§ 29. Медь

Определения и обозначения

Медь — химический элемент Cu с атомным номером 29, металл побочной подгруппы четвёртого периода. В основном состоянии её электронная конфигурация записывается как [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Такое строение помогает объяснить, почему медь образует соединения с разными степенями окисления. Эти сведения нужны, чтобы предсказывать состав веществ и понимать их формулы.

Степень окисления меди — условный заряд атома в соединении, который определяют, считая связи ионными. Наиболее часто медь имеет степени окисления +1 и +2: например, в Cu₂O она равна +1, а в CuO — +2. Индексы в формулах соотносятся с зарядами атомов и ионов так, чтобы суммарный заряд вещества был равен нулю. Это правило помогает составлять формулы и проверять их.

Оксид меди(II) — чёрдое чёрное вещество состава CuO, в котором медь имеет степень окисления +2. Он практически не растворяется в воде, но реагирует с кислотами, образуя соль и воду; при нагревании с некоторыми восстановителями может превращаться в металл. CuO получают, например, нагреванием меди в кислороде или разложением гидроксида меди(II). Свойства оксида показывают, как соединения металла вступают в дальнейшие реакции.

Гидроксид меди(II) — голубое твёрдое вещество Cu(OH)₂, нерастворимое в воде. В лаборатории его получают, добавляя щёлочь к раствору растворимой соли меди(II), после чего появляется осадок. При нагревании гидроксид разлагается на чёрный CuO и воду. По этой реакции можно распознавать превращения между гидроксидом и оксидом.

Как это устроено

Медь находится в побочной подгруппе, где у атомов заполнение внешних и предвнешних электронных уровней приводит к особенностям химического поведения. У её атома один электрон на внешнем 4s-подуровне и заполненный 3d-подуровень. При образовании соединений могут участвовать электрон внешнего уровня и электрон d-подуровня, поэтому возникают степени окисления +1 и +2. Именно это объясняет, почему формулы оксидов меди различаются: Cu₂O соответствует +1, а CuO — +2.

В металлической меди атомы связаны металлической связью: положительные ионы располагаются в общей структуре, а часть электронов может перемещаться по всему металлу. Подвижные электроны переносят электрический заряд и энергию, поэтому медь хорошо проводит ток и тепло. Слои атомов могут смещаться без разрушения связи между ними, что делает металл пластичным. Из меди можно получать тонкую проволоку и листы, сохраняя полезные свойства проводника.

В ряду активности медь расположена после водорода. Поэтому она не вытесняет водород из разбавленных неокисляющих кислот, например соляной: такие кислоты не способны окислить атомы Cu до ионов. Однако окислители могут принимать электроны у меди, и тогда она переходит в раствор в виде ионов. Например, азотная кислота реагирует с медью, хотя водород при этом обычно не выделяется: продуктами восстановления становятся соединения азота.

При нагревании на воздухе медь реагирует с кислородом, образуя оксид CuO: 2Cu + O₂ → 2CuO. При недостатке кислорода возможно образование Cu₂O, поэтому состав продукта зависит от условий. С серой при нагревании медь образует сульфид, например Cu₂S, а с галогенами — галогениды меди. Формула продукта определяется тем, какие степени окисления устойчивы в конкретной реакции и в каком соотношении соединяются элементы.

Соединения меди можно превращать друг в друга реакциями обмена и разложения. Если к раствору соли меди(II) добавить щёлочь, нерастворимый Cu(OH)₂ выпадает в осадок, а растворимая соль остаётся в растворе. При нагревании осадок теряет воду и превращается в CuO: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Оксиды и гидроксиды меди(II) реагируют с кислотами с образованием солей, поэтому цепочку превращений можно продолжить, выбрав подходящие реагенты.

Свойства меди и важнейших соединений

Сначала сравните формулы и внешний вид: это помогает отличить металл от его соединений и CuO от гидроксида. Затем найдите в таблице реакцию, которая подходит к заданному веществу, например образование осадка или взаимодействие с кислотой. Примеры применения показывают, как химические свойства связаны с практическими качествами веществ.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции меди с кислородом при нагревании и определите степень окисления меди в продукте. Нужно выбрать формулу оксида, соответствующую продукту реакции при нагревании меди в кислороде. Затем составить и уравнять уравнение, а степень окисления проверить по заряду кислорода. Такой порядок не позволяет перепутать CuO и Cu₂O.

