§ 57. Медь

Определения и обозначения

Медь — химический элемент Cu, расположенный в 4-м периоде и побочной подгруппе Периодической системы. В природе она встречается как самородный металл и в составе минералов, в том числе сульфидных руд. Такое положение и распространение помогают связать свойства меди с её строением и понять, почему для получения металла часто требуется переработка руды.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, если считать общие электронные пары принадлежащими более электроотрицательному элементу. Для меди наиболее обычны значения +1 и +2: например, в Cu₂O и CuO соответственно. По степени окисления составляют формулы и уравнения реакций, поэтому её нельзя заранее считать одинаковой во всех соединениях меди.

Медный колчедан, или халькопирит, — минерал состава CuFeS₂, сульфид меди и железа. Он служит одним из основных видов сырья для промышленного получения меди. Зная формулу руды, можно определить, какие элементы и соединения будут участвовать в её переработке.

Медный купорос — кристаллогидрат сульфата меди(II), CuSO₄·5H₂O. Кристаллогидратом называют кристаллическое вещество, в состав которого входят молекулы воды; купорос имеет ярко-синюю окраску. Формула показывает и соль, и число молекул воды, а цвет помогает отличить кристаллогидрат от безводного белого CuSO₄.

Как это устроено

Электронная конфигурация атома меди — [Ar]3d¹⁰4s¹: один электрон находится на 4s-подуровне, а 3d-подуровень заполнен. Такое распределение устойчивее, чем ожидаемое при простом следовании порядку заполнения орбиталей, поэтому электрон с 4s переходит на 3d. В результате медь относят к переходным элементам побочной подгруппы, хотя её атом имеет особую конфигурацию. При образовании ионов медь может отдавать один или два внешних электрона, что объясняет распространённость степеней окисления +1 и +2.

В металлической меди атомы образуют кристаллическую решётку, а часть электронов может свободно перемещаться между ними. Эти подвижные электроны переносят заряд, поэтому медь хорошо проводит электрический ток, а также тепло. Связь в металле не направлена строго между отдельными парами атомов: слои частиц могут смещаться без разрушения всего кристалла. Этим объясняются пластичность и ковкость меди, а характерное взаимодействие света с металлом придаёт ему красноватый цвет.

Медь сравнительно малоактивна: она не вытесняет водород из воды и разбавленных неокисляющих кислот. В природе поэтому сохраняются самородные скопления меди, особенно там, где металл не был разрушен химическими процессами. Однако значительная часть запасов находится в минералах, в частности в сульфидных рудах, и промышленность получает металл именно из такого сырья. С кислотами-окислителями медь реагирует, потому что окислитель принимает электроны, отданные атомами металла.

При переработке сульфидную руду обжигают в присутствии кислорода, а затем плавят; при этом удаляется часть серы в виде оксидов и отделяется железосодержащая порода. Получают штейн — расплав сульфидов меди и железа, который далее обрабатывают в конвертере. Железо и сера окисляются и удаляются, а сульфид меди превращается в металл; в упрощённом виде этот этап описывают уравнениями Cu₂S + O₂ → 2Cu + SO₂ и 2Cu₂O + Cu₂S → 6Cu + SO₂. Полученный продукт называют черновой медью: в ней ещё остаются примеси, поэтому её чистоты недостаточно для многих электротехнических применений.

Черновую медь очищают электролитическим рафинированием, то есть разделением веществ с помощью электрического тока. Неочищенный металл служит анодом, пластина чистой меди — катодом, а электролитом обычно является раствор соли меди(II). На аноде медь окисляется: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻; ионы переходят в раствор, а на катоде восстанавливаются: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Благородные примеси не растворяются и собираются под анодом, а более активные могут перейти в раствор, так что на катоде осаждается чистая медь.

Медь: свойства, реакции и основные соединения

Таблица связывает строение меди с её свойствами и показывает типичные уравнения. Используйте её, чтобы сравнивать условия реакций и проверять, какие частицы окисляются или восстанавливаются. Формулы продуктов и коэффициенты в уравнениях нужно сверять с законом сохранения атомов и заряда.

Разбор задач

1. Степени окисления и тип оксидов

Условие: определите степени окисления меди в Cu₂O и CuO и укажите тип оксидов. Кислород в этих соединениях имеет степень окисления −2, а сумма степеней окисления в нейтральной формуле равна нулю. Оксиды металлов, реагирующие с кислотами с образованием соли и воды, относят к основным.

