В основі хімічних властивостей більшості елементів лежить їх здатність до розчинення у водному середовищі та кислотах. Вивчення характеристики міді пов'язане з малоактивною дією в звичайних умовах. Особливістю її хімічних процесів є утворення сполук з аміаком, ртуттю, азотною і сірчаною кислотами. Низька розчинність міді у воді не здатна викликати корозійні процеси. Їй притаманні особливі хімічні властивості, що дозволяють використовувати з'єднання в різних галузях промисловості.
Опис елемента
Мідь вважається найстарішим з металів, який навчилися добувати люди ще до нашої ери. Цю речовину отримують з природних джерел у вигляді руди. Міддю називають елемент хімічної таблиці з латинським найменуванням cuprum, порядковий номер якого дорівнює 29. У періодичній системі він розташований у четвертому періоді і відноситься до першої групи.
Природна речовина є рожево-червоним важким металом з м'якою і ковкою структурою. Температура його кипіння і плавлення - понад 1000 ° С. Вважається хорошим провідником.
Хімічна будова і властивості
Якщо вивчити електронну формулу мідного атома, то можна виявити, що у нього є 4 рівні. На валентній 4s-орбіталі знаходиться всього один електрон. Під час хімічних реакцій від атома може відщеплюватися від 1 до 3 негативно заряджених частинок, тоді отримуються сполуки міді зі ступенем окислення + 3, + 2, + 1. Найбільшою стійкістю володіють її двовалентні похідні.
У хімічних реакціях вона виступає як малоактивний метал. У звичайних умовах розчинність міді у воді відсутня. У сухому повітрі не спостерігається корозія, зате при нагріванні поверхня металу покривається чорним нальотом з оксиду двовалентного. Хімічна стійкість міді проявляється при дії безводних газів, вуглецю, ряду органічних сполук, фенольних смол і спиртів. Для неї характерні реакції комплексоутворення з виділенням пофарбованих з'єднань. Мідь має невелику схожість з металами лужної групи, пов'язаною з формуванням похідних одноалентного ряду.
Що таке розчинність?
Це процес утворення однорідних систем у вигляді розчинів при взаємодії одного з'єднання з іншими речовинами. Їх складовими є окремі молекули, атоми, іони та інші частинки. Ступінь розчинності визначається за концентрацією речовини, яку розчинили при отриманні насиченого розчину.
Одиницею вимірювання найчастіше є відсотки, об'ємні або вагові частки. Розчинність міді у воді, як і інших сполук твердого виду, підпорядковується лише змінам температурних умов. Цю залежність виражають за допомогою кривих. Якщо показник дуже маленький, то речовина вважається нерозчинною.
Розчинність міді у водному середовищі
Метал проявляє корозійну стійкість під дією морської води. Це доводить його інертність у звичайних умовах. Розчинність міді у воді (прісній) практично не спостерігається. Зате у вологому середовищі і під дією вуглекислого газу на металевій поверхні відбувається утворення плівки зеленого кольору, яка є основним карбонатом:
Cu + Cu + O2 + H2O + CO2 → Cu(OH)2 · CuCO2.
Якщо розглядати її одноалентні з'єднання у вигляді солі, то спостерігається їх незначне розчинення. Такі речовини схильні до швидкого окислення. В результаті виходять з'єднання міді двовалентні. Ці солі мають гарну розчинність у водному середовищі. Відбувається їх повна дисоціація на іони.
Розчинність у кислотах
Звичайні умови протікання реакцій міді зі слабкими або розбавленими кислотами не сприяють їх взаємодії. Не спостерігається хімічний процес металу з лужами. Розчинність міді в кислотах можлива, якщо вони є сильними окислювачами. Тільки в цьому випадку протікає взаємодія.
Розчинність міді в азотній кислоті
Така реакція можлива з огляду на те, що відбувається процес окислення металу сильним реагентом. Кислота азотна в розбавленому і концентрованому вигляді проявляє окислювальні властивості з розчиненням міді.
