ПМ-20 хімія 08.11.22

08.11.2022

Лекція (2 год.)

Тема 1.17. Мідь, фізичні та хімічні властивості міді. Сполуки Купруму.

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

1. Конспект лекції

2. Для самостійного вивчення:

Тема 1.18. Сплави на основі міді. Їх властивості, застосування.

Тема 1.19. Цинк. Властивості та застосування.

Купрум - елемент побічної підгрупи першої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 29. Позначається символом Cu ( лат. Cuprum ). 

Проста речовина мідь - це пластичний перехідний метал золотаво-рожевого кольору (рожевого кольору при відсутності оксидної плівки). C давніх пір широко застосовується людиною.

1. Історія та походження назви

Мідь - один з перших металів, широко освоєних людиною через доступність для отримання з руди і малу температуру плавлення. В давнину застосовувалася в основному у вигляді сплаву з оловом - бронзи для виготовлення зброї (бронзовий вік).

Латинська назва міді Cuprum походить від назви острова Кіпр, де вже в III тисячолітті до н. е. існували мідні рудники й здійснювалась виплавка міді.

2. Знаходження в природі

Мідь зустрічається в природі як в сполуках, так і в самородному вигляді. Промислове значення мають халькопірит CuFeS_2, також відомий як мідний колчедан, халькозін Cu₂S і борніт Cu₅ FeS_4. Разом з ними зустрічаються і інші мінерали міді: ковеллін CuS, Купрій Cu₂O,  азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)_2, малахіт Cu₂CO₃(OH)_2. 

Іноді мідь зустрічається в самородному вигляді, маса окремих скупчень може досягати 400 тонн. Сульфіди міді утворюються в основному в середньотемпературних гідротермальних жилах. Також нерідко зустрічаються родовища міді в осадових породах - мідисті пісковики і сланці. Найбільш відомі з родовищ такого типу - Удокан в Читинськії області, Джезказган в Казахстані, міденосний пояс Центральної Африки і Мансфельд в Німеччині. Інші найбагатші родовища міді знаходяться в Чилі (Ескондідо і Кольяусі) і США (Моренсі).

Велика частина мідної руди добувається відкритим способом. Зміст міді в руді становить від 0,3 до 1,0%.

3. Фізичні властивості

Мідь - золотисто-рожевий пластичний метал, на повітрі швидко покривається оксидною плівкою, яка надає їй характерний інтенсивний жовтувато-червоний відтінок. Тонкі плівки міді на просвіт мають зеленувато-блакитний колір. Мідь утворює кубічні гранецентровані гратки.

Мідь має високу тепло- і електропровідність (займає друге місце по електропровідності після срібла). Має два стабільні ізотопи - ⁶³Cu і ⁶⁵Cu, і кілька радіоактивних ізотопів. Самий довгоживучий з них, ⁶⁴Cu, має період напіврозпаду 12,7 год. і два варіанти розпаду з різними продуктами.

Існує ряд сплавів міді: латуні - з цинком, бронзи - з оловом і іншими елементами, мельхіор - з нікелем, бабіти - зі свинцем і інші.

4. Хімічні властивості

Не змінюється на повітрі при відсутності вологи і діоксиду вуглецю. Є слабким відновником, не реагує з водою, розбавленою хлоридною кислотою. Окислюється концентрованими сірчаною та азотною кислотами, "Царською горілкою", киснем, галогенами, халькогенами (VI A), оксидами неметалів. Реагує при нагріванні з галогеноводнями.

На вологому повітрі мідь окислюється, утворюючи основний карбонат міді (II) :

2Cu+H2O+CO2=(CuOH)2CO3 

Реагує з концентрованою сульфатною кислотою: напишіть рівняння реакції, складіть електронний баланс

Реагує з концентрованою нітратною кислотою: напишіть рівняння реакції, складіть електронний баланс

З розведеною нітратною кислотою: напишіть рівняння реакції, складіть електронний баланс

З газоподібним хлороводнем при 500-600 ^оC: напишіть рівняння реакції, складіть електронний баланс

Мідь розчиняється в концентрованому гідроксиді амонію, з утворенням аміакатів.

Окислюється до оксиду міді (I) при нестачі кисню і 200 ^оC і до оксиду міді (II), при надлишку кисню і температурах близько 400-500 ^оC: напишіть рівняння реакції, складіть електронний баланс.

