Brass (Ukrainian coin), acetic acid and hydrogen peroxide. Латунь (украинская монета), уксусная кислота и перекись водорода

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Brass (Ukrainian coin), acetic acid and hydrogen peroxide - pt.1 / Латунь (украинская монета), уксусная кислота и перекись водорода

Провести данный эксперимент меня подтолкнули два, на первый взгляд, несвязанных факта.

#1. Коллега обнаружил, что смесь: уксусной кислоты (раствор) + перекись водорода растворяет медь и латунь, но слабо действуют на сталь.

У него при разборке сломалась сантехническая деталь, латунная резьба осталась внутри гайки из нержавейки. Коллега ее вытравил раствором уксусной кислоты (20-40%) с перекисью, после суток травления остатки резьбы легко выкрутились.

#2. Украинские желтые монеты (10, 25 и 50 копеек) первоначально чеканили из латуни, позже - из алюминиевой бронзы, а еще позже - монеты стали магнитится. Дело в том, что для уменьшения стоимости монеты стали делать из низкоуглеводной стали и покрывать латунью - для сохранения внешнего вида (я точно знал, что сталь покрывают каки-то медным сплавом желтого цвета, а что это именно латунь, нанесенная гальваническим способом, - нашел на сайте Национального банка Украины) [K1].

Замысел был объединить "приятное с полезным": заснять химический эксперимент по растворению латуни, но при этом добавить театральности - использовать украинскую монету из стали, покрытую латунью и смесь, которая растворяет медь и латунь, но в идеале не действует на сталь. В результате "золотая" монета в процессе опыта должна стать "серебряной". Есть один способ сделать подобное превращение, но там нужны токсичные соли ртути, чтобы превратить медь в амальгаму (см. статью Как из медной монеты сделать серебряную (амальгама меди) [ссылка]). Ртуть - замечательный металл, а ее соединения - просто супер, но в этот раз решил обойтись уксусной кислотой и перекисью водорода.

В стакан поместил монету 10 копеек (2019 год выпуска) - так, чтобы она стояла на ребре и опиралась на стенки. Добавил 10 мл ледяной уксусной кислоты и 20 мл пергидроля (30% раствор перекиси водорода). С поверхности монеты сразу же началось выделение пузырьков газа (кислород). Поверхность стала сначала голубувато-зеленой, потом - темно-коричневой.

Время шло, газ выделялся. Сначала - преимущественно с поверхности монеты. Раствор был бесцветным. Со временем раствор приобрел зеленоватый оттенок, позже стал зеленым. Я боялся, что реакция может стать слишком бурной и смесь со временем выплеснется из стакана, но этого не случилось.

С поверхности монеты стали отделяться частички темно-коричневого шлама, которые также становились центрами выделения газа. Выделение газа значительно ускорилась. Окраска раствора углублялась, он стал мутным от пузырьков и взвешенных коричневых частиц. Оставил на ночь. Утром раствор стал травянисто-зеленым, извлек монету и обнаружил, что латунное покрытие полностью сошло, осталась блестящая сталь.

Сфотографировал монету рядом с аналогичной, но не обработанной в смеси уксусной кислоты и перекиси водорода (так совпало, что у них даже год выпуска одинаковый). Снимать блестящий металл - не совсем просто, пришлось долго играться с освещением. Потом обнаружил, что к необработанной монете пристала какая-то белая частичка. Переснял - качество снимков получилось хуже, поэтому просто зарисовал частичку в графическом редакторе. На видео пришлось дать ускоренный показ процесса реакции - х2, чтобы уменьшить размер видеофайла.

Пару слов про химическую суть эксперимента. Медь в ряду напряжений металлов стоит правее водорода, поэтому для ее растворения нужны кислоты-окислители, например, азотная кислота или концентрированная серная кислота при нагревании. Кислоты, которые не являются окислителями (соляная, разбавленная серная, уксусная, фосфорная, лимонная и т.д.), напрямую медь не растворяют [1]. Данные кислоты можно также использовать для растворения меди, но в комбинации с подходящими окислителями (дешевыми, доступными), например, кислородом воздуха, перекисью водорода и т.д.

__________________________________________________
¹ Чтобы не усложнять изложение, сделаю сноску. В некоторых случаях кислоты-неокислители растворяют медь за счет явления комплексообразования, которое понижает потенциал меди в растворе. Например, медь растворяется в йодистоводородной кислоте с выделением водорода. Другой вариант - неводные растворители, в которых ряд напряжений металлов отличается от такового для воды. Например, раствор хлороводорода в ацетонитриле растворяет медь с выделением водорода, поскольку для ацетонитрила медь расположена левее водорода в ряду напряжений (ближе к началу - более низкий электродный потенциал).

