"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Медь образует соединения со степенями окисления +1 и +2, поэтому состав её оксидов и солей может быть разным. Красный Cu₂O и чёрный CuO помогают наглядно различать эти состояния. Голубой гидроксид Cu(OH)₂ получают из растворов солей меди(II); при нагревании он превращается в CuO и воду. Эти свойства используют, чтобы распознавать соединения меди, составлять цепочки реакций и решать задачи на расчёт количества и массы веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Степень окисления меди — условный заряд её атома в соединении, который устанавливают по общим правилам для химических формул. В соединениях Cu(I) медь имеет степень окисления +1, а в соединениях Cu(II) — +2. Чтобы найти её по формуле, учитывают известные степени окисления других элементов и то, что сумма зарядов в нейтральном веществе равна нулю. Это помогает определить состав соединения и правильно записать его формулу.
Оксид меди(I) — соединение меди с кислородом, формула которого Cu₂O. Кислород здесь имеет степень окисления −2, поэтому два атома меди вместе дают +2, то есть каждый атом меди имеет +1. Вещество обычно выглядит как красный или кирпично-красный порошок. Формула и окраска помогают отличать этот оксид от соединения меди(II).
Оксид меди(II) — соединение меди и кислорода с формулой CuO. Один атом кислорода со степенью окисления −2 уравновешен одним атомом меди со степенью окисления +2. CuO представляет собой чёрное твёрдое вещество. Это основный оксид: например, с кислотами он реагирует с образованием соли и воды.
Гидроксид меди(II) — малорастворимое основание состава Cu(OH)₂. В его формуле два гидроксид-иона OH⁻ уравновешивают заряд иона меди Cu²⁺. Обычно это голубой осадок, который образуется при смешивании растворов соли меди(II) и щёлочи. Его используют для распознавания соединений меди и получения CuO нагреванием.
В оксидах заряд кислорода обычно равен −2, поэтому формулу соединения меди можно вывести из электронейтральности. Для Cu(I) нужны два атома меди на один атом кислорода: +1 · 2 − 2 = 0, получается Cu₂O. Для Cu(II) достаточно одного атома меди: +2 − 2 = 0, получается CuO. В солях заряд меди также должен компенсироваться зарядом кислотного остатка, поэтому, например, для Cu²⁺ и SO₄²⁻ соотношение ионов равно 1:1. Оба состояния меди возможны, поскольку атомы могут отдавать при образовании соединений разное число электронов.
Cu₂O обычно красного цвета, а CuO — чёрного, поэтому окраска вместе с формулой помогает различить оксиды. В обычных условиях CuO устойчив и при нагревании не распадается на простые вещества; Cu₂O в окислительной среде может превращаться в CuO, поскольку медь переходит из +1 в +2. Химическое поведение CuO объясняется тем, что это основный оксид: кислота связывает оксид-ионы с образованием воды, а катионы меди входят в состав соли. Например, CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Так чёрный оксид превращается в растворимую соль меди(II).
Гидроксид меди(II) получают реакцией обмена: к раствору растворимой соли меди(II) добавляют щёлочь. Например, CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄; малорастворимый гидроксид выпадает из раствора в виде голубого осадка. Ионы Cu²⁺ и OH⁻ соединяются в твёрдое вещество, поэтому осадок не исчезает при добавлении избытка обычной щёлочи. Это свойство отличает Cu(OH)₂ от гидроксидов, которые растворяются в избытке щёлочи.
При нагревании Cu(OH)₂ превращается в CuO и воду: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. В исходном веществе уже есть атомы водорода и кислорода, из которых образуется вода, поэтому это разложение, а не реакция с кислородом воздуха. Тёмный оксид остаётся как твёрдый продукт, а вода выделяется при нагревании. Такой переход удобен в цепочках реакций, где из раствора соли сначала осаждают гидроксид, а затем получают оксид.
Некоторые соединения меди(II) распознают по реакциям с характерными внешними признаками. При добавлении щёлочи появляется голубой осадок Cu(OH)₂, поскольку образуется малорастворимое вещество. Если добавить аммиак, молекулы NH₃ связывают ионы Cu²⁺ и при избытке аммиака образуется растворимый комплекс интенсивно-синего цвета. Значит, голубой осадок и тёмно-синий раствор указывают на разные вещества и разные результаты реакции.
| Соединение | Степень окисления меди | Внешний вид | Характерное свойство или превращение |
|---|---|---|---|
| Оксид меди(I) Cu₂O | +1 | Красный, кирпично-красный твёрдый порошок | В окислительной среде может переходить в CuO |
| Оксид меди(II) CuO | +2 | Чёрдое твёрдое вещество | Реагирует с кислотами с образованием соли и воды |
| Гидроксид меди(II) Cu(OH)₂ | +2 | Голубой малорастворимый осадок | При нагревании разлагается на CuO и H₂O |
| Сульфат меди(II) CuSO₄·5H₂O | +2 | Голубые кристаллы медного купороса | В растворе реагирует со щёлочью с образованием Cu(OH)₂ |
Сначала сопоставьте формулу со степенью окисления меди, а затем проверьте, согласуется ли с ней внешний вид. Последний столбец подсказывает, какую реакцию можно использовать для получения или распознавания вещества. Кристаллогидрат CuSO₄·5H₂O содержит воду в составе кристаллов, а при растворении даёт соль меди(II).
