Какие продукты образуются при взаимодействии сульфата меди ii и цинка

Сульфа́т ме́ди(II) (медь (II) серноки́слая, в просторечии — ме́дный купоро́с) — неорганическое соединение, медная соль серной кислоты с формулой CuSO4. Нелетучее вещество, не имеет запаха. В безводном виде — белый порошок, очень гигроскопичное. В виде кристаллогидратов — прозрачные негигроскопичные кристаллы различных оттенков синего с горьковато-металлическим вяжущим вкусом, на воздухе постепенно выветриваются (теряют кристаллизационную воду).

Сульфат меди(II) хорошо растворим в воде. Из водных растворов кристаллизуется голубой пентагидрат CuSO4·5H2O — медный купоро́с. Благодаря наличию двухвалентных катионов меди (Cu2+) вещество ядовито.

Обладает дезинфицирующими, антисептическими, вяжущими свойствами. Применяется в медицине, в растениеводстве как антисептик, фунгицид или медно-серное удобрение.

Реакция гидратации безводного сульфата меди(II) экзотермическая и проходит со значительным выделением тепла.

Нахождение в природе[править | править код]

В природе встречается в виде минералов халькантита (CuSO4·5H2O), халькокианита (CuSO4), бонаттита (CuSO4·3H2O), бутита (CuSO4·7H2O) и в составе некоторых других минералов[3].

Получение[править | править код]

В промышленности[править | править код]

В промышленности загрязнённый сульфат меди(II) получают растворением меди и медных отходов в разбавленной серной кислоте H2SO4 при продувании воздуха:

растворением оксида меди(II) CuO в H2SO4:

сульфатизирующим обжигом сульфидов меди и как побочный продукт электролитического рафинирования меди.

В лабораторных условиях[править | править код]

В лаборатории CuSO4 можно получить действием концентрированной серной кислоты на медь при нагревании:

температура не должна превышать 60 °С, при большей температуре в значительных количествах образуется побочный продукт — сульфид меди(I):

Также в лабораторных условиях сульфат меди (II) может быть получен реакцией нейтрализации гидроксида меди(II) серной кислотой, для получения сульфата меди высокой чистоты используют соответственно чистые реактивы:

Чистый сульфат меди может быть получен следующим образом. В фарфоровую чашку наливают 120 мл дистиллированной воды, прибавляют 46 мл химически чистой серной кислоты плотностью 1,8 г/см3 и помещают в смесь 40 г чистой меди (например, электролитической). Затем нагревают до 70—80 °С и при этой температуре в течение часа постепенно, порциями по 1 мл, прибавляют 11 мл конц. азотной кислоты. Если медь покроется кристаллами, прибавить 10—20 мл воды. Когда реакция закончится (прекратится выделение пузырьков газа), остатки меди вынимают, а раствор упаривают до появления на поверхности плёнки кристаллов и дают остыть. Выпавшие кристаллы следует 2—3 перекристаллизовать из дистиллированной воды и высушить[4].

Очистка[править | править код]

Очистить загрязнённый или технический сульфат меди можно перекристаллизацией — вещество растворяется в кипящей дистиллированной воде до насыщения раствора, после чего охлаждается до приблизительно +5 °С. Полученный осадок кристаллов отфильтровывается. Однако даже многократная перекристаллизация не позволяет избавиться от примеси соединений железа, которые являются наиболее распространённой примесью в сульфате меди.

Для полной очистки медный купорос кипятят с диоксидом свинца PbO2 или пероксидом бария BaO2, пока отфильтрованная проба раствора не покажет отсутствия железа. Затем раствор фильтруют и упаривают до появления на поверхности плёнки кристаллов, после чего охлаждают для кристаллизации[4].

По Н. Шоорлю очистить сульфат меди можно так: к горячему раствору CuSO4 прибавить небольшие количества пероксида водорода H2O2 и гидроксида натрия NaOH, прокипятить и отфильтровать осадок. Выпавшие из фильтрата кристаллы дважды подвергаются перекристаллизации. Полученное вещество имеет чистоту не ниже квалификации «ХЧ»[4].

Глубокая очистка[править | править код]

Существует более сложный способ очистки, позволяющий получить сульфат меди особой чистоты, с содержанием примесей около 2·10-4 %.

Для этого готовится водный, насыщенный при 20°С раствор сульфата меди (вода используются только бидистиллированная).
В него добавляют перекись водорода в количестве 2-3 мл 30 % раствора на 1 литр, перемешивают, вносят свежеосаждённый основной карбонат меди в количестве 3-5 грамм, нагревают и кипятят 10 минут для разложения H2O2.

