II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

МЕДЬ И ЕЕ ТАЙНА (ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ С МЕДЬЮ)
Мосейчук Е.В., Безруких А.И.
Автор работы награжден дипломом участника конкурса
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


При изучении темы «Серная кислота и ее свойства» мы наблюдали демонстрационный опыт взаимодействия концентрированной серной кислоты с пассивными металлами – медью. Данный процесс отражает химическое уравнение:  

Cu + 2 H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2

Но после прекращения нагревания в пробирке отчетливо наблюдается образование осадка черного цвета, хотя ни один из продуктов, представленных в уравнении, не имеет черную окраску. После оседания частичек твердой фазы раствор остался бесцветным, не приобрел голубую окраску, характерную для гидратированных ионов меди Cu 2+.

В результате сопоставления видимых результатов химической реакции не согласующихся с уравнением, представленными в учебнике, возникло противоречие

Цель: доказать опытным путем качественный состав продуктов реакции концентрированной серной кислоты с медью и разрешить возникшее противоречие.

Продукт

Качественные реакции, подтверждающие его состав

SO2

5SO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5SO3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 3 H2O

3SO2 + 2 KMnO4 + H2O = 3SO3 + 2MnO2 + 2KOH

SO2 + 2KMnO4 + 2KOH = SO3 + 2K2MnO4 + H2O

Вывод: Выделяется оксид серы (IV)

CuSO4

CuSO4 = Cu2+ + SO4 2-

CuSO4 + BaCl2 = BaSO4 + CuCl2

Вывод: При добавлении воды появляется голубая окраска, характерная для гидратированных ионов меди(II), с солями бария выпадает осадок белого цвета

Если:

Осадок CuO или Cu2O

Осадок CuS

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Вывод: Осадок должен был раствориться в кислоте, с образованием соли и воды, но он не растворился в 1 опыте.

CuS + 8HNO3 (конц.) = CuSO4 + 8 NO2 + 4H2O

Вывод: Осадок растворился с выделением бурого газа, раствор стал голубым

Таким образом, мы доказали, что протекают по меньшей мере две реакции: основная (1) и побочные (2,3), в ходе которых образуется сульфид меди (II) или (I) , сведения о параллельных реакциях практически отсутствуют в учебниках и большинстве пособий.

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2 (1)

4 Cu + 4 H2SO4 = 3 CuSO4 + 4 H2O + CuS (2)

5 Cu + 4 H2SO4 = 3 CuSO4 + 4 H2O + Cu2S(3)

Список литературы:

1. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ.- М.: Химия, 2000.-С.286

2. О.С.Габриелян. Химия: учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений- Москва: Дрофа, 2010.- С. 138

3. Реми Г. Курс неорганической химии. Т.2. –М,: Мир, 1966. – С.400

ВВЕДЕНИЕ

Ни одна наука

не нуждается в эксперименте

в такой степени, как химия.

Майкл Фарадей

Каждую секунду в окружающем нас мире происходит неисчислимое множество химических реакции, одни из которых с предсказуемым результатом, другие нет.

При изучении темы «Серная кислота и ее свойства» мы наблюдали демонстрационный опыт взаимодействия концентрированной серной кислоты с пассивными металлами – медью. В процессе нагревания реакционной смеси происходило выделение газообразного продукта и растворение металла меди. Данный процесс [1], [2], [3] отражает химическое уравнение:

Cu + 2 H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2

Но после прекращения нагревания в пробирке отчетливо наблюдается образование осадка черного цвета, хотя ни один из продуктов, представленных в уравнении, не имеет черную окраску. После оседания частичек твердой фазы раствор остался бесцветным; не приобрел голубую окраску, характерную для гидратированных ионов меди Cu 2+.

В результате сопоставления видимых результатов химической реакции не согласующихся с уравнением, представленным в учебнике, возникли противоречия:

1. Почему полученная соль сульфат меди (II) не имеет голубой окраски?

