Медь, серебро и их соединения в заданиях ЕГЭ по химии

Понимание химических свойств меди, серебра и их соединений нужно для решения заданий 6–9, 29, 30 и 31 ЕГЭ по химии. Элементы побочных подгрупп обладают множеством особенностей: образуют окрашенные соли, участвуют в специфических окислительно-восстановительных реакциях и формируют комплексные соединения. В статье мы разберём свойства простых веществ, оксидов, гидроксидов и солей меди и серебра, чтобы экзаменационные задания не вызывали проблем.

В каких заданиях встречается тема

Свойства меди, серебра и их соединений проверяются в нескольких линиях контрольно-измерительных материалов:

В заданиях 6 и 7 нужно описывать реакции в пробирках и подбирать реагенты для неорганических веществ.
В заданиях 8 и 9 требуется устанавливать соответствие между реагентами и продуктами, а также решать цепочки превращений.
В задании 29 нужно составить окислительно-восстановительную реакцию и уравнять её методом электронного баланса. Соединения меди(II) часто выступают в роли окислителей, а соединения меди(I) — восстановителей.
В заданиях 30 и 31 (реакции ионного обмена и описание мысленного эксперимента) проверяют знание тонкостей растворимости сульфидов и нестабильности гидроксида серебра.

Строение атома и степени окисления

Медь ( $C u$ ) и серебро ( $A g$ ) — d-элементы. Они расположены в побочной подгруппе I группы Периодической системы. Основная особенность строения их атомов — проскок электрона.[i]

Электронные конфигурации атомов:

Медь ( $Z = 29$ ): $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 3 d^{10} 4 s^{1}$ ;
Серебро ( $Z = 47$ ): $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{6} 4 d^{10} 5 s^{1}$

Благодаря вовлечению в образование связей d-электронов эти металлы проявляют степени окисления, превышающие номер их группы (особенно медь).

Таблица 1. Устойчивые степени окисления меди и серебра

Элемент	Степень окисления	Примеры соединений	Характер соединений
Медь ( $C u$ )	$+ 1$	$C u_{2} O, C u C l$	Основный, восстановители
Медь ( $C u$ )	$+ 2$	$C u O, C u (O H)_{2}, C u S O_{4}$	Основный, слабые окислители
Серебро ( $A g$ )	$+ 1$	$A g_{2} O, A g N O_{3}, A g C l$	Основный, слабые окислители

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Химические свойства простых веществ

Медь — тягучий металл красновато-розового цвета. Серебро — блестящий белый металл, обладающий наивысшей электропроводностью. Оба металла находятся в электрохимическом ряду напряжений после водорода, поэтому имеют низкую химическую активность.[i]

Реакции с простыми веществами

Медь реагирует с галогенами, кислородом и серой при нагревании:

2 C u + O_{2} \overset{t}{\to} 2 C u O — образуется чёрный оксид меди(II).

4 C u + O_{2} \overset{t}{\to} 2 C u_{2} O — при недостатке кислорода образуется кирпично-красный оксид меди(I).

C u + C l_{2} \overset{t}{\to} C u C l_{2} C u + S \overset{t}{\to} C u S C u + B r_{2} \overset{t}{\to} C u B r_{2}

Серебро проявляет ещё меньшую активность. Оно не взаимодействует с кислородом даже при сильном нагревании, но вступает в реакцию с серой и галогенами:

2 A g + S \overset{t}{\to} A g_{2} S 2 A g + C l_{2} \overset{t}{\to} 2 A g C l 2 A g + B r_{2} \overset{t}{\to} 2 A g B r

Реакции с кислотами

Эти металлы не вытесняют водород из растворов обычных кислот-неокислителей (соляной, разбавленной серной, фосфорной и других). Однако они полностью растворяются в кислотах-окислителях (азотной кислоте любой концентрации и концентрированной серной кислоте).[i]

Взаимодействие меди с кислотами-окислителями:

Cu + 4HNO3(конц.) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O — выделяется бурый газ.

3Cu + 8HNO3(разб.) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O — выделяется бесцветный газ.

Cu + 2H2SO4(конц.) →t CuSO4 + SO2 + 2H2O — выделяется газ с резким запахом.

Взаимодействие серебра с кислотами-окислителями:

Ag + 2HNO3(конц.) → AgNO3 + NO2 + H2O 3Ag + 4HNO3(разб.) → 3AgNO3 + NO + 2H2O 2Ag + 2H2SO4(конц.) →t Ag2SO4 + SO2 + 2H2O.

Взаимодействие с солями

Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.[i]

Так как медь стоит правее водорода, но левее серебра, она способна вытеснять серебро, но сама вытесняется железом или цинком.