Мідний порошок реагує з хлором, сіркою (у рідкому сірковуглеці) і бромом (в ефірі), при кімнатній температурі.

При 300-400 ^оC реагує із сіркою і селеном.

4.1. Сполуки Купруму.

У сполуках Купрум буває двох ступенів окислення: менш стабільному ступені Cu ⁺ і набагато більш стабільному Cu ^{2 +,} відповідно синього і синьо-зеленого кольору.

Карбонат Купруму (II) має зелене забарвлення, що є причиною позеленіння елементів будівель, пам'ятників і виробів з міді. Сульфат Купруму (II) при гідратації дає сині кристали мідного купоросу CuSO₄∙5H₂O, використовується як фунгіцид. Також існує нестабільний сульфат Купруму (I). Існує два стабільні оксида - купрум (I) оксид Cu₂O та купрум (II) оксид  CuO. Хлорид міді (I) - безбарвні кристали (у масі білий порошок) щільністю 4,11 г / см . У сухому стані стійкий. У присутності вологи легко окислюється киснем повітря, набуваючи синьо-зеленого забарвлення. Може бути синтезований відновленням хлориду міді (II) сульфитом натрію у водному розчині.

4.2. Сполуки Купруму (I)

Багато сполук Купруму (I) мають біле забарвлення або безбарвні. Це пояснюється тим, що в іоні Cu ⁺ всі п'ять Зd-орбіталей заповнені парами електронів. Проте оксид Cu₂O має червонувато-коричневе забарвлення. Іони Cu ⁺ у водному розчині нестійкі і легко піддаються диспропорціонуванню:

2Cu ⁺ (водн.) → Cu ^{2 +} (водн.) + Cu (тв.)

У той же час, Купрум (I) зустрічається у формі сполук, які не розчиняються у воді, або в складі комплексів. Наприклад, діхлорокупрат (I)-іон [CuCl ₂] ^- стійкий. Його можна отримати, додаючи концентровану соляну кислоту до хлориду міді (I):

CuCl (тв.) + Cl ^- (водн.) → [CuCl ₂] ^- (водн.)

Купрум (І) хлорид - біла нерозчинна тверда речовина. Як і інші галогеніди Купруму (I), він має ковалентний характер і більш стійкий, ніж галогенід Купруму (II). Купрум (І) хлорид можна отримати при сильному нагріванні купрум (ІІ) хлориду:

2CuCl ₂ (тв.) → 2CuCl (тв.) + Cl ₂ (р.)

Іони міді забарвлюють полум'я в зелений колір.

Утворює нестійкий комплекс з CO

CuCl + CO → Cu (CO) Cl , який розкладається при нагріванні.

4.3. Сполуки Купруму (II)

Ступінь окислення II - найбільш стабільний ступінь окислення Купруму. Солі Купруму (II) утворюються при розчиненні міді в кислотах-окислювачах (азотній, конц. сульфатній). Більшість солей в цьому ступені окислення мають синє або зелене забарвлення.

5. Застосування

5.1. У електротехніці

Через низький питомий опір (поступається лише сріблу), мідь широко застосовується в електротехніці для виготовлення силових кабелів, проводів або інших провідників. Мідні дроти, в свою чергу, також використовуються в обмотках енергозберігаючих електроприводів (побут: електродвигунах) і силових трансформаторів. Для цих цілей метал повинен бути дуже чистий: домішки різко знижують електричну провідність. Наприклад, присутність у міді 0,02% алюмінію знижує її електричну провідність майже на 10% .

5.2. Теплообмін

Інша корисна властивість міді - висока теплопровідність. Це дозволяє застосовувати її в різних пристроях, теплообмінниках, до числа яких відносяться і широко відомі радіатори охолодження, кондиціонування та опалення.

5.3. Для виробництва труб

У зв'язку з високою механічною міцністю і придатністю для механічної обробки, мідні безшовні труби круглого перерізу отримали широке застосування для транспортування рідин і газів: у внутрішніх системах водопостачання, опалення, газопостачання, системах кондиціонування і холодильних агрегатах. У ряді країн труби з міді є основним матеріалом, застосовуваним для цих цілей: у Франції, Великобританії та Австралії для газопостачання будівель, у Великобританії, США, Швеції та Гонконзі для водопостачання, у Великобританії та Швеції для опалення.

