Медь и её характеристики
Общая характеристика меди
Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико [0,01% (масс.)], однако она чаще чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины.
Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются: халькозин, или медный блеск Cu2S; халькопирит, или медный колчедан CuFeS2; малахит (CuOH)2CO3.
Чистая медь – тягучий вязкий металл светло-розового цвета (рис. 1), легко прокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит теплоту и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди боле темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налетом карбоната гидроксомеди (CuOH)2CO3.
Рис. 1. Медь. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса меди
Поскольку в свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cu, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 63,546.
Изотопы меди
Известно, что в природе медь может находиться в виде двух стабильных изотопов 63Cu (69,1%) и 65Cu (30,9%). Их массовые числа равны 63 и 65 соответственно. Ядро атома изотопа меди 63Cu содержит двадцать девять протонов и тридцать четыре нейтрона, а изотоп 65Cu – столько же протонов и тридцать шесть нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы меди с массовыми числами от 52-х до 80-ти, а также семь изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 67Cu с периодом полураспада равным 62 часа.
Ионы меди
Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов меди выглядит следующим образом:
1s22s22p63s23p63d104s1.
В результате химического взаимодействия медь отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Cu0 -1e → Cu+;
Cu0 -2e → Cu2+.
Молекула и атом меди
В свободном состоянии медь существует в виде одноатомных молекул Cu. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу меди:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
7,72 |
|
Относительная электроотрицательность |
1,90 |
|
Радиус атома, нм |
0,128 |
Сплавы меди
Важнейшими сплавами меди с другими металлами являются латуни (сплавы меди с цинком), медноникелевые сплавы и бронзы.
Латуни содержат до 45% цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних входят другие элементы, например железо, алюминий, олово, кремний.
Медноникелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся мельхиоры и нейзильберы. Мельхиоры содержат 20-30% никеля и небольшие количества железа и марганца, а нейзильберы содержат 5-35% никеля и 13-45% цинка. К электротехническим медноникелевым сплавам относятся константан (40% никеля, 1,5% марганца), манганин (3% никеля и 12% марганца) и копель (43% никеля и 0,5% марганца).
Бронзы подразделяются по основному входящему в их состав компоненту (кроме меди) на оловянные, алюминиевые, кремнистые и т.д.
Примеры решения задач
| Задание | Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие реакции:
CuO → CuSO4 → Cu → CuO → Cu(NO3)2. |
| Ответ | При растворении оксида меди (II) в разбавленной серной кислоте образуются сульфат меди (II) и вода:
CuO + H2SO4(dilute)→ CuSO4 + H2O. Медь из сульфата меди (II) можно получить гидрометаллургическим методом: CuSO4 + Fe→ Cu + FeSO4. При температуре свыше 337oС медь взаимодействует с кислородом с образованием оксида меди (II): 2Cu + O2 → 2CuO; Оксид меди (II) растворяется в разбавленной азотной кислоте с образованием нитрата меди (II) и воды: CuO + HNO3(dilute)→ Cu(NO3)2 + H2O. |
| Задание | В водный раствор хлорида меди (II) опустили медные электроды по 20 г каждый и подключили их к источнику постоянного тока. Через некоторое время катод вынули и растворили при нагревании в концентрированной серной кислоте, а затем добавили в раствор избыток гидроксида натрия, в результате чего выпал осадок массой 49 г. Определите массу анода после электролиза. |
| Решение | Запишем уравнения реакций:
катод: Cu2+ +2e→ Cu0; (1) анод: Cu0 — 2e→ Cu2+. (2) Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O; (3) CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4; (4) Рассчитаем количество вещества гидроксида меди (II) (осадка) (молярная масса равна 98г/моль): n = m / M; n (Cu(OH)2) = m (Cu(OH)2) / M (Cu(OH)2); n (Cu(OH)2) = 49 / 98 = 0,5 моль. Определим количество вещества и массу меди (катода) по окончании реакции (молярная масса – 64 г/моль): mfinal(Cu) = n (Cu(OH)2) =0,5 моль; m = n × M; mfinal(Cu) = n (Cu) × M (Cu); mfinal(Cu)= 0,5 × 64 = 32 г. Найдем массу меди, осажденной на катоде: m(Cu) = mfinal(Cu) – mparent(Cu); m(Cu) = 32 – 20 = 12 г. Вычислим массу анода по окончании реакции. Масса анода уменьшилась ровно настолько, насколько увеличилась масса катода: manode = mparent(anode) — m(Cu); manode = 20 – 12 = 8 г. |
| Ответ | Масса анода равна 8 г |