C u + 2 A g N O_{3} \to C u (N O_{3})_{2} + 2 A g ↓ F e + C u S O_{4} \to F e S O_{4} + C u ↓ .

Особое свойство меди — реакция с солями железа(III):

2 F e C l_{3} + C u \to C u C l_{2} + 2 F e C l_{2}

С солями меди(II) идёт реакция сопропорционирования:

C u + C u C l_{2} \to 2 C u C l

Химические свойства оксида меди(I)

Оксид меди(I) ( $C u_{2} O$ ) — твёрдое вещество кирпично-красного цвета. Проявляет основные свойства. Атом меди находится в промежуточной степени окисления $+ 1$ , поэтому оксид вступает в реакции окисления и восстановления.[i]

Реакции с кислотами

Если оксид реагирует с кислотой-неокислителем, происходит реакция обмена.

C u_{2} O + 2 H C l \to 2 C u C l + H_{2} O

Если кислота является окислителем, медь полностью окисляется до стабильной степени $+ 2$ :

Cu2O + 6HNO3(конц) → 2Cu(NO3)2 + 2NO2 + 3H2O 3Cu2O + 14HNO3(разб) → 6Cu(NO3)2 + 2NO + 7H2O Cu2O + 3H2SO4(конц) →t 2CuSO4 + SO2 + 3H2O

Окисление кислородом

При нагревании с кислородом медь(I) окисляется до меди(II):[i]

2 C u_{2} O + O_{2} \overset{t}{\to} 4 C u O

Восстановление до металла

Оксид восстанавливается до чистой меди при взаимодействии с типичными восстановителями (водородом, угарным газом, углеродом):[i]

C u_{2} O + H_{2} \overset{t}{\to} 2 C u + H_{2} O C u_{2} O + C O \overset{t}{\to} 2 C u + C O_{2} 2 C u_{2} O + C \overset{t}{\to} 4 C u + C O_{2}

Химические свойства оксида и гидроксида меди(II)

Оксид меди(II) ( $C u O$ ) — порошок чёрного цвета.
Гидроксид меди(II) ( $C u (O H)_{2}$ ) — осадок голубого цвета.
Оба соединения проявляют преимущественно основные свойства.[i]

Реакции с кислотами

Оксид и гидроксид растворяются в кислотах с образованием солей меди(II). Водный раствор хлорида меди(II) имеет зелёный цвет, а сульфата и нитрата — голубой.[i]

C u O + 2 H C l \to C u C l_{2} + H_{2} O C u (O H)_{2} + H_{2} S O_{4} \to C u S O_{4} + 2 H_{2} O C u O + 2 H N O_{3} \to C u (N O_{3})_{2} + H_{2} O

Взаимодействие с иодоводородом

C u O + 2 H I \to C u I ↓ + I_{2} ↓ + H_{2} O 2 C u (O H)_{2} + 4 H I \to 2 C u I ↓ + I_{2} ↓ + 4 H_{2} O

Восстановление оксида меди(II)

Чёрный оксид легко восстанавливается до чистой меди при нагревании:

C u O + H_{2} \overset{t}{\to} C u + H_{2} O C u O + C O \overset{t}{\to} C u + C O_{2} 2 C u O + C \overset{t}{\to} 2 C u + C O_{2} 3 C u O + 2 N H_{3} \overset{t}{\to} 3 C u + N_{2} ↑ + 3 H_{2} O

Термическое разложение и образование комплексов

При небольшом нагревании голубой гидроксид меди(II) переходит в чёрный оксид:[i]

C u (O H)_{2} \overset{t}{\to} C u O + H_{2} O

Химические свойства солей меди(II)

Растворимые соли участвуют в классических реакциях ионного обмена.

C u S O_{4} + 2 N a O H \to C u (O H)_{2} ↓ + N a_{2} S O_{4}

— выпадает голубой осадок гидроксида.

Соли меди(II) также реагируют с растворимыми иодидами (протекает окислительно-восстановительная реакция):[i]

2 C u S O_{4} + 4 K I \to 2 C u I ↓ + I_{2} ↓ + 2 K_{2} S O_{4} 2 C u C l_{2} + 4 K I \to 2 C u I ↓ + I_{2} ↓ + 4 K C l

Химические свойства соединений серебра(I)

Оксид и гидроксид серебра

Гидроксид серебра(I) ( $A g O H$ ) — крайне неустойчивое соединение, которое разлагается на оксид серебра и воду в момент образования. При добавлении щёлочи к соли серебра выпадает буро-чёрный осадок оксида серебра(I) — $A g_{2} O$ .[i]

2 A g N O_{3} + 2 N a O H \to A g_{2} O ↓ + 2 N a N O_{3} + H_{2} O

Оксид серебра(I) реагирует с кислотами с образованием солей:

A g_{2} O + 2 H N O_{3} \to 2 A g N O_{3} + H_{2} O

При нагревании оксид полностью разлагается:

2 A g_{2} O \overset{t}{\to} 4 A g + O_{2} ↑

При добавлении гидрата аммиака оксид серебра образует реактив Толленса, применяемый для качественной реакции серебряного зеркала (например, на альдегиды или муравьиную кислоту):[i]

A g_{2} O + 4 N H_{3} + H_{2} O \to 2 [A g (N H_{3})_{2}] O H

Соли серебра

Наиболее известны реакции ионного обмена с участием нитрата серебра. Это универсальный качественный реагент на галогенид-ионы.

