Номер 788, страница 139 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

788. Как, имея в своём распоряжении минерал халькозин, представляющий собой сульфид меди(I), можно получить в лабораторных условиях медный купорос? Приведите уравнения реакций получения медного купороса не менее, чем пятью различными способами.

Минерал халькозин — это сульфид меди(I) с формулой $Cu_2S$. Медный купорос — это кристаллогидрат сульфата меди(II), $CuSO_4 \cdot 5H_2O$. Для получения сульфата меди(II) из сульфида меди(I) необходимо провести окисление меди из степени окисления +1 в +2 и заменить сульфид-ион ($S^{2-}$) на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). Ниже приведены пять различных способов этого превращения в лабораторных условиях.

Решение

Способ 1. Обжиг до оксида меди(II) с последующим растворением в серной кислоте

Это классический и наиболее простой метод. Сначала сульфид меди(I) обжигают на воздухе в избытке кислорода для полного окисления до оксида меди(II). Затем полученный черный порошок оксида меди(II) растворяют в разбавленной серной кислоте. Из полученного голубого раствора выпариванием воды можно получить кристаллы медного купороса.

Уравнения реакций:

1) Обжиг халькозина:

$Cu_2S + 2O_2 \xrightarrow{t} 2CuO + SO_2 \uparrow$

2) Растворение оксида меди(II) в кислоте:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

Ответ: Медный купорос получен путем обжига халькозина до оксида меди(II) и последующей реакции оксида с серной кислотой.

Способ 2. Получение металлической меди с последующим растворением

Этот способ включает восстановление меди до металлического состояния. Сначала проводят двухстадийный обжиг для получения металлической меди. Затем медь, которая не реагирует с разбавленными кислотами-неокислителями, растворяют в серной кислоте в присутствии окислителя, например, пероксида водорода.

Уравнения реакций:

1) Неполный обжиг до оксида меди(I):

$2Cu_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Cu_2O + 2SO_2 \uparrow$

2) Взаимодействие оксида с оставшимся сульфидом:

$2Cu_2O + Cu_2S \xrightarrow{t} 6Cu + SO_2 \uparrow$

3) Растворение меди в серной кислоте с окислителем:

$Cu + H_2SO_4 + H_2O_2 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

Ответ: Медный купорос получен в три стадии: обжиг до оксида меди(I), восстановление до металлической меди и растворение меди в серной кислоте в присутствии пероксида водорода.

Способ 3. Через нитрат меди(II)

Метод основан на использовании сильного окислителя — азотной кислоты — для перевода нерастворимого сульфида в растворимую соль (нитрат). Затем нитрат меди(II) переводят в нерастворимый гидроксид, который легко реагирует с серной кислотой.

Уравнения реакций:

1) Растворение халькозина в концентрированной азотной кислоте:

$Cu_2S + 8HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow 2Cu(NO_3)_2 + S \downarrow + 4NO_2 \uparrow + 4H_2O$

2) После отделения серы к раствору нитрата меди(II) добавляют щелочь для осаждения гидроксида меди(II):

$Cu(NO_3)_2 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + 2NaNO_3$

3) Осадок гидроксида меди(II) отфильтровывают, промывают и растворяют в серной кислоте:

$Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

Ответ: Медный купорос получен последовательным превращением: сульфид → нитрат → гидроксид → сульфат.

Способ 4. Прямое взаимодействие с концентрированной серной кислотой

Сульфид меди(I) можно окислить непосредственно концентрированной серной кислотой при нагревании. В этой реакции серная кислота выступает и как окислитель, и как среда, и как источник сульфат-ионов.

Уравнение реакции:

$Cu_2S + 4H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} 2CuSO_4 + S \downarrow + 2SO_2 \uparrow + 4H_2O$

Этот метод позволяет получить сульфат меди в одну стадию, однако требует отделения целевого продукта от побочного продукта — элементарной серы.

Ответ: Медный купорос получен в одну стадию при реакции халькозина с горячей концентрированной серной кислотой.

Способ 5. Через оксид меди(I) и реакцию диспропорционирования

Этот элегантный способ использует свойство меди(I) диспропорционировать в кислой среде. Сначала халькозин подвергают неполному обжигу для получения оксида меди(I).

Уравнения реакций:

1) Неполный обжиг халькозина:

$2Cu_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Cu_2O + 2SO_2 \uparrow$

2) Добавление серной кислоты к оксиду меди(I) вызывает диспропорционирование:

$Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + Cu \downarrow + H_2O$

В результате реакции образуется раствор сульфата меди(II) и осадок металлической меди. Медь можно отфильтровать, а из раствора выделить медный купорос.

Ответ: Медный купорос получен через стадию образования оксида меди(I), который затем диспропорционирует в серной кислоте на сульфат меди(II) и металлическую медь.