1. В Cu₂O на два атома меди приходится один атом кислорода со степенью −2.
2. Чтобы сумма была нулевой, два атома меди вместе должны иметь степень +2; значит, каждый имеет +1.
3. В CuO один атом меди уравновешивает кислород −2, поэтому степень окисления меди равна +2.
4. Оба вещества — основные оксиды: например, CuO реагирует с кислотой с образованием соли и воды.

Ответ: в Cu₂O медь имеет степень окисления +1, в CuO — +2; оба оксида основные.

2. Медь и горячая концентрированная серная кислота

Условие: составьте уравнение реакции и расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Сначала определим, какие частицы меняют степень окисления: медь переходит из 0 в +2, а сера в серной кислоте частично восстанавливается из +6 до +4 в SO₂. Поэтому медь — восстановитель, а серная кислота — окислитель.

1. Запишем изменения: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺; S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴.
2. Число отданных и принятых электронов одинаково, поэтому соотношение Cu и восстановленной до SO₂ серы равно 1:1.
3. Добавим сульфат-ион к Cu²⁺ и получим CuSO₄; уравняем водород и кислород водой.
4. Проверка даёт: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

Ответ: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Один атом меди отдаёт два электрона, которые принимает сера; уравнение сбалансировано по атомам.

3. Получение меди из медного колчедана

Условие: предложите путь от CuFeS₂ к меди и запишите электролитическую очистку. Важно различать получение металла из руды и последующее удаление примесей: результат плавки — не сразу чистая медь. Для рафинирования нужно указать не только электролит, но и процессы на обоих электродах.

1. Обжигайте сульфидную руду в кислороде, затем плавьте сырьё; часть серы и железа удаляется, а расплав сульфидов меди и железа образует штейн.
2. Обработайте штейн в конвертере: после окисления примесей получают черновую медь. Упрощённую стадию восстановления меди можно представить уравнением 2Cu₂O + Cu₂S → 6Cu + SO₂↑.
3. Поместите черновую медь на анод, чистую пластину — на катод, а в раствор — соль меди(II). На аноде запишите Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, на катоде Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

Ответ: последовательность включает обжиг, плавку с получением штейна, конвертирование и электролитическое рафинирование. В суммарном виде перенос меди между электродами можно записать как Cu(анод) → Cu(катод); примеси при этом распределяются между осадком и электролитом.

Типичные ошибки

Ошибка — считать степень окисления меди всегда равной +2. Так думают, потому что CuO и многие знакомые соли содержат Cu²⁺, но в Cu₂O медь имеет степень +1. Проверяйте сумму степеней окисления по формуле соединения: для нейтральной частицы она должна быть равна нулю.

Ошибка — ожидать, что медь вытеснит водород из разбавленной соляной кислоты. Это правило иногда переносят с активных металлов, стоящих до водорода в ряду активности, однако медь расположена после него. Перед записью реакции сверьтесь с рядом активности: если металл ниже водорода, разбавленная неокисляющая кислота обычно не выделяет H₂.

Ошибка — записывать одинаковую реакцию меди с любой кислотой. Условия и продукты зависят от того, является ли кислота окислителем, а также от её концентрации. Например, с разбавленной HCl медь не реагирует, а с горячей концентрированной H₂SO₄ образуются CuSO₄, SO₂ и вода. Проверяйте свойства конкретной кислоты, прежде чем составлять уравнение.

Ошибка — называть черновую медь чистой. После получения из руды металл содержит примеси, хотя внешне может выглядеть как медь; путаница возникает из-за пропуска стадии очистки. Проверяйте, указано ли электролитическое рафинирование: на катоде осаждается чистый металл, а примеси остаются в растворе или образуют осадок.

Связь с другими темами

Для изучения меди нужно знать строение атома, электронные конфигурации и правила определения степени окисления: они помогают объяснить её соединения и реакции. При разборе взаимодействий с кислотами и неметаллами пригодятся умение составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций и знание ряда активности металлов. Эти знания продолжаются в темах о переходных металлах, коррозии и электролизе. Получение меди из руд связывает свойства веществ с промышленной металлургией.

Что запомнить

• Символ меди — Cu; электронная конфигурация атома — [Ar]3d¹⁰4s¹.
• Для меди характерны степени окисления +1 и +2.
• Медь хорошо проводит электрический ток и тепло, пластична и ковка.
• С водой и разбавленными неокисляющими кислотами медь обычно не реагирует.
• Медь взаимодействует с кислородом, серой, галогенами и кислотами-окислителями.
• Медь из сульфидных руд получают через стадии обжига и плавки; черновую медь очищают электролизом.
• CuSO₄·5H₂O — синий кристаллогидрат, известный как медный купорос.