Затем раствор охлаждают до 30—35 °С, фильтруют и приливают 15 мл 3%-ного раствора диэтилдитиокарбамата натрия и выдерживают в мешалке три-четыре часа не понижая температуры. Далее раствор быстро процеживают от крупных хлопьев комплексов и вносят активированный уголь БАУ-А на полчаса при перемешивании. Затем раствор следует отфильтровать вакуумным методом.

Дальше в раствор CuSO4 приливают на 1 л около 200 мл насыщенного раствора NaCl квалификации «Ч» и вносят чистый алюминий в проволоке или обрезках до полного прохождения реакции, выделения меди и просветления раствора (при этом выделяется водород). Выделенную медь отделяют от алюминия взбалтыванием, осадок промывают декантацией сперва водой затем заливают горячим 5—10 % раствором соляной кислоты ХЧ при взбалтывании в течение часа и постоянным подогревом до 70—80 °С, затем промывают водой и заливают 10—15%-ной серной кислотой (ОСЧ 20-4) на час с подогревом при том же интервале температур. От степени и тщательности промывания кислотами, а также квалификации применяемых далее реактивов зависит чистота дальнейших продуктов.

После промывки кислотами медь снова моют водой и растворяют в 15—20%-ной серной кислоте (ОСЧ 20-4) без её большого избытка с добавлением перекиси водорода (ОСЧ 15-3). После прохождения реакции полученный кислый раствор сульфата меди кипятят для разложения избытка перекиси и нейтрализуют до полного растворения вначале выпавшего осадка перегнанным 25%-ным раствором аммиака (ОСЧ 25-5) или приливают раствор карбоната аммония, очищенного комплексно-адсорбционным методом до особо чистого.

После выстаивания в течение суток раствор медленно фильтруют. В фильтрат добавляют серную кислоту (ОСЧ) до полного выпадения голубовато-зелёного осадка и выдерживают до укрупнения и перехода в зелёный основной сульфат меди. Зелёный осадок выстаивают до компактности и тщательно промывают водой до полного удаления растворимых примесей. Затем осадок растворяют в серной кислоте, фильтруют, устанавливают рН=2,5—3,0 и перекристаллизовывают два раза при быстром охлаждении, причем при охлаждении раствор каждый раз перемешивают для получения более мелких кристаллов сульфата меди. Выпавшие кристаллы переносят на воронку Бюхнера и удаляют остатки маточного раствора с помощью водоструйного насоса. Третья кристаллизация проводится без подкисления раствора с получением чуть более крупных и оформленных кристаллов[5].

Физические свойства[править | править код]

Пентагидрат сульфата меди(II) (медный купорос) — синие прозрачные кристаллы триклинной сингонии. Плотность 2,284 г/см3. При температуре 110 °С отщепляется 4 молекулы воды, при 150 °С происходит полное обезвоживание[6].

Строение кристаллогидрата[править | править код]

Структура медного купороса приведена на рисунке. Как видно, вокруг иона меди координированы два аниона SO42− по осям и четыре молекулы воды (в плоскости), а пятая молекула воды играет роль мостиков, которые при помощи водородных связей объединяют молекулы воды из плоскости и сульфатную группу.

Термическое воздействие[править | править код]

При нагревании пентагидрат последовательно отщепляет две молекулы воды, переходя в тригидрат CuSO4·3H2O (этот процесс, выветривание, медленно идёт и при более низких температурах [в том числе при 20—25 °С]), затем в моногидрат (при 110 °С) CuSO4·H2O, и выше 258 °C образуется безводная соль.

Выше 650 °C становится интенсивным пиролиз безводного сульфата по реакции:

Растворимость[править | править код]

Растворимость сульфата меди(II) по мере роста температуры проходит через плоский максимум, в течение которого растворимость соли почти не меняется (в интервале 80—200 °C). (см. рис.)

Как и все соли, образованные ионами слабого основания и сильной кислоты, сульфат меди(II) гидролизуется, (степень гидролиза в 0,01 М растворе при 15 °C составляет 0,05 %) и даёт кислую среду (pH указанного раствора 4,2). Константа диссоциации составляет 5⋅10−3.

Химические свойства[править | править код]

Электролитическая диссоциация[править | править код]

CuSO4 — хорошо растворимая в воде соль и сильный электролит, в растворах сульфат меди(II) так же, как и все растворимые соли, диссоциирует в одну стадию:

Реакция замещения[править | править код]

Реакция замещения возможна в водных растворах сульфата меди с использованием металлов активнее чем медь, стоящих левее меди в электрохимическом ряду напряжения металлов:

Реакция с растворимыми основаниями (щелочами)[править | править код]

Сульфат меди(II) реагирует с щелочами с образованием осадка гидроксида меди(II) голубого цвета[7]:

Сокращённое ионное уравнение (Правило Бертолле)[править | править код]

Реакция обмена с другими солями[править | править код]

Сульфат меди вступает также в обменные реакции по ионам Cu2+ и SO42-

Прочее[править | править код]

С сульфатами щелочных металлов и аммония образует комплексные соли, например, Na2[Cu(SO4)2]·6H2O.