1. При нагревании меди в кислороде образуется оксид меди(II), формула которого CuO.
2. Записываем схему Cu + O₂ → CuO и уравниваем число атомов: 2Cu + O₂ → 2CuO.
3. Кислород в оксиде имеет степень окисления −2, поэтому медь в CuO имеет степень окисления +2.

Ответ: 2Cu + O₂ → 2CuO; степень окисления меди равна +2.

Задача 2. Получите гидроксид меди(II) из раствора сульфата меди(II), запишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения. Для осаждения гидроксида нужен источник ионов OH⁻, поэтому к раствору соли добавляют раствор щёлочи, например NaOH. В полном уравнении обмена важно сохранить число атомов и зарядов, а в сокращённом убрать ионы, которые не меняются. Осадок отмечают стрелкой вниз.

1. Составляем молекулярное уравнение: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.
2. В ионной форме растворимые вещества записываем ионами: Cu²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ + 2Na⁺ + SO₄²⁻.
3. Убираем одинаковые ионы Na⁺ и SO₄²⁻ по обе стороны уравнения.
4. Получаем сокращённое ионное уравнение: Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓.

Ответ: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄; Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓.

Задача 3. Медную пластинку поместили в раствор нитрата серебра. Запишите реакцию и найдите массу серебра, если растворилось 6,4 г меди. Реакция замещения возможна, потому что медь активнее серебра и вытесняет его из раствора соли. Сначала по уравнению находят количество вещества меди, затем используют соотношение коэффициентов и вычисляют массу выделившегося серебра.

1. Записываем и уравниваем реакцию: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag.
2. Количество меди: n(Cu) = m/M = 6,4 г / 64 г/моль = 0,10 моль.
3. Из уравнения видно, что на 1 моль Cu образуются 2 моль Ag, значит n(Ag) = 0,20 моль.
4. Масса серебра: m(Ag) = nM = 0,20 моль · 108 г/моль = 21,6 г.

Ответ: Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag; выделится 21,6 г серебра. Если в условии дана другая масса меди, расчёт выполняют тем же способом, подставляя её вместо 6,4 г.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что медь вытесняет водород из разбавленной соляной кислоты. Такое ожидание возникает из-за обобщения свойства активных металлов на все металлы; проверьте положение Cu в ряду активности: она находится после водорода. В разбавленной неокисляющей кислоте уравнение выделения H₂ для меди составлять не нужно.

Неверно приписывать меди только степень окисления +2. Её часто запоминают по распространённым солям и CuO, забывая о соединениях меди(I); для проверки рассчитайте степень окисления из формулы. В Cu₂O она равна +1, а в CuO — +2, поэтому важно учитывать оба варианта.

Ошибка — записывать Cu(OH)₂ как растворимое вещество. Её допускают, перенося на все гидроксиды свойства щелочей; проверьте растворимость по наблюдаемому признаку: при смешивании растворов соли меди(II) и щёлочи появляется голубой осадок. Поэтому в уравнении ставят знак ↓.

Нельзя путать CuO и Cu₂O: первая формула относится к оксиду меди(II), вторая — к оксиду меди(I). Путаница возникает из-за похожих названий, но число атомов меди в формулах различно. Проверка по зарядам проста: O имеет −2, значит в CuO у Cu степень +2, а в Cu₂O — +1.

Связь с другими темами

Для изучения меди нужны знания о строении атома, периодическом законе и свойствах металлов побочных подгрупп: они объясняют её степени окисления и химическое поведение. Умение составлять формулы по степеням окисления и уравнивать окислительно-восстановительные реакции помогает разбирать превращения меди. Эти знания пригодятся при изучении коррозии, электролиза, сплавов и других переходных металлов.

Что запомнить

• Символ меди — Cu, её атомный номер — 29.
• Для меди характерны степени окисления +1 и +2.
• Медь пластична и хорошо проводит тепло и электрический ток.
• С разбавленными неокисляющими кислотами медь водород не вытесняет.
• CuO — чёрный оксид, Cu(OH)₂ — голубой осадок.
• При нагревании Cu(OH)₂ разлагается с образованием CuO и воды.