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 ($Cu$) и серебро ($Ag$) — d-элементы. Они расположены в побочной подгруппе I группы Периодической системы. Основная особенность строения их атомов — проскок электрона.
Электронные конфигурации атомов:
- Медь ($Z = 29$): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1$;
- Серебро ($Z = 47$): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 4d^{10} 5s^1$
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 ($Cu$) | $+1$ | $Cu_2O,\, CuCl$ | Основный, восстановители |
| Медь ($Cu$) | $+2$ | $CuO,\, Cu(OH)_2,\, CuSO_4$ | Основный, слабые окислители |
| Серебро ($Ag$) | $+1$ | $Ag_2O,\, AgNO_3,\, AgCl$ | Основный, слабые окислители |
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.
Реакции с простыми веществами
Медь реагирует с галогенами, кислородом и серой при нагревании:
Серебро проявляет ещё меньшую активность. Оно не взаимодействует с кислородом даже при сильном нагревании, но вступает в реакцию с серой и галогенами:
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).
Взаимодействие меди с кислотами-окислителями:
$Cu + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ — выделяется бурый газ.
$3Cu + 8HNO_{3(разб.)} \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ — выделяется бесцветный газ.
$Cu + 2H_2SO_{4(конц.)} \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$ — выделяется газ с резким запахом.
Взаимодействие серебра с кислотами-окислителями:
Взаимодействие с солями
Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.
Так как медь стоит правее водорода, но левее серебра, она способна вытеснять серебро, но сама вытесняется железом или цинком.
Особое свойство меди — реакция с солями железа(III):
С солями меди(II) идёт реакция сопропорционирования:
Химические свойства оксида меди(I)
Оксид меди(I) ($Cu_2O$) — твёрдое вещество кирпично-красного цвета. Проявляет основные свойства. Атом меди находится в промежуточной степени окисления $+1$, поэтому оксид вступает в реакции окисления и восстановления.
Реакции с кислотами
Если оксид реагирует с кислотой-неокислителем, происходит реакция обмена.
Если кислота является окислителем, медь полностью окисляется до стабильной степени $+2$:
Окисление кислородом
При нагревании с кислородом медь(I) окисляется до меди(II):
Восстановление до металла
Оксид восстанавливается до чистой меди при взаимодействии с типичными восстановителями (водородом, угарным газом, углеродом):
Химические свойства оксида и гидроксида меди(II)
Оксид меди(II) ($CuO$) — порошок чёрного цвета.
Гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$) — осадок голубого цвета.
Оба соединения проявляют преимущественно основные свойства.
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.
Взаимодействие с иодоводородом
Восстановление оксида меди(II)
Чёрный оксид легко восстанавливается до чистой меди при нагревании:
Термическое разложение и образование комплексов
При небольшом нагревании голубой гидроксид меди(II) переходит в чёрный оксид:
Химические свойства солей меди(II)
Растворимые соли участвуют в классических реакциях ионного обмена.
— выпадает голубой осадок гидроксида.
Соли меди(II) также реагируют с растворимыми иодидами (протекает окислительно-восстановительная реакция):
Химические свойства соединений серебра(I)
Оксид и гидроксид серебра
Гидроксид серебра(I) ($AgOH$) — 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) — $Ag_2O$.
Оксид серебра(I) реагирует с кислотами с образованием солей:
При нагревании оксид полностью разлагается:
При добавлении гидрата аммиака оксид серебра образует реактив Толленса, применяемый для качественной реакции серебряного зеркала (например, на альдегиды или муравьиную кислоту):
Соли серебра
Наиболее известны реакции ионного обмена с участием нитрата серебра. Это универсальный качественный реагент на галогенид-ионы.