5.4. Інші сфери застосування

Мідь - самий широко вживаний каталізатор полімеризації ацетилену. Через це трубопроводи з міді для транспортування ацетилену можна застосовувати тільки при вмісті міді в сплаві матеріалу труб не більше 64%.

Широко застосовується мідь в архітектурі. Покрівлі та фасади з тонкої листової міді через автозатуханія процесу корозії мідного листа служать безаварійно по 100-150 років.

Прогнозованим новим масовим застосуванням міді обіцяє стати її використання в якості бактерицидних поверхонь в лікувальних установах для зниження внутрішньолікарняного бактеріопереноса: дверей, ручок, водозапорної арматури, перил, поручнів ліжок, стільниць - всіх поверхонь, до яких торкається рука людини.

6. Біологічна роль

Продукти, багаті на мідь.

Мідь є необхідним елементом для всіх вищих рослин і тварин. У струмі крові мідь переноситься головним чином білком церулоплазміном. Після засвоєння міді кишечником вона транспортується до печінки за допомогою альбуміну. Мідь зустрічається у великій кількості ферментів, наприклад, в цитохром-с-оксидазах.

У крові більшості молюсків і членистоногих мідь використовується замість заліза для транспорту кисню.

Передбачається, що мідь і цинк конкурують один з одним у процесі засвоєння в травному тракті, тому надлишок одного з цих елементів в їжі може викликати недолік іншого. Здоровій дорослій людині необхідно надходження міді в кількості 0,9 мг на день.

6.1. Токсичність

Деякі сполуки міді можуть бути токсичні при перевищенні ПДК в їжі і воді. Вміст міді в питній воді не повинен перевищувати 2 мг / л, однак знижений уміст міді в питній воді також небажаний. Всесвітня Організація Охорони Здоров'я (ВООЗ) сформулювала в 1998 році це правило так: "Ризики для здоров'я людини від нестачі міді в організмі багаторазово вище, ніж ризики від її надлишку".

У 2003 році в результаті інтенсивних досліджень ВООЗ переглянула попередні оцінки токсичності міді. Було визнано, що мідь не є причиною розладів травного тракту.

Теми для самостійного вивчення.

1.18.  Сплави на основі міді. Їх властивості, застосування.

У різноманітних галузях техніки широко використовуються сплави з використанням міді, самими широко поширеними з яких є згадувані вище бронза і латунь. Обидва сплави є загальними назвами для цілої родини матеріалів, у які крім олова і цинку можуть входити нікель, вісмут та інші метали. Наприклад, до складу так званого гарматного металу, який у XVI-XVIII ст. дійсно використовувався для виготовлення артилерійських гармат, входять всі три основних метали - мідь, олово, цинк; рецептура мінялася від часу і місця виготовлення гармат. У наш час латунь знаходить застосування у військовій справі в кумулятивних боєприпасах завдяки високій пластичності, велика кількість латуні йде на виготовлення збройових гільз.

Для деталей машин використовують сплави міді з цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм та ін (а не чисту мідь) через їх більшу міцність: 30-40 кгс / мм у сплавів і 25-29 кгс / мм у технічно чистої міді. Модуль пружності мідних сплавів (900-12000 кгс / мм нижче, ніж у сталі). Основна перевага мідних сплавів - низький коефіцієнт тертя (що робить особливо раціональним застосуванням їх в парах ковзання), що поєднується для багатьох сплавів з високою пластичністю і хорошою стійкістю проти корозії в ряді агресивних середовищ і хорошою електропровідністю. Величина коефіцієнта тертя практично однакова у всіх мідних сплавів, тоді як механічні властивості і зносостійкість, а також поведінка в умовах корозії залежать від складу сплавів, а отже, від структури. Міцність вище у двофазних сплавів, а пластичність у однофазних. Міднонікелеві сплави використовуються для карбування розмінної монети .

Міднонікелеві сплави, в тому числі і так званий "адміралтейський" сплав, широко використовуються в суднобудуванні і галузях, пов'язаних з можливістю агресивного впливу морської води, через високу корозійну стійкість.

Мідь є важливим компонентом твердих припоїв - сплавів з температурою плавлення 590-880 градусів Цельсія, що володіють хорошою адгезією до більшості металів, і застосовуються для міцного з'єднання різноманітних металевих деталей, особливо, з різнорідних металів, від трубопровідної арматури до рідинних ракетних двигунів.

