Useimpien alkuaineiden kemialliset ominaisuudet perustuvat niiden kykyyn liueta veteen ja happoihin. Kuparin ominaisuuksien tutkiminen liittyy alhaiseen aktiivisuuteen normaaleissa olosuhteissa. Sen kemiallisten prosessien piirre on yhdisteiden muodostuminen ammoniakin, elohopean, typpi- ja rikkihapon kanssa. Kuparin heikko liukoisuus veteen ei pysty aiheuttamaan korroosioprosesseja. Sillä on erityisiä kemiallisia ominaisuuksia, jotka mahdollistavat yhdisteen käytön useilla teollisuudenaloilla.
Tuotteen kuvaus
Kuparia pidetään vanhimpana metalleista, joita ihmiset oppivat erottamaan jo ennen aikakauttamme. Tämä aine saadaan luonnollisista lähteistä malmin muodossa. Kuparia kutsutaan kemiallisen taulukon elementiksi latinalaisella nimellä cuprum, jonka sarjanumero on 29. Jaksojärjestelmässä se sijaitsee neljännessä jaksossa ja kuuluu ensimmäiseen ryhmään.
Luonnollinen aine on vaaleanpunainen-punainen raskasmetalli, jolla on pehmeä ja muokattava rakenne. Sen kiehumis- ja sulamispiste onyli 1000 °C. Pidetään hyvänä kapellimestarina.
Kemiallinen rakenne ja ominaisuudet
Jos tutkit kupariatomin elektronista kaavaa, huomaat, että siinä on 4 tasoa. Valenssin 4s kiertoradalla on vain yksi elektroni. Kemiallisten reaktioiden aikana atomista voi irrota 1-3 negatiivisesti varautunutta hiukkasta, jolloin saadaan kupariyhdisteitä, joiden hapetusaste on +3, +2, +1. Sen kaksiarvoiset johdannaiset ovat vakaimpia.
Kemiallisissa reaktioissa se toimii inaktiivisena metallina. Normaaleissa olosuhteissa kuparin vesiliukoisuus puuttuu. Kuivassa ilmassa korroosiota ei havaita, mutta kuumennettaessa metallipinta peittyy mustalla kaksiarvoisella oksidilla. Kuparin kemiallinen stabiilisuus ilmenee vedettömien kaasujen, hiilen, useiden orgaanisten yhdisteiden, fenolihartsien ja alkoholien vaikutuksesta. Sille on ominaista monimutkaiset muodostumisreaktiot, joissa vapautuu värillisiä yhdisteitä. Kupari on hieman samank altainen alkaliryhmän metallien kanssa, mikä liittyy yksiarvoisten sarjan johdannaisten muodostumiseen.
Mikä on liukoisuus?
Tämä on prosessi, jossa homogeeniset systeemit muodostuvat liuosten muodossa yhden yhdisteen vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa. Niiden komponentit ovat yksittäisiä molekyylejä, atomeja, ioneja ja muita hiukkasia. Liukoisuusaste määräytyy sen aineen pitoisuuden mukaan, joka liukeni, kun saatiin kyllästetty liuos.
Mittayksikkö on useimmiten prosentit, tilavuus- tai paino-osuudet. Kuparin, kuten muiden kiinteiden yhdisteiden, liukoisuus veteen on alttiina vain lämpötilaolosuhteiden muutoksille. Tämä riippuvuus ilmaistaan käyrien avulla. Jos indikaattori on hyvin pieni, ainetta pidetään liukenemattomana.
Kuparin liukoisuus veteen
Metalli kestää korroosiota meriveden vaikutuksesta. Tämä todistaa sen inertian normaaleissa olosuhteissa. Kuparin liukoisuutta veteen (makeaan veteen) ei käytännössä havaita. Mutta kosteassa ympäristössä ja hiilidioksidin vaikutuksesta metallipinnalle muodostuu vihreä kalvo, joka on pääkarbonaatti:
Cu + Cu + O2 + H2O + CO2 → Cu (OH)2 CuCO2.
Jos tarkastelemme sen yksiarvoisia yhdisteitä suolan muodossa, havaitaan niiden lievä liukeneminen. Tällaiset aineet hapettuvat nopeasti. Tuloksena saadaan kaksiarvoisia kupariyhdisteitä. Näillä suoloilla on hyvä liukoisuus vesipitoisiin väliaineisiin. Niiden täydellinen dissosioituminen ioneiksi tapahtuu.
Liukoisuus happoihin
Kuparin normaalit reaktiot heikkojen tai laimeiden happojen kanssa eivät suosi niiden vuorovaikutusta. Metallin kemiallista prosessia alkalien kanssa ei havaita. Kuparin liukoisuus happoihin on mahdollista, jos ne ovat vahvoja hapettimia. Vain tässä tapauksessa vuorovaikutus tapahtuu.