У першому варіанті під час реакції виходить міді нітрат і азоту двовалентний оксид у співвідношенні 75% до 25%. Процес з розбавленою кислотою азотної можна описати наступним рівнянням:
8HNO3 + 3Cu → 3Cu(NO3)2 + NO + NO + 4H2O.
У другому випадку виходить міді нітрат і азоту оксиди двовалентні і чотирьохвалентні, співвідношення яких 1 до 1. У цьому процесі бере участь 1 моль металу і 3 моля кислоти азотної концентрованої. При розчиненні міді відбувається сильний розігрів розчину, в результаті чого спостерігається термічне розкладання окислювача і виділення додаткового обсягу азотних оксидів:
4HNO3 + Cu → Cu(NO3)2 + NO2 + NO2 + 2H2O.
Реакцію використовують у малотоннажному виробництві, пов'язаному з переробкою брухту або видаленням покриття з відходів. Однак такий спосіб розчинення міді має ряд недоліків, пов'язаних з виділенням великої кількості азотних оксидів. Для їх вловлювання або нейтралізації необхідне спеціальне обладнання. Процеси ці вельми витратні.
Розчинення міді вважається завершеним, коли відбувається повне припинення вироблення летючих азотистих оксидів. Температура реакції коливається від 60 до 70 ° C. Наступним етапом є спуск розчину з хімічного реактора. На його дні залишаються невеликі шматки металу, який не прореагував. До отриманої рідини додають воду і проводять фільтрацію.
Розчинність у кислоті сірчаної
У звичайному стані така реакція не протікає. Фактором, що визначає розчинення міді в сірчаній кислоті, є її сильна концентрація. Розбавлене середовище не може окислити метал. Розчинення міді в сірчаній кислоті концентрованої протікає з виділенням сульфату.
Процес виражається таким рівнянням:
Cu + H2SO4 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2.
Властивості сульфата міді
Сіль двоосновну ще називають сірчанокислою, позначають її так: CuSO4. Вона являє собою речовину без характерного запаху, що не проявляє летючість. У безводній формі сіль не має кольору, вона непрозора, що володіє високою гігроскопічністю. У міді (сульфат) розчинність хороша. Молекули води, приєднуючись до солі, можуть утворювати кристалогідратні сполуки. Прикладом служить купорос мідний, який є пентагідратом блакитного кольору. Його формула: CuSO4·5H2O.
Кристалогідратам притаманна прозора структура синюватого відтінку, вони проявляють гіркуватий, металевий присмак. Молекули їх здатні з часом втрачати зв'язану воду. У природі зустрічаються у вигляді мінералів, до яких відносять халькантит і бутит.
Схильний до впливу міді сульфат. Розчинність є реакцією екзотермічною. У процесі гідратації солі виділяється значна кількість тепла.
Розчинність міді в залізі
У результаті цього процесу утворюються псевдосплави з Fe і Cu. Для металевого заліза і міді можлива обмежена взаємна розчинність. Максимальні її значення спостерігаються при температурному показнику 1099,85 ° C. Ступінь розчинності міді у твердій формі заліза дорівнює 8,5%. Це невеликі показники. Розчинення металевого заліза в твердій формі міді становить близько 4,2%.
Зниження температури до кімнатних значень робить взаємні процеси незначними. При розплавленні металевої міді, вона здатна добре змочувати залізо в твердій формі. При отриманні псевдосплавів Fe і Cu використовують особливі заготовки. Їх створюють шляхом пресування або печінки залізного порошку, що знаходиться в чистій або легованій формі. Такі заготовки просочують рідкою міддю, утворюючи псевдосплави.
Розчинення в аміаку
Процес часто протікає при пропусканні NH3 в газоподібній формі над розпеченим металом. Результатом є розчинення міді в аміаку, виділення Cu3N. Це з'єднання називають нітридом одноалентним.
