в кислотах, но растворяется в растворе цианида или в царской водке?

Тема

Медь, серебро, золото и цинк. Медь Алмалыка и золото Мурунтау: медный купорос, серебряное зеркало и растворение золота в цианиде; амфотерность гидроксида цинка

Ключевые понятия

Гидроксид меди(II) и аммиакат
Серебро и золото
d-элементы

Формулы

CuSO_{4} + 2 NaOH \overset{}{\to} Cu (OH)_{2} ↓ + Na_{2} SO_{4}

Голубой осадок: на 1 моль Cu²⁺ — 2 моль OH⁻ (лабораторная работа 12).

Cu (OH)_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} CuO + H_{2} O

При нагревании голубой гидроксид превращается в чёрный оксид меди(II).

Cu (OH)_{2} + 4 NH_{3} \overset{}{\to} [Cu (NH_{3})_{4}] (OH)_{2}

Растворяется в избытке аммиачной воды: тёмно-синий ион тетраамминмеди(II).

4 Au + 8 NaCN + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Na [Au (CN)_{2}] + 4 NaOH

Цианирование (уравнение Эльснера): золото растворяется в присутствии кислорода воздуха.

Zn (OH)_{2} + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + 2 H_{2} O Zn (OH)_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} Na_{2} [Zn (OH)_{4}]

Гидроксид цинка — амфотерный (лабораторная работа 13).

Теория

Подгруппа IБ: медь, серебро, золото (§ 28)

Медь, серебро и золото — d-элементы побочной подгруппы IБ. На внешнем слое у них, как у щелочных металлов, один s-электрон: Cu [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, Ag [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, Au [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹; но d-слой под ним заполнен 10 электронами. Поэтому они совершенно не похожи на щелочные металлы: активность низкая, в ряду напряжений они стоят после водорода, с водой и соляной кислотой не реагируют, в природе встречаются и в самородном виде. Степени окисления: Cu +1, +2; Ag +1; Au +1, +3. Медь — красноватая, мягкая, ρ = 8,96 г/см³, плавится при 1085 °C; по электропроводности она вторая после серебра — из неё делают провода, кабели, теплообменники. Сплавы: бронза (Cu + Sn), латунь (Cu + Zn), мельхиор (Cu + Ni). В Узбекистане медь на Алмалыкском горно-металлургическом комбинате получают в основном из руды халькопирита CuFeS₂.

Медь и её соединения (лабораторная работа 12)

Медь, нагретая на воздухе, чернеет: $2 Cu + O_{2} \overset{}{\to} 2 CuO$ ; во влажном воздухе она покрывается зелёной патиной — основным карбонатом: $2 Cu + O_{2} + CO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} (CuOH)_{2} CO_{3}$ . Медь не растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах, но растворяется в кислотах-окислителях: $3 Cu + 8 HNO_{3} \overset{}{\to} 3 Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO + 4 H_{2} O$ (разбавленная), $Cu + 2 H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CuSO_{4} + SO_{2} + 2 H_{2} O$ (концентрированная). Медный купорос CuSO₄·5H₂O — синий кристаллогидрат; при нагревании он теряет воду (36,1 % массы) и превращается в белый безводный CuSO₄, а если капнуть воды, снова синеет — так обнаруживают воду. Лабораторная работа: при добавлении щёлочи к раствору CuSO₄ выпадает голубой осадок Cu(OH)₂ ( $Cu^{2 +} + 2 OH^{-} \overset{}{\to} Cu (OH)_{2}$ ); при нагревании он превращается в чёрный CuO ( $Cu (OH)_{2} \overset{}{\to} CuO + H_{2} O$ ); растворяется в кислоте ( $Cu (OH)_{2} + 2 HCl \overset{}{\to} CuCl_{2} + 2 H_{2} O$ ); в избытке аммиачной воды растворяется, образуя тёмно-синий комплекс [Cu(NH₃)₄]²⁺ — этот раствор (реактив Швейцера) растворяет даже целлюлозу. Из медного купороса и извести готовят бордоскую жидкость — она защищает растения от грибковых болезней.

Серебро и золото (§ 29)

Серебро — лучший проводник электричества и тепла (ρ = 1,59·10⁻⁸ Ом·м) и металл, лучше всех отражающий свет. На заднюю сторону зеркала его наносят реакцией серебряного зеркала: аммиакат серебра восстанавливается глюкозой (альдегидом) до металла: $C_{6} H_{12} O_{6} + 2 [Ag (NH_{3})_{2}] OH \overset{}{\to} C_{6} H_{11} O_{7} NH_{4} + 2 Ag + 3 NH_{3} + H_{2} O$ . На воздухе от H₂S оно темнеет: $4 Ag + 2 H_{2} S + O_{2} \overset{}{\to} 2 Ag_{2} S + 2 H_{2} O$ . Золото — один из наименее активных металлов: не изменяется в кислороде и обычных кислотах; его растворяют царская водка (1 объём HNO₃ + 3 объёма HCl: $Au + HNO_{3} + 4 HCl \overset{}{\to} H [AuCl_{4}] + NO + 2 H_{2} O$ ) и раствор цианида в присутствии кислорода воздуха. Ювелирные изделия делают из сплава: проба — сколько частей золота содержится в 1000 массовых частях (585-я проба = 58,5 % Au, остальное — серебро и медь). На Навоийском горно-металлургическом комбинате руду Мурунтау измельчают, золото переводят в раствор цианида ( $4 Au + 8 NaCN + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Na [Au (CN)_{2}] + 4 NaOH$ ), затем адсорбируют на сорбенте или вытесняют цинком: $2 Na [Au (CN)_{2}] + Zn \overset{}{\to} Na_{2} [Zn (CN)_{4}] + 2 Au$ .