Kuparin liukoisuus typpihappoon
Tällainen reaktio on mahdollista, koska metalli hapetetaan vahvalla reagenssilla. Typpihappo laimeana ja väkevänämuodossa on hapettavia ominaisuuksia kuparin liukeneessa.
Ensimmäisessä versiossa reaktion aikana saadaan kuparinitraattia ja typen kaksiarvoista oksidia suhteessa 75 % - 25 %. Prosessi laimealla typpihapolla voidaan kuvata seuraavalla yhtälöllä:
8HNO3 + 3Cu → 3Cu(NO3)2 + EI + EI + 4H2O.
Toisessa tapauksessa kuparinitraattia ja typen oksideja saadaan kaksiarvoisina ja neliarvoisina, joiden suhde on 1:1. Tässä prosessissa käytetään 1 moolia metallia ja 3 moolia väkevää typpihappoa. Kun kupari liukenee, liuos kuumennetaan voimakkaasti, mikä johtaa hapettimen lämpöhajoamiseen ja ylimääräisen typpioksidimäärän vapautumiseen:
4HNO3 + Cu → Cu(NO3)2 + NO 2 + EI2 + 2H2O.
Reaktiota käytetään pienimuotoisessa tuotannossa, joka liittyy romun käsittelyyn tai pinnoitteiden poistamiseen jätteistä. Tällä kuparin liuotusmenetelmällä on kuitenkin useita haittoja, jotka liittyvät suuren typen oksidien vapautumiseen. Niiden sieppaamiseksi tai neutraloimiseksi tarvitaan erityisiä laitteita. Nämä prosessit ovat erittäin kalliita.
Kuparin liukenemisen katsotaan päättyneen, kun haihtuvien typen oksidien tuotanto on lopetettu kokonaan. Reaktiolämpötila vaihtelee välillä 60 - 70 °C. Seuraava vaihe on tyhjentää liuos kemiallisesta reaktorista. Sen pohjassa on pieniä metallikappaleita, jotka eivät ole reagoineet. Tuloksena olevaan nesteeseen lisätään vettä jasuodatus.
Liukoisuus rikkihappoon
Normaalitilassa tällaista reaktiota ei tapahdu. Tekijä, joka määrää kuparin liukenemisen rikkihappoon, on sen vahva pitoisuus. Laimea väliaine ei voi hapettaa metallia. Kuparin liukeneminen väkevään rikkihappoon etenee sulfaatin vapautuessa.
Prosessi ilmaistaan seuraavalla yhtälöllä:
Cu + H2SO4 + H2SO 4 → CuSO4 + 2H2O + SO2.
Kuparisulfaatin ominaisuudet
Diemäksistä suolaa kutsutaan myös sulfaatiksi, ja se merkitään seuraavasti: CuSO4. Se on aine, jolla ei ole ominaista hajua ja joka ei osoita haihtuvuutta. Vedettömässä muodossaan suola on väritöntä, läpinäkymätöntä ja erittäin hygroskooppista. Kuparilla (sulfaatilla) on hyvä liukoisuus. Vesimolekyylit, jotka liittyvät suolaan, voivat muodostaa kidehydraattiyhdisteitä. Esimerkki on kuparisulfaatti, joka on sininen pentahydraatti. Sen kaava on: CuSO4 5H2O.
Kidehydraattien rakenne on läpinäkyvä ja sinertävä, ja niillä on kitkerä, metallinen maku. Niiden molekyylit voivat menettää sitoutuneen veden ajan myötä. Luonnossa niitä esiintyy mineraalien muodossa, joita ovat kalkantiitti ja butiitti.
Kuparisulfaatti vaikuttaa. Liukoisuus on eksoterminen reaktio. Suolahydraation prosessissa huomattava määrälämpöä.
Kuparin liukoisuus rautaan
Tämän prosessin seurauksena muodostuu Fe:n ja Cu:n pseudoseoksia. Metalliselle raudalle ja kuparille rajallinen keskinäinen liukoisuus on mahdollista. Sen maksimiarvot havaitaan lämpötilaindeksillä 1099,85 °C. Kuparin liukoisuusaste raudan kiinteässä muodossa on 8,5 %. Nämä ovat pieniä indikaattoreita. Metallisen raudan liukeneminen kuparin kiinteässä muodossa on noin 4,2 %.
Lämpötilan laskeminen huonearvoihin tekee keskinäisistä prosesseista merkityksettömiä. Kun metallinen kupari sulatetaan, se pystyy kostuttamaan hyvin kiinteässä muodossa. Fe- ja Cu-pseudoseoksia hankittaessa käytetään erityisiä työkappaleita. Ne valmistetaan puristamalla tai paistamalla rautajauhetta, joka on puhtaassa tai seostetussa muodossa. Tällaiset aihiot on kyllästetty nestemäisellä kuparilla, mikä muodostaa pseudoseoksia.
Ammoniakkiin liukeneminen
Prosessi etenee usein johtamalla NH3 kaasumaisessa muodossa kuuman metallin yli. Tuloksena on kuparin liukeneminen ammoniakkiin, Cu3N vapautuminen. Tätä yhdistettä kutsutaan yksiarvoiseksi nitridiksi.