Дюраль (дюралюміній) визначають, як сплав алюмінію і міді (міді в Дюралі 4,4%).

Ювелірні сплави

У ювелірній справі часто використовуються сплави міді з золотом для збільшення міцності виробів до деформацій і стирання, так як чисте золото дуже м'який метал і нестійкий до цих механічних впливів.

Тема 1.19. Цинк. Властивості та застосування.

·         Розташування елемента в періодичній системі та поширення в природі

·         Отримання металу

·         Фізичні властивості

·          Хімічні властивості цинку

·         Використання цинку в гальванічних елементах

·         Застосування сплавів, що містять цинк.

·         Роль цинку в організмі людини

 

Цинк є типовим представником групи металічних елементів і володіє всім спектром їх характеристик: металевим блиском, пластичністю, електро- і теплопровідністю. Однак хімічні властивості цинку дещо відрізняються від основних реакцій, властивих більшості металів. Елемент за певних умов може вести себе як неметал, наприклад, реагувати з лужами. Таке явище називається амфотерністю. У нашій статті ми вивчимо фізичні властивості цинку, а також розглянемо типові реакції, характерні для металу і його сполук.

 Розташування елемента в періодичній системі та поширення в природі

Метал розташовується в побічній підгрупі другої групи періодичної системи. У неї, крім цинку, входять кадмій і ртуть. Цинк належить до d-елементів і знаходиться в четвертому періоді. У хімічних реакціях його атоми завжди віддають електрони останнього енергетичного рівня, тому в таких сполуках елемента, як оксид, середні солі та гідроксид, метал проявляє ступінь окислення + 2. Будовою атома пояснюються всі фізико-хімічні властивості цинку і його сполук. Загальний вміст металу в ґрунті становить приблизно 0,01вес.%. Він входить до складу мінералів, наприклад, таких як галмей і цинкова обманка. Оскільки вміст цинку в них невисокий, спочатку гірські породи піддаються збагаченню, яке проводиться в шахтних печах. Більшість цинксовмісних мінералів - це сульфіди, карбонати і сульфати. Це солі цинку, хімічні властивості яких лежать в основі процесів їх переробки, наприклад, таких як випалювання.

 Отримання металу

Реакція жорсткого окислення карбонату або сульфіду цинку призводить до отримання оксиду. Процес відбувається в киплячому шарі. Це спеціальний метод, заснований на тісному контакті дрібноподрібненого мінералу і струменя гарячого повітря, що рухається з великою швидкістю. Далі оксид цинку ZnO відновлюють коксом і видаляють утворилися пари металу зі сфери реакції. Ще один спосіб отримання металу, заснований на хімічних властивостях цинку і його сполук - це електроліз розчину сульфату цинку. Він являє собою окислювально-відновлювальну реакцію, що проходить під дією електричного струму. Метал високої чистоти при цьому осаджується на електроді.

Фізичні властивості.

Блакитно-сріблястий, за звичайних умов крихкий метал. В інтервалі температур від 100 ° до 150 ° цинк стає гнучким і його можна прокатувати в листи. При нагріванні вище 200 ° метал стає надзвичайно крихким. Під дією кисню повітря шматки цинку покриваються тонким шаром оксиду, а при подальшому окисленні він перетворюється на гідроксокарбонат, який грає роль протектора і перешкоджає подальшій взаємодії металу з киснем повітря. Фізичні та хімічні властивості цинку взаємопов 'язані. Розгляньмо це на прикладі взаємодії металу з водою і киснем.

Хімічні властивості.

Жорстке окислення і реакція з водою

При сильному нагріванні на повітрі цинкові стружки згорають блакитним полум 'ям, при цьому утворюється оксид цинку.

2Zn + O₂ → 2ZnO

Він виявляє амфотерні властивості. У парах води, розігрітих до температури червоного каління, метал витісняє водень з молекул Н2О, крім цього, утворюється оксид цинку. Хімічні властивості речовини доводять його здатність взаємодіяти як з кислотами, так і з лужами.

Окислювально-відновлювальні реакції за участю цинку

Оскільки елемент у ряду активності металів стоїть перед воднем, він здатний витісняти його з молекул кислот.

