Медь и цинк

Семейство d-элементов четвертого периода завершают медь и цинк. Атомы обоих элементов имеют максимальное число электронов на Sd-подуровне, т. е. по 10 электронов. При этом у меди внешний 45-подуровень заселен лишь одним электроном:

Из электронной структуры меди очевидно, что Sd-подуровень, заселенный 10 электронами, имеет меньшую энергию, чем подуровень 4s. Эта последовательность сохраняется у всех последующих элементов. Спаренные электроны Sd-подуровня почти утрачивают способность участвовать в образовании химических связей. Атом меди еще может отдавать один или два электрона с этого подуровня и проявляет не только степень окисления +1, но и +2 и даже +3. Атом цинка отдает только два электрона с подуровня 4s и проявляет в соединениях только степень окисления +2.

Медь. В природе медь находится главным образом в виде соединений с серой (CuS, Cu₂S), но встречается и в самородном состоянии. Один из хорошо известных минералов меди — малахит представляет собой основный карбонат (Си0Н)₂С0₃. Сульфиды меди при обжиге — сильном нагревании в присутствии кислорода — образуют оксид СиО, который восстанавливают углем:

В лабораторных условиях оксид меди восстанавливают водородом.

Медь относится к малоактивным металлам. В электрохимическом ряду она расположена правее водорода. С разбавленными кислотами, анионы которых не проявляют окислительных свойств, медь не реагирует, так как не восстанавливает водород. Разбавленной азотной кислотой медь окисляется до нитрата:

Достаточно сильными окислителями для окисления меди оказываются соли железа (Ш). Травление медного слоя на какой-либо поверхности хлоридом железа (Ш) применяют для нанесения рисунка. Реакция идет только на участках поверхности, не защищенных специальным покрытием:

Двухвалентная медь образует растворимые в воде галогениды, сульфат, нитрат, ацетат. Растворы солей меди (II) синего цвета. Это окраска гидратированного иона Си²⁺. Такая же окраска и у кристаллогидратов солей меди, например CuS0₄-5H₂0. Эта соль называется медный купорос. Гидроксид меди осаждается из раствора соли в виде голубого осадка. Этот осадок при нагревании менее чем до 100 °C чернеет, превращаясь в оксид меди. Такое поведение можно сравнить с разложением угольной кислоты на углекислый газ и воду, но в случае угольной кислоты нагревание вообще не требуется.

Одновалентная медь образует или нерастворимые соли (CuCl, Cul), или комплексные соединения типа [Cu (NH₃)₂]Cl.

Ионы меди проявляют окислительное действие к металлам, стоящим в электрохимическом ряду левее:

или.

В результате реакции медь в виде розоватого слоя осаждается на поверхности железного изделия.

Цинк. Это последний элемент в ряду d-элементов четвертого периода. Он утрачивает некоторые характерные свойства d-элементов: в сложных веществах имеет только одну степень окисления + 2 и образует неокрашенные соединения. Оксид цинка ZnO, гидроксид Zn (OH)₂ и соли с неокрашенными анионами бесцветны. На другие d-элементы цинк похож способностью образовывать устойчивые комплексные соединения, например состава [Zn (NH₃)₄]S0₄ и Na₂[Zn (OH)₄].

В природе цинк встречается в составе ряда минералов, среди которых цинкит ZnO и цинковая обманка ZnS. Металл получают из цинкита восстановлением углем:

При температуре процесса восстановления цинк получается в парообразном состоянии и конденсируется в мельчайший порошок — цинковую пыль. Применяют цинк для производства химических источников тока, покрытия поверхности железа (оцинкованная жесть) и в составе сплавов (латунь содержит медь и до 50% цинка). Оксид цинка применяют в качестве белого пигмента в белой краске, которая так и называется «цинковые белила».

Среди металлов d-блока цинк оказывается одним из наиболее активных. В целом в ряду d-элементов от скандия к меди активность металлов понижается, но при переходе к последнему элементу ряда — цинку наблюдается резкое повышение активности. Он реагирует с разбавленными кислотами (НС1, H₂S0₄) с выделением водорода. Эту реакцию используют в лабораторных условиях для получения водорода. В присутствии щелочи цинк восстанавливает водород даже из воды. Этому способствует образование растворимого в воде комплексного соединения:

Гидроксид цинка характеризуется амфотерными свойствами. Он легко реагирует как с кислотами, так и с щелочами. Растворимые соли цинка образуют кристаллогидраты, например: ZnS0₄-7H₂0, Zn (N0₃)₂-6H₂0 и др.

Вопросы и задания

• 1. Каково электронное строение d-элементов?
• 2. Охарактеризуйте окислительно-восстановительные свойства металлов d-блока и их соединений.
• 3. Как изменяется химическая активность d-элементов в периоде слева направо?
• 4. Напишите две реакции титана с серной кислотой.
• 5. Напишите реакцию алюминотермического получения железа из магнетита.
• 6. Напишите реакции окисления железа соединением меди и окисления меди соединением железа.
• 7. Напишите реакции цинка и гидроксида цинка с раствором щелочи.