2. Какой осадок выделяется при данной реакции?

Мы обратились к интернет ресурсам [1] и учебным пособиям [2], [3], [4], [5], [6], в которых рассматриваются свойства концентрированной серной кислоты; в большинстве случаев продуктами взаимодействия являются соль, газ и вода, согласно уравнению, представленному выше, но в пособии [4] рассматривается три различных варианта взаимодействия меди с серной кислотой, с учетом температуры кислоты:

Cu + H2SO4 ( конц., хол.) = CuO + SO2 + H2O

Cu + 2H2SO4 (конц., гор.) = СuSO4 + SO2 +2H2O

2Cu + 2H2SO4 (безводн.) = Cu2SO4 + 2H2O + SO2 ( 200 0 C)

А в [5] обращается внимание на возможность многостадийности взаимодействия меди с горячей концентрированной серной кислотой и образование оксида меди (II) на первом этапе:

Cu + H2SO4 = CuO + SO2 + H2O

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

В пособии по неорганической химии [2] , рассматривается данный процесс, с возможностью образования в продуктах реакции анилита Cu7S4

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цель: доказать опытным путем качественный состав продуктов реакции концентрированной серной кислоты с медью и разрешить возникшее противоречие между видимыми результатами опыта и описанным уравнением данной реакции.

Задачи:

  • Проанализировать и подобрать методику по определению качественного состава основных продуктов химической реакции

  • Составить алгоритм проведения качественных реакций, подтверждающий состав продуктов реакции

  • Провести химический анализ

  • Сделать выводы, подтверждающие или опровергающие предположения.

Методы:

  1. исследовательский метод, позволяющий прогнозировать результат, составлять алгоритм научного исследования и сформировать опыт выполнения исследования.

  2. метод химического эксперимента, в ходе которого совершенствуется техника проведения эксперимента, поиск различных способов выполнения эксперимента, сравнение и сопоставление результатов.

Помещаем в пробирку медную проволоку, с которой удалена изоляция, затем приливаем концентрированную серную кислоту. Замечаем, что без нагревания никаких изменений не наблюдается. При нагревании отчетливо видно, как начинается выделяться газ и образуется осадок черного цвета. Выделяющийся газ имеет резкий запах. Попытка поджечь его у отверстия газоотводной трубки не приводит к успеху. Происходящий процесс описывается уравнением:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2

Гипотеза: выделяется оксид серы (IV) (сернистый газ) - негорючий бесцветный газ с резким запахом. Для доказательства используем реакцию с сильным окислителем – перманганатом калия.

Газоотводную трубку опускаем в стаканчик с раствором перманганата калия (подкисленный), наблюдаем, что окраска раствора исчезла, раствор стал бесцветным. Продолжим пропускание выделяющегося газа через раствор KMnO4 (нейтральный и щелочной раствор), наблюдаем, что в стаканчике с нейтральной средой раствор окрасился в бурый цвет, т.к. выпал осадок MnO2 а в стаканчике с щелочной средой раствор окрасился в зеленый цвет, т.к. образовались манганат – ионы MnO4 2- . К отверстию газоотводной трубки поднесем влажную синюю лакмусовую бумажку, она окрасилась в розовый цвет.

5SO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5SO3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 3 H2O

3SO2 + 2 KMnO4 + H2O = 3SO3 + 2MnO2 + 2KOH

SO2 + 2KMnO4 + 2KOH = SO3 + 2K2MnO4 + H2O

Вывод: химические свойства исследуемого вещества свидетельствуют о том, что выделяется сернистый газ.

Гипотеза: В процессе реакции выделяется сульфат меди (II), но его водный раствор должен быть голубого цвета; возможно воду поглощает концентрированная серная кислота.

Для проверки выдвинутого предположения помещаем в пробирку тонко измельченный медный купорос CuSO4*5H2O голубого цвета, приливаем концентрированную серную кислоту и осторожно перемешиваем стеклянной палочкой. Через некоторое время раствор становится бесцветным, голубая окраска осадка исчезает.

