§ 25. Медь и серебро

Определения и обозначения

Медь — элемент побочной подгруппы 11-й группы, расположенный в четвёртом периоде; её символ — Cu. Электронная конфигурация атома: [Ar]3d¹⁰4s¹, а характерные степени окисления в соединениях — +1 и +2. Это помогает объяснять, почему медь образует несколько типов соединений и участвует в окислительно-восстановительных реакциях.

Серебро — элемент 11-й группы пятого периода, обозначается Ag. Его электронная конфигурация — [Kr]4d¹⁰5s¹, а наиболее характерная степень окисления в соединениях равна +1. Знание этой особенности позволяет предсказывать состав солей серебра и записывать реакции ионов Ag⁺.

Оксид меди(II), CuO, — чёрное твёрдое соединение, в котором медь имеет степень окисления +2. Это основный оксид: он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, а при нагревании может восстанавливаться до меди. Получить CuO можно нагреванием меди в кислороде или разложением некоторых соединений меди(II), например гидроксида.

Нитрат серебра, AgNO₃, — хорошо растворимая в воде соль. В растворе она даёт ионы Ag⁺, поэтому её используют как удобный реагент для получения других соединений серебра и обнаружения галогенид-ионов. Например, с хлорид-ионами возникает малорастворимый белый осадок AgCl.

Как это устроено

Медь и серебро находятся в одной группе, поэтому у их атомов сходное строение внешнего электронного слоя: по одному электрону на внешнем s-подуровне. При образовании соединений этот электрон сравнительно легко участвует в связях, что объясняет устойчивость степени окисления +1. У меди возможна также степень +2, поскольку в химических превращениях могут участвовать электроны d-подуровня; у серебра такая степень выражена значительно слабее.

Медь имеет красноватый цвет, а серебро — серебристо-белый блеск; оба металла хорошо проводят электрический ток и тепло. Электропроводность связана с подвижностью электронов в металлической связи, а пластичность позволяет раскатывать металлы в листы и вытягивать в проволоку. В природе медь встречается в самородном виде и в рудах, серебро — преимущественно в рудах, иногда вместе с другими металлами. Поэтому медь широко применяют в проводах, трубах и сплавах, а серебро — в электрических контактах, ювелирных изделиях и специальных покрытиях.

Медь малоактивна: в ряду активности она расположена после водорода. Поэтому разбавленные соляная и серная кислоты не окисляют её с выделением водорода, в отличие от кислот, взаимодействующих с более активными металлами. Однако окислители способны принимать электроны у меди, поэтому она реагирует, например, с кислородом и азотной кислотой; в таких реакциях водород обычно не выделяется.

При нагревании в кислороде медь окисляется до чёрного CuO. Оксид меди(II) проявляет основные свойства: с кислотой он образует соль меди(II) и воду, например CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Голубой осадок Cu(OH)₂ тоже реагирует с кислотами, а при нагревании разлагается на CuO и воду. Эти превращения показывают, как по свойствам основного оксида и основания можно предсказать продукты реакций.

Серебро химически малоактивно и обычно не взаимодействует с кислородом воздуха, но реагирует с сильными окислителями, например с азотной кислотой. Потемнение серебряных предметов связано главным образом с образованием Ag₂S при контакте с соединениями серы. Ионы Ag⁺ образуют малорастворимые осадки с некоторыми анионами: AgCl — белый, AgBr — кремовый, AgI — жёлтый. Именно образование осадка лежит в основе качественного обнаружения галогенид-ионов.

Сравнение меди и серебра и характерных соединений

Сначала сравнивайте положение элементов и электронное строение: они помогают понять характерные степени окисления. Затем сопоставляйте поведение металлов в реакциях, не перенося свойства одного металла на другой. Таблица также показывает, какие свойства соединений полезны для распознавания и практического применения.

Разбор задач

Медь реагирует с кислородом

Условие: составьте уравнение реакции меди с кислородом при нагревании и укажите степень окисления меди в продукте. Нужно определить, какой оксид образуется при этих условиях, а затем уравнять число атомов каждого элемента. Нагревание обеспечивает протекание реакции, в которой медь отдаёт электроны кислороду.

1. Записываем формулы реагентов: Cu и O₂. При нагревании медь образует оксид меди(II), формула которого CuO.
2. Уравниваем кислород: в молекуле O₂ два атома, поэтому ставим коэффициент 2 перед CuO. Для сохранения числа атомов меди ставим 2 перед Cu.
3. Проверяем баланс: слева и справа по два атома Cu и O. В CuO кислород имеет степень окисления −2, поэтому медь имеет +2.