Продукти реакції між цинком і кислотами залежатимуть від двох факторів:

·         виду кислоти

·         її концентрації

Розбавлена сірчана кислота, яка не проявляє яскраво виражених окислювальних властивостей, реагує з металом за схемою:

H₂SO₄ + Zn = ZnSO₄ + H₂↑

Таким же чином протікають реакції елемента з фосфорною і розбавленою сірчаною кислотами. Хімічні властивості, реакції цинку з нітратною кислотою мають свої особливості. Розбавлений розчин азотної кислоти середньої концентрації і цинк взаємодіють між собою з утворенням оксиду азоту (II), води і середньої солі - нітрату цинку. Концентрована нітратна кислота з металом реагують таким чином, що в продуктах можна виявити оксид азоту (IV), середню сіль і воду.

Дуже розбавлений розчин азотної кислоти і цинк в якості відновлювача взаємодіють між собою з утворенням нітрату цинку, води і декількох можливих продуктів: аміаку, вільного азоту або оксиду азоту (I).

Взаємодія з лугами

Рівняння реакцій взаємодії металу з розчинами лугів є підтвердженням його амфотерних властивостей. У продуктах виявляються комплексні солі - тетрагідроксоцинкати і водень.

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH)4] + H2

 

Сплавляючи тверді луги і метал, отримують солі іншого виду - цинкати. Побічним продуктом такого процесу також буде газоподібний водень.

Zn + 2KOH = K2ZnO2 + H2

Метал активно взаємодіє з галогенами, наприклад, хлором, бромом або йодом, а також з азотом, сірою та вуглецем. У результаті утворюються середні солі - нітриди, сульфіди або карбіди.

У низці активності металів цинк розташовується до водню і, отже, є активним металом. Однак він поступається за своїми властивостями лужним і лужноземельним металам.

Використання цинку в гальванічних елементах

Хімічні властивості цинку лежать в основі принципу дії різних видів гальванічних приладів. Марганцево-цинковий елемент є найбільш поширеним у техніці. Він працює завдяки проходженню окислювально-відновлювальної реакції між металом і діоксидом марганцю. З них виготовляються обидва електроди і поміщаються всередину приладу. Діюча речовина - хлорид амонію - має вигляд пасти, або ж нею просочуються пористі пластини, вставлені між катодом і анодом. Повітряно-цинковий елемент представлений негативним цинковим електродом - катодом. Анод - це вугільно- графітовий стрижень, заповнений повітрям. Як електроліт використовують розчини хлориду амонію або їдкого натрію.

 Застосування сплавів, що містять цинк

Для транспортування багатьох хімічних речовин, наприклад, аміаку, трубопроводами, необхідні особливі вимоги до складу металу, з якого виготовлені труби. Вони виготовляються на основі сплавів заліза з магнієм, алюмінієм і цинком і володіють високою корозійною стійкістю до дії агресивного хімічного середовища. Крім цього, цинк покращує механічні властивості сплавів і нівелює шкідливий вплив таких домішок, як нікель і мідь. У процесах промислового електролізу широке застосування отримали сплави міді і цинку. Для транспортування продуктів нафтопереробки використовують танкери. Вони побудовані з алюмінієвих сплавів, що містять, крім магнію, хрому і марганцю, велику частку цинку. Матеріали такого складу володіють не тільки високими почесрозійними властивостями і підвищеною міцністю, але ще й кріогенною стійкістю.

Роль цинку в організмі людини

Вміст Zn у клітинах становить 0,0003%, тому його відносять до мікроелементів. Хімічні властивості, реакції цинку і його сполук відіграють важливу роль в обміні речовин і підтримці нормального рівня гомеостазу, як на рівні клітини, так і всього організму в цілому. Іони металу входять до складу важливих ферментів та інших біологічно активних речовин. Наприклад, відомо, про серйозний вплив цинку на формування і функції чоловічої статевої системи. Він входить до складу коферменту гормону тестостерону, що відповідає за фертильність насіннєвої рідини і формування вторинних статевих ознак. Небілкова частина ще одного найважливішого гормону - інсуліну, що виробляється бета-клітинами острівців Лангергансу підшлункової залози, також містить мікроелемент. Імунний статус організму теж безпосередньо пов 'язаний з концентрацією в клітинах іонів Zn + 2, які знаходяться в гормоні тимуса - тимуліні і тимопоетині. Висока концентрація цинку реєструється в структурах ядра - хромосомах, що містять дезоксирибонуклеїнову кислоту і беруть участь у передачі спадкової інформації клітини.