Подгруппа IIБ: цинк, кадмий, ртуть (§ 30, лабораторная работа 13)

Цинк, кадмий и ртуть — подгруппа IIБ: $(n - 1) d^{10} n s^{2}$ , в соединениях +2 (у ртути ещё и +1). d-слой заполнен, отдаются только s-электроны, поэтому соединения Zn²⁺ и Cd²⁺ обычно бесцветны. Цинк — голубовато-серый, плавится при 419,5 °C; им покрывают железо для защиты от коррозии (оцинкованная жесть), он применяется в латуни и гальванических элементах; вытесняет водород из кислоты: $Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2}$ . Гидроксид цинка амфотерен: при добавлении щёлочи к ZnSO₄ выпадает белый осадок, который растворяется и в кислоте ( $Zn (OH)_{2} + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + 2 H_{2} O$ ), и в избытке щёлочи ( $Zn (OH)_{2} + 2 OH^{-} \overset{}{\to} [Zn (OH)_{4}]^{2 -}$ ); в отличие от Al(OH)₃, он растворяется и в аммиачной воде — [Zn(NH₃)₄]²⁺. Кадмий — ядовит, применяется в Ni–Cd аккумуляторах. Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре (затвердевает при −38,8 °C), пары очень ядовиты: если разбился термометр, капли собирают, место засыпают порошком серы ( $Hg + S \overset{}{\to} HgS$ ) и проветривают помещение.

d-элементы: электронное строение

В побочных подгруппах заполняется внутренний d-слой: в 4-м периоде от Sc до Zn — 3d, в 5-м — 4d, в 6-м — 5d (перед ним 4f). По правилу Маделунга у меди ожидается $3 d^{9} 4 s^{2}$ , но заполненный d-слой энергетически выгоднее — один электрон переходит с 4s на 3d: ** $3 d^{10} 4 s^{1}$ ** («провал электрона»; так же у Ag и Au, а у хрома получается наполовину заполненный $3 d^{5} 4 s^{1}$ ). При ионизации первыми уходят s-электроны: Cu⁺ — $3 d^{10}$ (соединения обычно бесцветны), Cu²⁺ — $3 d^{9}$ : незаполненный d-слой поглощает красную часть видимого света, поэтому растворы меди(II) синие. У Zn²⁺ ( $3 d^{10}$ ) такого перехода нет — соли цинка бесцветны. Большинство d-элементов имеют переменные степени окисления и образуют комплексные соединения.

Безопасность и модель

Безопасность: со щёлочью, аммиаком и кислотами работайте в защитных очках; не нюхайте аммиак — работайте в вытяжном шкафу. При нагревании держите пробирку держателем, сначала равномерно прогрейте всю пробирку, не направляйте её отверстие на себя и на других. Соли меди ядовиты — после работы вымойте руки. Цианиды чрезвычайно ядовиты — в школе не применяются, эта часть — только модель. Соединения ртути и кадмия ядовиты. Модель: количества осадка и комплексов — по стехиометрии (конечное состояние зависит от добавленных молей, реакции считаются мгновенными). Цвета растворов приближённые, по закону Бугера — Ламберта — Бера (для каждого иона поглощение в трёх цветовых зонах). Время нагрева, серебряного зеркала и цианирования сокращено. Сопротивление проводов рассчитано по удельным сопротивлениям при 20 °C: $R = ρ L / S$ .

Знаете ли вы?

Мурунтау (Навоийская область) — один из крупнейших в мире золотых рудников, где золото добывают открытым способом: длина карьера ≈ 3,5 км, ширина ≈ 2,5 км, глубина превышает 500 м. Навоийский горно-металлургический комбинат в 2024 году произвёл более 3 млн тройских унций (около 93 т) золота.
Смесь медного купороса и гашёной извести — «бордоскую жидкость» — в конце XIX века начали применять против грибковых болезней на виноградниках вокруг французского города Бордо, и в садоводстве её используют до сих пор.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс
Железо и его соединения — 9 класс
Закономерности s- и p-элементов — 1 курс
d- и f-элементы: цвет, редокс — 1 курс
Комплексные соединения и лиганды — 1 курс