Sen suolat altistuvat ammoniakkiliuokselle. Tällaisen reagenssin lisääminen kuparikloridiin johtaa saostumiseen hydroksidin muodossa:
CuCl2 + NH3 + NH3 + 2H 2O → 2NH4Cl + Cu(OH)2↓.
Ammoniakkiylimäärä edistää kompleksityyppisen yhdisteen muodostumista, jonka väri on tummansininen:
Cu(OH)2↓+ 4NH3 → [Cu(NH3)4] (OH)2.
Tätä prosessia käytetään kupari-ionien määrittämiseen.
Liukoisuus valuraudaan
Pelliittisen raudan rakenteessa on pääkomponenttien lisäksi lisäelementti tavallisen kuparin muodossa. Hän lisää hiiliatomien grafitoitumista ja lisää seosten juoksevuutta, lujuutta ja kovuutta. Metallilla on positiivinen vaikutus perliitin määrään lopputuotteessa. Kuparin liukoisuutta valurautaan käytetään alkuperäisen koostumuksen seostukseen. Tämän prosessin päätarkoitus on saada muokattava seos. Sillä on paremmat mekaaniset ja korroosioominaisuudet, mutta se vähentää haurautta.
Jos valuraudan kuparipitoisuus on noin 1 %, vetolujuus on 40 % ja juoksevuus kasvaa 50 %:iin. Tämä muuttaa merkittävästi metalliseoksen ominaisuuksia. Seosmetallin määrän lisäys 2 %:iin johtaa lujuuden muutokseen 65 %:n arvoon ja myöhöindeksiksi tulee 70 %. Kun valuraudan koostumuksessa on korkeampi kuparipitoisuus, nodulaarinen grafiitti on vaikeampi muodostaa. Seoselementin lisääminen rakenteeseen ei muuta sitkeän ja pehmeän metalliseoksen muodostamistekniikkaa. Hehkutukseen varattu aika osuu yhteen tällaisen reaktion keston kanssa valmistettaessa valuraudaa ilman kupariepäpuhtauksia. Se on noin 10 tuntia.
Kuparin käyttö korkean tuottamiseenpiipitoisuus ei pysty täysin eliminoimaan seoksen niin kutsuttua ferruginisoitumista hehkutuksen aikana. Tuloksena on tuote, jolla on alhainen joustavuus.
Liukoisuus elohopeaan
Kun elohopeaa sekoitetaan muiden alkuaineiden metallien kanssa, muodostuu amalgaameja. Tämä prosessi voi tapahtua huoneenlämpötilassa, koska sellaisissa olosuhteissa Pb on nestettä. Kuparin liukoisuus elohopeaan häviää vain kuumennettaessa. Metalli on ensin murskattava. Kun kiinteää kuparia kostutetaan nestemäisellä elohopealla, yksi aine tunkeutuu toiseen tai diffundoituu. Liukoisuusarvo ilmaistaan prosentteina ja se on 7,410-3. Reaktio tuottaa kiinteän yksinkertaisen amalgaamin, joka on samanlainen kuin sementti. Jos lämmittää hieman, se pehmenee. Tämän seurauksena tätä seosta käytetään posliiniesineiden korjaamiseen. On myös monimutkaisia amalgaameja, joissa on optimaalinen metallipitoisuus. Esimerkiksi hopeaa, tinaa, kuparia ja sinkkiä esiintyy hammasseoksessa. Niiden lukumäärä prosentteina tarkoittaa 65:27:6:2. Tämän koostumuksen amalgaamia kutsutaan hopeaksi. Jokainen lejeeringin komponentti suorittaa tietyn toiminnon, jonka avulla voit saada korkealaatuisen täytteen.
Toinen esimerkki on amalgaamiseos, jossa on korkea kuparipitoisuus. Sitä kutsutaan myös kuparilejeeringiksi. Amalgaamin koostumus sisältää 10 - 30 % Cu. Korkea kuparipitoisuus estää tinan vuorovaikutuksen elohopean kanssa, mikä estää seoksen erittäin heikon ja syövyttävän faasin muodostumisen. PaitsiLisäksi hopean määrän väheneminen täytteessä johtaa hinnan alenemiseen. Amalgaamin valmistukseen on toivottavaa käyttää inerttiä atmosfääriä tai suojaavaa nestettä, joka muodostaa kalvon. Metallit, jotka muodostavat metalliseoksen, voivat hapettua nopeasti ilman kanssa. Kuparamalgamin lämmitysprosessi vedyn läsnä ollessa johtaa elohopean tislaukseen, mikä mahdollistaa alkuainekuparin erottamisen. Kuten näet, tämä aihe on helppo oppia. Nyt tiedät kuinka kupari on vuorovaikutuksessa paitsi veden, myös happojen ja muiden alkuaineiden kanssa.