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:
В случае с нитратом серебра образующийся оксид при высокой температуре нестабилен, поэтому реакция разложения идёт сразу до чистого металла:
Обобщающие таблицы
Таблица 2. Цвета нерастворимых соединений меди и серебра
| Соединение | Формула | Цвет |
|---|---|---|
| Оксид меди(II) | $CuO$ | Чёрный порошок |
| Оксид меди(I) | $Cu_2O$ | Кирпично-красный порошок |
| Гидроксид меди(II) | $Cu(OH)_2$ | Голубой осадок |
| Сульфид меди(II) | $CuS$ | Чёрный осадок |
| Хлорид серебра | $AgCl$ | Белый творожистый осадок |
| Бромид серебра | $AgBr$ | Светло-жёлтый осадок |
| Иодид серебра | $AgI$ | Жёлтый осадок |
| Оксид серебра | $Ag_2O$ | Буро-чёрный осадок |
| Сульфид серебра | $Ag_2S$ | Чёрный осадок |
Таблица 3. Термическое разложение основных соединений
| Вещество | Продукты разложения |
|---|---|
| Гидроксид меди(II) | $CuO + H_2O$ |
| Нитрат меди(II) | $CuO + NO_2 + O_2$ |
| Нитрат серебра | $Ag + NO_2 + O_2$ |
| Оксид серебра | $Ag + O_2$ |
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 $AgOH$. Это неверно, так как гидроксид серебра нестабилен. Всегда пиши $Ag_2O$ и $H_2O$.
Пример: $2AgNO_3 + 2NaOH \rightarrow Ag_2O\downarrow + 2NaNO_3 + H_2O$. - Использование иодида меди(II). Реакцию хлорида меди(II) с иодидом калия путают с обычным ионным обменом и пишут $CuI_2$. Протекает окислительно-восстановительная реакция с образованием иода и иодида меди(I): $2CuCl_2 + 4KI \rightarrow 2CuI\downarrow + I_2\downarrow + 4KCl$.
- Кислоты-неокислители и сульфиды. Нельзя растворять $CuS$ или $Ag_2S$ в соляной кислоте $HCl$. 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: $CuO$
Список реагентов:
- $AgNO_3,\, KOH,\, Br_2$.
- $CO_2,\, H_2S,\, NaNO_3$.
- $HCl,\, H_2,\, NH_3$.
- $O_2,\, Al,\, HNO_3$.
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 $CuO$ практически не взаимодействует, с солью $NaNO_3$ реакция также невозможна.
- Строка 3: с соляной кислотой реагирует как основный оксид ($CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$); водородом восстанавливается до металла ($CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$); аммиаком также восстанавливается ($3CuO + 2NH_3 \xrightarrow{t} 3Cu + N_2\uparrow + 3H_2O$). 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) $Cu_2O + HNO_{3(конц)}$
Б) $Cu(OH)_2 + HNO_3$
В) $Cu(NO_3)_2 + KI$
Продукты реакции:
- $Cu(NO_3)_2 + H_2O$.
- $Cu(NO_3)_2 + NO_2 + H_2O$.
- $CuI + I_2 + KNO_3$.
- $Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$.
- Буква А. В оксиде медь имеет промежуточную степень окисления $+1$. Азотная концентрированная кислота — сильный окислитель. Медь перейдёт в степень $+2$, а азот восстановится до $NO_2$. 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 $CuI$, 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.
- Ищем газ. Выделение бурого газа — маркер образования диоксида азота ($NO_2$). Окислителем выступает концентрированная азотная кислота ($HNO_3$).
- Ищем причину голубоватого оттенка. Он указывает на образование ионов $Cu^{+2}$. Восстановителем является оксид меди(I) — $Cu_2O$.
- Составляем каркас уравнения:
$Cu_2O + HNO_{3} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + NO_2\uparrow + H_2O$ - Составляем электронный баланс:
$2Cu^{+1} -2\bar{e} \rightarrow 2Cu^{+2}$ — медь отдаёт электроны, это восстановитель.
$N^{+5} + 1\bar{e} \rightarrow N^{+4}$ — 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:
$Cu_2O + 6HNO_{3} \rightarrow 2Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 3H_2O$
Запись электронного баланса:
$2Cu^{+1} -2\bar{e} \rightarrow 2Cu^{+2} \quad | \, 1$ (восстановитель)
$N^{+5} + 1\bar{e} \rightarrow N^{+4} \quad \, \, | \, 2$ (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 $AgOH$ и $CuI_2$. 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».