Солі її піддаються впливу розчину аміачного. Додавання такого реактиву до мідного хлориду призводить до випадання осаду у вигляді гідроксиду:
CuCl2 + NH3 + NH3 + 2H2O → 2NH4Cl + Cu(OH)2↓.
Аміачний надлишок сприяє формуванню з'єднання комплексного типу, що має забарвлення темно-синю:
Cu(OH)2↓+ 4NH3 → [Cu(NH3)4] (OH)2.
Цей процес використовують для визначення іонів двовалентної міді.
Розчинність у чавуні
У структурі ковкого перлітного чавуну крім основних компонентів присутній додатковий елемент у вигляді звичайної міді. Саме вона підвищує графітизацію вуглецевих атомів, сприяє збільшенню жидкотекучесті, міцності і твердості сплавів. Метал позитивно впливає на рівень перліту в кінцевому продукті. Розчинність міді в чавуні використовують для проведення легування вихідного складу. Основною метою такого процесу є отримання ковкого сплаву. У нього будуть підвищені механічні та корозійні властивості, але зменшено угруповання.
Якщо вміст міді в чавуні становить близько 1%, то показник міцності при проведенні розтягнення прирівнюється до 40%, а плинності збільшується до 50%. Це суттєво змінює характеристики сплаву. Підвищення кількості металу, що легує до 2%, призводить до зміни міцності до значення 65%, а показник плинності стає дорівнює 70%. При більшому вмісті міді в складі чавуну важче утворюється кулястий графіт. Введення в структуру легуючого елемента не змінює технологію формування в'язкого і м'якого сплаву. Час, який відводиться для випалу, збігається з тривалістю такої реакції при виробництві чавуну без домішки міді. Воно становить близько 10 годин.
Використання міді для виготовлення чавуну з високою концентрацією кремнію не здатне повністю усунути так зване ожелезіння суміші під час випалу. В результаті отримують продукт з низькою пружністю.
Розчинність у ртуті
При змішуванні ртуті з металами інших елементів виходять амальгами. Цей процес може проходити при кімнатній температурі, адже в таких умовах Pb являє собою рідину. Розчинність міді в ртуті проходить тільки під час нагрівання. Метал необхідно попередньо подрібнити. При змочуванні рідкою ртуттю твердої міді відбувається взаємне проникнення однієї речовини в іншу або процес дифундирування. Значення розчинності виражається у відсотках і становить 7,4 * 10-3. У процесі реакції виходить тверда проста амальгама, схожа на цемент. Якщо її трохи нагріти, то вона розм'якшується. В результаті таку суміш використовують для лагодження виробів з порцеляни. Існують ще й складні амальгами з оптимальним вмістом у ній металів. Наприклад, у стоматологічному сплаві присутні елементи срібла, олова, міді та цинку. Їх кількість у відсотках відноситься як 65: 27: 6:2. Амальгам з таким складом називається срібним. Кожен компонент сплаву виконує певну функцію, яка дозволяє отримати пломбу високої якості.
Іншим прикладом є сплав амальгамний, в якому спостерігається високий вміст міді. Його ще називають мідним сплавом. У складі амальгама присутній від 10 до 30% Cu. Високий вміст міді перешкоджає взаємодії олова з ртуттю, що не дозволяє утворюватися дуже слабкій і корозуючій фазі сплаву. Крім того, зменшення кількості в пломбі срібла призводить до здешевлення. Для приготування амальгами бажано використовувати інертну атмосферу або захисну рідину, яка утворює плівку. Метали, що входять до складу сплаву здатні швидко окислюватися повітрям. Процес нагрівання амальгами купрума в присутність водню призводить до відгонки ртуті, що дозволяє відокремити елементарну мідь. Як бачите, ця тема нескладна для вивчення. Тепер ви знаєте, як мідь взаємодіє не тільки з водою, але і з кислотами та іншими елементами.