A g N O_{3} + H C l \to A g C l ↓ + H N O_{3} — белый творожистый осадок.

A g N O_{3} + N a B r \to A g B r ↓ + N a N O_{3} — светло-жёлтый осадок.

A g N O_{3} + K I \to A g I ↓ + K N O_{3} — жёлтый осадок.

Особые случаи и термическое разложение

Одно из важнейших правил ЕГЭ связано с термическим разложением нитратов металлов, расположенных в электрохимическом ряду правее магния. Разложение нитрата меди(II) идёт до оксида:

2 C u (N O_{3})_{2} \overset{t}{\to} 2 C u O + 4 N O_{2} ↑ + O_{2} ↑

В случае с нитратом серебра образующийся оксид при высокой температуре нестабилен, поэтому реакция разложения идёт сразу до чистого металла:

2 A g N O_{3} \overset{t}{\to} 2 A g + 2 N O_{2} ↑ + O_{2} ↑

Чёрные осадки $C u S$ и $A g_{2} S$ обладают крайне низкой растворимостью. Они не растворяются в соляной кислоте или разбавленной серной кислоте. Сероводород способен вытеснять сильную кислоту из солей меди и серебра:[i]

$C u S O_{4} + H_{2} S \to C u S ↓ + H_{2} S O_{4}$

Растворить выпавшие осадки сульфидов можно только в концентрированной азотной кислоте (или горячей концентрированной серной):

CuS + 8HNO3(конц) →t CuSO4 + 8NO2 + 4H2O

Ag2S + 10HNO3(конц) →t 2AgNO3 + 8NO2 + H2SO4 + 4H2O

Обобщающие таблицы

Таблица 2. Цвета нерастворимых соединений меди и серебра

Соединение	Формула	Цвет
Оксид меди(II)	$C u O$	Чёрный порошок
Оксид меди(I)	$C u_{2} O$	Кирпично-красный порошок
Гидроксид меди(II)	$C u (O H)_{2}$	Голубой осадок
Сульфид меди(II)	$C u S$	Чёрный осадок
Хлорид серебра	$A g C l$	Белый творожистый осадок
Бромид серебра	$A g B r$	Светло-жёлтый осадок
Иодид серебра	$A g I$	Жёлтый осадок
Оксид серебра	$A g_{2} O$	Буро-чёрный осадок
Сульфид серебра	$A g_{2} S$	Чёрный осадок

Таблица 3. Термическое разложение основных соединений

Вещество	Продукты разложения
Гидроксид меди(II)	$C u O + H_{2} O$
Нитрат меди(II)	$C u O + N O_{2} + O_{2}$
Нитрат серебра	$A g + N O_{2} + O_{2}$
Оксид серебра	$A g + O_{2}$

Типичные ошибки ЕГЭ

Чтобы не терять баллы на экзамене, обращай внимание на следующие детали при составлении уравнений:

Написание гидроксида серебра. Часто используют стандартное правило реакций ионного обмена и пишут в продуктах $A g O H$ . Это неверно, так как гидроксид серебра нестабилен. Всегда пиши $A g_{2} O$ и $H_{2} O$ .
Пример: $2 A g N O_{3} + 2 N a O H \to A g_{2} O ↓ + 2 N a N O_{3} + H_{2} O$ .
Использование иодида меди(II). Реакцию хлорида меди(II) с иодидом калия путают с обычным ионным обменом и пишут $C u I_{2}$ . Протекает окислительно-восстановительная реакция с образованием иода и иодида меди(I): $2 C u C l_{2} + 4 K I \to 2 C u I ↓ + I_{2} ↓ + 4 K C l$ .
Кислоты-неокислители и сульфиды. Нельзя растворять $C u S$ или $A g_{2} S$ в соляной кислоте $H C l$ . В отличие от сульфидов цинка и железа, сульфиды меди и серебра взаимодействуют только с азотной кислотой или горячей концентрированной серной.

Примеры решения заданий ЕГЭ

Рассмотрим алгоритм действий на примерах реальных тестовых форматов.

