Условие задачи
Сульфат меди (II) в присутствии воды реагирует с каждым из трёх веществ:1) аммиак, цинк, гидроксид натрия;2) магний, оксид лития, гидроксид цинка;3) карбонат натрия, железо, хлорид калия;4) хлорид железа (III), хлорид стронция, серебро.Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии, где необходимо записать уравнения реакций (методика «двойного замещения», реакций комплексообразования и окислительно-восстановительных процессов). В реакциях подразумевается присутствие воды (как растворителя), а также соблюдение законов сохранения массы и заряда. Если пишутся схематические уравнения, то учитываются типичные особенности реакций растворов солей.
Обозначения принято записывать так, например: медный купорос – CuSO₄, гидроксид натрия – NaOH, комплексное соединение – [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]SO₄ и т.д.
Ниже приведены реакции для каждого из наборов веществ. Каждая группа содержит три вещества – реакции проводятся отдельно, то есть с каждым реагентом мы получаем своё уравнение.
────────────────────────────
1) Реакции с аммиаком, цинком и гидроксидом натрия
① С реакцией с аммиаком происходит комплексообразование, в результате чего раствор из синего цвета (раствор иона Cu²⁺) превращается в насыщенный темно-синий раствор комплекса. Обычно записывают:
CuSO₄ + 4 NH₃ + 2 H₂O → [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]SO₄
Здесь вода присутствует, ибо реакция идёт в водном растворе.
② Цинк (Zn) – металл, более активный по сравнению с медью. При добавлении цинка в раствор с CuSO₄ происходит окислительно-восстановительная реакция (цепная реакция переноса электрона):
Zn + CuSO₄ → Cu + ZnSO₄
В результате медь оседает в виде металлического осадка.
③ При добавлении гидроксида натрия (NaOH) происходит обмен, в результате чего образуется нерастворимый осадок гидроксида меди(II):
CuSO₄ + 2 NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄
Осадок Cu(OH)₂ имеет характерный голубой цвет.
────────────────────────────
2) Реакции с магнием, оксидом лития и гидроксидом цинка
① Магний – ещё один металл, более активный, чем медь. Реакция протекает по типу окислительно-восстановительной:
Mg + CuSO₄ → Cu + MgSO₄
Металлическая медь выпадает из раствора, а образуется сульфат магния.
② Оксид лития (Li₂O) при растворении в воде превращается в литиевый гидроксид. Сначала протекает гидратация:
Li₂O + H₂O → 2 LiOH
Далее подобно реакции с NaOH происходит осаждение гидроксида меди(II):
CuSO₄ + 2 LiOH → Cu(OH)₂↓ + Li₂SO₄
③ Гидроксид цинка (Zn(OH)₂), хотя и является слаборастворимым, ведёт себя как основное соединение. Взаимодействие с кислотной солью CuSO₄ приводит к обмену:
CuSO₄ + Zn(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + ZnSO₄
Опять же выпадает осадок синего гидроксида меди(II).
────────────────────────────
3) Реакции с карбонатом натрия, железом и хлоридом калия
① При добавлении карбоната натрия (Na₂CO₃) происходит обменное превращение с образованием нерастворимого карбоната меди. Следует иметь в виду, что меди(II) карбонат может быть нестабилен и далее переходить в базисное карбонатное соединение, но в классическом представлении пишут:
CuSO₄ + Na₂CO₃ → CuCO₃↓ + Na₂SO₄
Осадок CuCO₃ имеет зеленоватый цвет.
② Железо (Fe) – металл, способный восстановить ион меди(II) до металлической меди. Реакция проходит по схеме:
Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄
③ С хлоридом калия (KCl) происходит обмен ионов – образуется растворимый хлорид меди(II):
CuSO₄ + 2 KCl → CuCl₂ + K₂SO₄
Раствор CuCl₂ имеет голубовато-зелёный оттенок.
────────────────────────────
4) Реакции с хлоридом железа(III), хлоридом стронция и серебром
① При взаимодействии растворов сульфата меди(II) и хлорида железа(III) (FeCl₃) возможен обмен ионов. Составляя схематическое уравнение, можно записать:
3 CuSO₄ + 2 FeCl₃ → 3 CuCl₂ + Fe₂(SO₄)₃
Хотя все соли являются растворимыми, данное уравнение отражает обмен анионами.
② Хлорид стронция (SrCl₂) при взаимодействии с CuSO₄ даёт осаждение малорастворимого сульфата стронция. При обмене образуются растворимый хлорид меди(II) и нерастворимый сульфат стронция:
CuSO₄ + SrCl₂ → CuCl₂ + SrSO₄↓
Осадок SrSO₄ имеет белый цвет.
③ Что касается серебра (Ag), то по ряду характеристик (согласно активности металлов) серебро менее активно, чем медь. Рассмотрим возможное уравнение:
2 Ag + CuSO₄ → Cu + Ag₂SO₄
Однако расчётный потенциал такого процесса (сравнение стандартных электродных потенциалов) показывает, что данное превращение не является термодинамически благоприятным. То есть серебро не способно восстановить ионы меди(II) в растворе сульфата меди, и при смешивании Ag с раствором CuSO₄ реакции не наблюдается.
────────────────────────────
Вывод:
Для сульфата меди(II) в водном растворе наблюдаются следующие реакции:
1) С аммиаком, цинком и гидроксидом натрия:
(a) CuSO₄ + 4 NH₃ + 2 H₂O → [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]SO₄
(b) Zn + CuSO₄ → Cu + ZnSO₄
(c) CuSO₄ + 2 NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄
2) С магнием, оксидом лития и гидроксидом цинка:
(a) Mg + CuSO₄ → Cu + MgSO₄
(b) (i) Li₂O + H₂O → 2 LiOH
CuSO₄ + 2 LiOH → Cu(OH)₂↓ + Li₂SO₄
(c) CuSO₄ + Zn(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + ZnSO₄
3) С карбонатом натрия, железом и хлоридом калия:
(a) CuSO₄ + Na₂CO₃ → CuCO₃↓ + Na₂SO₄
(b) Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄
(c) CuSO₄ + 2 KCl → CuCl₂ + K₂SO₄
4) С хлоридом железа(III), хлоридом стронция и серебром:
(a) 3 CuSO₄ + 2 FeCl₃ → 3 CuCl₂ + Fe₂(SO₄)₃
(b) CuSO₄ + SrCl₂ → CuCl₂ + SrSO₄↓
(c) При добавлении Ag к CuSO₄ реакции не происходит, поскольку серебро не восстанавливает ионы меди(II).
Таким образом, подробно разобраны все четыре группы реакций с использованием основных правил неорганической химии, и для каждой реакции приведено уравнение с соблюдением балансировки всех элементов и зарядов.