Ион Cu2+ окрашивает пламя в зелёный цвет.

Производство и применение[править | править код]

Сульфат меди(II) — одна из важнейших солей меди. Часто служит исходным сырьём для получения других соединений меди.

Безводный сульфат меди — хороший влагопоглотитель и может быть использован для абсолютирования этанола, осушения газов (в том числе воздуха) и как индикатор влажности.

Лёгкость выращивания кристаллов пентагидрата сульфата меди и их резкое различие с безводной формой используются в школьном образовании.
В машиностроении используется для окраски металлических деталей перед их ручной разметкой.

В строительстве водный раствор сульфата меди применяется для нейтрализации последствий протечек, ликвидации пятен ржавчины, а также для удаления выделений солей («высолов») с кирпичных, бетонных и оштукатуренных поверхностей, а также как антисептическое и фунгицидное средство для предотвращения гниения древесины.

В сельском хозяйстве медный купорос применяется как антисептик, фунгицид и медно-серное удобрение. Для обеззараживания ран деревьев используется 1%-ный раствор (100 г на 10 л), который втирается в предварительно зачищенные повреждённые участки. Против фитофтороза томатов и картофеля производятся опрыскивания посадок 0,2 % раствором (20 г на 10 л) при первых признаках заболевания, а также для профилактики при угрозе возникновения болезни (например, в сырую влажную погоду). Раствором сульфата меди поливается почва для обеззараживания и восполнения недостатка серы и меди (5 г на 10 л). Однако чаще медный купорос применяется в составе бордо́ской жидкости — основного сульфата меди CuSO4·3Cu(OH)2 против грибковых заболеваний и виноградной филлоксеры. Для этих целей сульфат меди(II) имеется в розничной торговле.

Для борьбы с цветением воды в водохранилищах также используется химическая обработка медным купоросом[8].

Также он применяется для изготовления минеральных красок, в медицине, как один из компонентов электролитических ванн для меднения и т. п. и в составе прядильных растворов в производстве ацетатного волокна.

В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E519. Используется как фиксатор окраски и консервант.

В быту применяют для выведения пятен ржавчины на потолке после затоплений.

В пунктах скупки лома цветных металлов раствор медного купороса применяется для выявления цинка, марганца и магния в алюминиевых сплавах и нержавейке. При выявлении этих металлов появляются красные пятна.

Безопасность[править | править код]

Вещество токсично. ПДК 500 мг/л[9][10]. Смертельная доза медного купороса составляет от 45 до 125 граммов для взрослого человека перорально (при проглатывании), в зависимости от массы, состояния здоровья, иммунитета к избытку меди и от других факторов. Признаки отравления становится заметным при разовом потреблении более 0,5 г соединения внутрь (т. н. токсическая доза). LD50 для крыс 112,9 мг/кг[2]. Картина отравления при вдыхании аэрозолей медного купороса более сложна.

Правила обращения с веществом[править | править код]

Попадание на кожу сухого вещества считается безопасным, но его необходимо смыть. Аналогично при попадании растворов и увлажнённого твердого вещества. При попадании в глаза необходимо обильно промыть их проточной водой (слабой струёй). При попадании в желудочно-кишечный тракт твердого вещества или концентрированных растворов необходимо промыть желудок пострадавшего 0,1 % раствором марганцовки, дать выпить пострадавшему солевое слабительное — сульфат магния 1—2 ложки, вызвать рвоту, дать мочегонное. Кроме того, попадание в рот и желудок безводного вещества может вызвать термические ожоги.

Слабые растворы сульфата меди(2+) при приёме внутрь действуют как сильное рвотное средство и иногда применяются для провоцирования рвоты.

При работе с порошками и пылью сульфата меди(II), следует соблюдать осторожность и не допускать их пыления, необходимо использовать маску или респиратор, а после работы вымыть лицо. Острая токсическая доза при вдыхании аэрозоля — 11 мг/кг[11]. При попадании сульфата меди через дыхательные пути в виде аэрозоля нужно вывести пострадавшего на свежий воздух, прополоскать рот водой и промыть крылья носа.

Хранить вещество следует в сухом прохладном месте, в плотно закрытой жёсткой пластиковой или стеклянной упаковке, отдельно от лекарств, пищевых продуктов и кормов для животных, в недоступном для детей и животных месте.

Гигиенические нормативы[править | править код]

ПДК в рабочей зоне — 1 мг/м³ (по ионам двухвалентной меди).

Примечания[править | править код]