Пример 1

Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать.
Вещество: $C u O$
Список реагентов:
$A g N O_{3}, K O H, B r_{2}$ .
$C O_{2}, H_{2} S, N a N O_{3}$ .
$H C l, H_{2}, N H_{3}$ .
$O_{2}, A l, H N O_{3}$ .
[i]

Оксид меди(II) — основный оксид.
Проверим варианты:

Строка 1: с нитратом серебра реакция не идёт, так как основные оксиды не реагируют с растворами солей.
Строка 2: с кислотными оксидами $C u O$ практически не взаимодействует, с солью $N a N O_{3}$ реакция также невозможна.
Строка 3: с соляной кислотой реагирует как основный оксид ( $C u O + 2 H C l \to C u C l_{2} + H_{2} O$ ); водородом восстанавливается до металла ( $C u O + H_{2} \overset{t}{\to} C u + H_{2} O$ ); аммиаком также восстанавливается ( $3 C u O + 2 N H_{3} \overset{t}{\to} 3 C u + N_{2} ↑ + 3 H_{2} O$ ). Этот вариант подходит полностью.
В строке 4 реакция с кислородом не пойдёт, так как медь уже находится в высшей возможной стабильной степени окисления ( $+ 2$ ).

Ответ: 3.

Пример 2

Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ.
А) Cu2O + HNO3(конц)
Б) $C u (O H)_{2} + H N O_{3}$
В) $C u (N O_{3})_{2} + K I$
Продукты реакции:
$C u (N O_{3})_{2} + H_{2} O$ .
$C u (N O_{3})_{2} + N O_{2} + H_{2} O$ .
$C u I + I_{2} + K N O_{3}$ .
$C u (N O_{3})_{2} + N O + H_{2} O$ .
[i]

Буква А. В оксиде медь имеет промежуточную степень окисления $+ 1$ . Азотная концентрированная кислота — сильный окислитель. Медь перейдёт в степень $+ 2$ , а азот восстановится до $N O_{2}$ . Верный продукт под номером 2.
Буква Б. Гидроксид меди(II) участвует в обычной реакции обмена. Степени окисления не изменяются, образуется соль и вода. Верный вариант под номером 1.
Буква В. Иодид-анион восстанавливает ион меди(II). Протекает ОВР, в которой образуется осадок $C u I$ , свободный иод и соль калия. Букве В соответствует номер 3.

Ответ: 213.

Пример 3

Для выполнения задания дан перечень веществ: дихромат калия, иодид калия, концентрированная азотная кислота, оксид меди(I), гидроксид бария. Допустимо использование воды. Окислительно-восстановительная реакция протекает между двумя из них. В ходе реакции наблюдается выделение бурого газа, а раствор приобретает голубоватый оттенок. Запишите уравнение реакции, составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.[i]

Ищем газ. Выделение бурого газа — маркер образования диоксида азота ( $N O_{2}$ ). Окислителем выступает концентрированная азотная кислота ( $H N O_{3}$ ).
Ищем причину голубоватого оттенка. Он указывает на образование ионов $C u^{+ 2}$ . Восстановителем является оксид меди(I) — $C u_{2} O$ .
Составляем каркас уравнения:
$C u_{2} O + H N O_{3} \to C u (N O_{3})_{2} + N O_{2} ↑ + H_{2} O$
Составляем электронный баланс:
$2 C u^{+ 1} - 2 \bar{e} \to 2 C u^{+ 2}$ — медь отдаёт электроны, это восстановитель.
$N^{+ 5} + 1 \bar{e} \to N^{+ 4}$ — азот принимает электрон, это окислитель.
Расставляем коэффициенты в уравнении с учётом множителей из баланса. Перед азотом(IV) и нитратом меди(II) ставим 2. Для уравнивания правой части нам потребуется всего 6 атомов азота, поэтому перед кислотой ставим 6. Выравниваем водород, поставив 3 перед водой.

Ответ:
$C u_{2} O + 6 H N O_{3} \to 2 C u (N O_{3})_{2} + 2 N O_{2} ↑ + 3 H_{2} O$
Запись электронного баланса:
$2 C u^{+ 1} - 2 \bar{e} \to 2 C u^{+ 2} | 1$ (восстановитель)
$N^{+ 5} + 1 \bar{e} \to N^{+ 4} | 2$ (окислитель)

Заключение

Теперь ты умеешь анализировать поведение меди, серебра и их соединений в различных условиях, различать типы происходящих реакций и избегать частых ошибок с нестабильными соединениями вроде $A g O H$ и $C u I_{2}$ . Эти знания помогут уверенно решать задачи на качественные реакции и писать сложные ОВР. Чтобы закрепить материал, отработай навык на свежих задачах из первой и второй частей экзамена в «100балльном банке».

В каких заданиях встречается тема

Строение атома и степени окисления

Таблица 1. Устойчивые степени окисления меди и серебра