Ответ: 2Cu + O₂ → 2CuO; степень окисления меди в продукте равна +2. Медь окисляется, а кислород восстанавливается, значит, реакция является окислительно-восстановительной. Коэффициенты показывают соотношение частиц, а не меняют формулы веществ.

Цепочка превращений соединений меди

Условие: запишите превращения Cu → CuO → CuSO₄ → Cu(OH)₂ и укажите условия. В каждом звене нужно выбрать реагент, который превращает исходное вещество в следующее. Здесь используются окисление меди, кислотные свойства серной кислоты и образование малорастворимого гидроксида.

1. Первый переход проводят нагреванием меди в кислороде: 2Cu + O₂ → 2CuO. Оксид меди(II) получается при окислении металла.
2. Для получения сульфата добавляют к основному оксиду разбавленную серную кислоту: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Реакция нейтрализации идёт при смешивании реагентов.
3. К раствору CuSO₄ добавляют раствор щёлочи, например NaOH: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Голубой осадок образуется при обычных условиях.

Ответ: 2Cu + O₂ → 2CuO; CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. В последней реакции важно поставить коэффициент 2 перед NaOH, чтобы уравнять гидроксид-ионы и натрий. Осадок Cu(OH)₂ подтверждает, что в растворе присутствовали ионы Cu²⁺.

Осаждение хлорида серебра

Условие: к раствору нитрата серебра добавили раствор хлорида натрия. Требуется записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения и объяснить наблюдение. Растворимые соли распадаются на ионы, а малорастворимый AgCl выпадает из раствора.

1. Записываем формулы реагентов и продуктов обмена: AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃. Нитрат натрия растворим, а хлорид серебра обозначаем стрелкой вниз.
2. Проверяем коэффициенты: число атомов всех элементов одинаково с обеих сторон, поэтому коэффициенты равны единице. Молекулярное уравнение: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃.
3. Расписываем растворимые сильные электролиты на ионы и сокращаем ионы Na⁺ и NO₃⁻, которые не участвуют в образовании осадка. Остаётся Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃; сокращённое ионное уравнение — Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Наблюдается белый осадок хлорида серебра. Он появляется потому, что AgCl плохо растворяется в воде и удаляется из раствора в виде твёрдого вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать медь и серебро полностью химически инертными. Их называют малоактивными из-за слабой способности вступать в некоторые реакции, но окислители всё же могут окислять эти металлы. Такую ошибку допускают, перенося устойчивость к воздуху на любые условия. Проверяйте себя вопросом: есть ли в реакции сильный окислитель?

Неверно утверждать, что медь вытесняет водород из разбавленной соляной или серной кислоты. Медь находится в ряду активности после водорода, поэтому разбавленные неокисляющие кислоты не выделяют с ней H₂. Путаница возникает из-за того, что некоторые металлы активно растворяются в кислотах. Перед записью реакции сверяйте положение металла относительно водорода.

Не следует путать степени окисления меди и серебра. Для меди характерны +1 и +2, а серебро в обычных соединениях преимущественно имеет +1. Ошибка появляется, если считать все элементы одной группы химически одинаковыми. Проверьте сумму степеней окисления в формуле и учитывайте типичные значения каждого элемента.

Ошибка — считать растворимыми все соли серебра. Нитрат серебра хорошо растворяется, но AgCl малорастворим и выпадает в осадок; это различие и используют в качественных реакциях. Обобщение возникает из-за запоминания одного примера без проверки растворимости других солей. При составлении уравнения уточняйте, образуется ли осадок, газ или вода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе и правилах определения степеней окисления. По ним можно объяснить, почему медь и серебро образуют соединения с разным зарядом катиона. Без этих понятий трудно правильно записывать формулы и разбирать окислительно-восстановительные реакции.

Также пригодятся ряд активности металлов и свойства кислот, оксидов, оснований и солей. Эти знания помогают предсказать, растворится ли металл в кислоте и какие продукты появятся при взаимодействии CuO или Cu(OH)₂ с кислотой. Правила растворимости позволяют определить, выпадет ли осадок AgCl.

Тема связана с изучением окислительно-восстановительных реакций, качественных реакций на ионы и свойств переходных металлов. Реакции меди показывают передачу электронов, а осаждение галогенидов серебра служит примером качественного анализа растворов. Эти закономерности применяют при распознавании веществ и объяснении химических процессов.

Что запомнить

• Медь и серебро — металлы 11-й группы.
• Медь проявляет степени окисления +1 и +2; для серебра характерна степень +1.
• Медь не вытесняет водород из разбавленных неокисляющих кислот.
• Медь реагирует с кислородом при нагревании.
• Серебро малоактивно, но взаимодействует с сильными окислителями.
• Ионы Ag⁺ образуют с хлорид-ионами малорастворимый AgCl.