Вывод: Воду прочно связывает концентрированная серная кислота.

Гипотеза: Осадок черного цвета может быть оксидом меди (II).

Это вещество нам известно, мы его получали разложением малахита в 8 и 9 классе, растворяя в разбавленной серной кислоте, получали кристаллы медного купороса.

Для проверки выдвинутого предположения в пробирку наливаем 1-2 мл концентрированной серной кислоты и добавляем очень небольшими порциями тонкий порошок оксида меди (II) черного цвета так, чтобы частички твердой фазы находились во взвешенном состоянии. При нагревании заметно, как CuO растворяется, черный цвет исчезает. Постепенно из раствора выделяются кристаллики светло-серого цвета. Берем пробирку, в которой шло взаимодействие серной кислоты с оксидом меди (II), чтобы отделить осадок от раствора. Для этого сливаем избыток серной кислоты, как можно полнее. К осадку прибавляем несколько капель воды и наблюдаем появление голубой окраски.

Вывод: полученный в ходе реакции осадок должен был раствориться при нагревании в избытке концентрированной кислоты. Значит, данный осадок не является оксидом меди (II), а другое вещество.

Гипотеза: Вещество черного цвета содержит медь и, возможно, серу, как вариант сульфид меди (II) CuS.

Осадок, полученный в опыте 1, фильтруем, тщательно промываем водой до полного отсутствия сульфат – ионов. Пробуем растворить его в соляной и азотной кислотах. Наблюдаем, что осадок растворяется только при нагревании в концентрированной азотной кислоте, при этом раствор приобретает синюю окраску, характерную для гидратированных ионов меди. При разбавлении синяя окраска переходит в голубую. В процессе реакций выделяется бурый газ – оксид азота (IV), следовательно, в состав исследуемых веществ входит восстановитель, в роли которого могут выступать ионы S 2- и Cu 2+

CuS + 8HNO3 (конц.) = CuSO4 + 8 NO2 + 4H2O Вывод: Чтобы окончательно подтвердить гипотезу о том, что при взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой образуется сульфид меди (II), мы исследовали продукт окисления осадка. Если осадок представляет собой сульфид меди (II), то при его окислении азотной кислотой в полученном растворе должен обнаружиться сульфат – ион. При добавлении в исследуемую смесь раствора хлорида бария наблюдается выпадение осадка белого цвета, который не растворяется при подкислении.

CuSO4 + BaCl2 = BaSO4 + CuCl2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, мы доказали, что при взаимодействии концентрированной серной кислоты с медью протекают по меньшей мере две реакции: основная (1), в результате которой образуются как в большинстве реакций, связанных с концентрированными кислотами – соль, сульфат меди (II), газ – оксид серы (IV) и вода; и побочная (2), входе которой образуется сульфид меди (II), соль и вода. Сведения о параллельной реакции практически отсутствуют в учебниках и большинстве пособий.

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2 (1)

4 Cu + 4 H2SO4 = 3 CuSO4 + 4 H2O + CuS (2)

5 Cu + 4 H2SO4 = 3 CuSO4 + 4 H2O + Cu2S (3)

Полученное вещество, сульфид меди, можно использовать на уроках химии для реакций, проводимых при изучении темы: «Сульфиды»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.schoolchemistry.ru/katalog/sernayakislota.htm

2. . Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. –М.: издательство Экзамен; 2010.-С.374

3 Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ.- М.: Химия, 2000.-С.286

4. О.С.Габриелян. Химия: учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений- Москва: Дрофа, 2010

5.- С. 138Реми Г. Курс неорганической химии. Т.2. –М,: Мир, 1966. – С.

6. 400Химия . Пособие-репетитор для поступающих в вузы. Под ред. Егорова А.С. 5-е изд. - Ростов н/Д.: 2003. - 768с.