Условие: запишите уравнение получения Cu(OH)₂ из растворов CuSO₄ и NaOH и укажите признак реакции. Это реакция обмена: части кислотного остатка и гидроксид-ионы меняются местами. Поскольку у иона Cu²⁺ заряд +2, для образования Cu(OH)₂ нужны два иона OH⁻. Значит, перед NaOH следует поставить коэффициент 2.
Ответ: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Признак реакции — образование голубого осадка.
Условие: при нагревании 9,8 г Cu(OH)₂ найти массу образовавшегося CuO. Уравнение разложения Cu(OH)₂ → CuO + H₂O показывает, что один моль гидроксида даёт один моль оксида. Поэтому сначала находим количество исходного вещества, а затем используем такое же количество CuO. Для расчёта берём молярные массы Cu(OH)₂ ≈ 97,5 г/моль и CuO ≈ 79,5 г/моль.
Ответ: образуется примерно 8,0 г CuO. Небольшое округление допустимо, так как исходная масса дана с двумя значащими цифрами.
Условие: составьте уравнения Cu → CuO → CuSO₄ → Cu(OH)₂ → CuO и укажите условия. Для перехода от металла к оксиду нужен кислород и нагревание. Оксид превращают в соль действием серной кислоты, а гидроксид осаждают из раствора соли щёлочью. В последнем переходе нагревание разлагает гидроксид; степень окисления меди в этой части цепочки остаётся +2.
Ответ: уравнения перечислены по порядку; условия — нагревание меди, действие разбавленной H₂SO₄, добавление раствора NaOH и нагревание гидроксида.
Ошибка — смешивать Cu₂O и CuO, например считать, что обе формулы означают один и тот же оксид. Её допускают, если не проверяют заряд кислорода и степень окисления меди. Для проверки вычислите сумму: в Cu₂O два атома меди со степенью +1 уравновешивают O²⁻, а в CuO один атом меди имеет +2. Число атомов в формуле напрямую показывает разницу.
Ошибка — записывать Cu(OH)₂ как растворённое основание, распадающееся на ионы в растворе. Так происходит, если забыть о его малой растворимости и механически применять правила для растворимых щелочей. Проверьте таблицу растворимости: при смешивании растворов соли меди(II) и щёлочи гидроксид выпадает в осадок. Поэтому в уравнении реакции ставят знак ↓, а не считают Cu(OH)₂ обычным растворённым реагентом.
Ошибка — при нагревании Cu(OH)₂ добавлять кислород или описывать процесс как окисление. Так можно решить, если принять любое образование оксида за реакцию с O₂. Но атомы Cu, O и H уже есть в исходном веществе, и уравнение Cu(OH)₂ → CuO + H₂O уравнено без кислорода. Проверяйте баланс атомов и различайте разложение вещества и реакцию с внешним реагентом.
Ошибка — называть голубой осадок и интенсивно-синий раствор одним признаком. Путаница возникает из-за похожего названия соединений меди и того, что оба вещества окрашены. Голубой осадок — Cu(OH)₂, а тёмно-синяя окраска появляется при образовании растворимого аммиачного комплекса меди(II). Проверяйте, добавляли ли щёлочь или аммиак и выпал ли осадок.
Чтобы понимать формулы соединений меди, нужно уметь определять степени окисления, знать состав оксидов и гидроксидов и соблюдать правила составления химических формул. Для уравнений реакций необходимы знания о реакциях обмена, разложения и взаимодействии основных оксидов с кислотами. Эти навыки помогают не только записывать превращения, но и проверять сохранение числа атомов и зарядов.
Соединения меди встречаются при изучении окислительно-восстановительных реакций: переход Cu(I) в Cu(II) сопровождается изменением степени окисления. Осаждение Cu(OH)₂ и образование синего аммиачного комплекса связаны с качественным распознаванием ионов в растворах. Знание превращений оксидов и солей также помогает разбирать способы получения металлов и составлять цепочки реакций.
Почему медь образует соединения с разными степенями окисления?
Атом меди может отдавать разное число электронов при образовании соединений, поэтому встречаются состояния +1 и +2. Какое из них реализуется, зависит от состава вещества и условий реакции.
Как по формуле отличить оксид меди(I) от оксида меди(II)?
В Cu₂O кислород имеет степень окисления −2, поэтому на два атома меди приходится суммарный заряд +2, а на каждый — +1. В CuO одному атому меди соответствует +2.
Как получить голубой осадок гидроксида меди(II)?
К раствору растворимой соли меди(II), например CuSO₄, добавляют раствор щёлочи, например NaOH. В результате реакции обмена выпадает голубой осадок Cu(OH)₂.
Что образуется при нагревании Cu(OH)₂?
Гидроксид меди(II) разлагается на оксид меди(II) и воду: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Голубой осадок при этом сменяется чёрным твёрдым веществом.
Почему при добавлении аммиака раствор соединения меди(II) становится тёмно-синим?
Молекулы аммиака связываются с ионами меди(II), образуя растворимый комплекс. Его интенсивно-синяя окраска отличается от голубого цвета осадка Cu(OH)₂.
25.2. Соединения меди