Chemical analysis: qualitative determination of copper (in Ukrainian coin) - pt.2 / Химический анализ: качественное определение меди (в украинской монете)

После растворения покрытия украинской монеты номиналом 10 копеек (в смеси уксусной кислоты и перекиси водорода) образовался травянисто-зеленый раствор с осадком. Перелил все это в пластиковый стакан, закрыл и оставил на несколько дней. Дальше планировал профильтровать и провести качественные реакции: на медь и на цинк, чтобы показать, что материал покрытия - латунь. Оказалось, что за время стояния раствор стал голубым, осадок полностью исчез (не осталось даже мути). Видимо, осадок представлял собой металлическую медь (или медь с цинком), которая на момент окончания эксперимента растворилась не до конца. Сейчас цвет раствора был типичным для солей меди (II) в водном растворе (если медь находится в форме аквакомплексов: цвет, например, хлоридных комплексов меди (II) - другой).

"Творческий замысел" был такой:

1) добавляю пробу исследуемого раствора в большой избыток раствора едкого кали: медь должна дать осадок гидроксида Cu(OH)₂, цинк в этих условиях должен дать растворимый гидроксокомплекс K₂[Zn(OH)₄] (цинкат калия);

2) осадок отфильтровываю, фильтрат должен быть бесцветным, он будет использован для обнаружения цинка;

3) к осадку на фильтре добавлю концентрированный раствор аммиака - должен образоваться комплекс [Cu(NH₃)₄](OH)₂, синий раствор через фильтр потечет в колбу; никель дает с аммиаком комплекс схожей окраски, но осадок гидроксида никеля светло-зеленый, а не голубой.

Итак, к раствору едкого кали стал по каплям добавлять анализируемый раствор, полученный из монеты. Сверху образовался голубой осадок, выделился углекислый газ (реакция уксусной кислоты с карбонатом калия, которые содержится в едком кали). Перемешал - образовалась голубая суспензия гидроксида меди. Добавил новые порции анализируемого раствора, перемешал, - реакционная смесь приобрела зеленый оттенок. Это означало, что рН смеси слишком низкий - кроме гидроксида меди образовались основные соли меди. Убедился с помощью индикаторной бумаги - среда близка к нейтральной. Нас такой вариант не устаревает, поскольку для перехода цинка в раствор нужен избыток едкого кали. Добавил еще гранул едкого кали в раствор, перемешал, - выделился углекислый газ, суспензия стала голубой (гидроксид меди), новые гранулы щелочи уже не вызывали выделение углекислого газа. Убедился с помощью индикаторной бумажки, что среда - сильнощелочная (рН 10 или выше). Профильтровал раствор через бумажный фильтр. Фильтрат - прозрачный и бесцветный. Он должен содержать гидроксокомплекс цинка (цинкат калия), K₂[Zn(OH)₄] - к идентификации данного вещества мы вернемся в следующей части статьи.

На фильтре остался голубой осадок. Меняю колбу для фильтрования на чистую. Добавляю к осадку на фильтре концентрированный раствор аммиака - в результате раствор становится синим - окраска характерная для аммиачного комплекса меди, [Cu(NH₃)₄](OH)₂. Его образование произошло далеко не моментально: понадобилось несколько минут, пока через фильтр начал капать синий раствор.

Медь обнаружена.

Chemical analysis: qualitative determination of zinc (in Ukrainian coin) - pt.3 / Химический анализ: качественное определение цинка (в украинской монете)

После фильтрования гидроксида меди (II) остался бесцветный фильтрат c избытком едкого кали. Если монета содержала цинк, раствор должен содержать гидроксоцинкат калия, K₂[Zn(OH)₄]. В растворе он бесцветный. Для того, чтобы подтвердить наличие данного вещества я стал по капле добавлять азотную кислоту и перемешивал. Сначала просто выделялся углекислый газ, реакция раствора оставалась сильнощелочной. Потом появилась белая муть - выпал осадок гидроксида цинка. Комплекс цинка разрушился - выпал гидроксид.

Цинк обнаружен.

Опустил универсальную индикаторную бумажку в раствор - реакция щелочная, но ближе к нейтральной. Продолжил добавлять кислоту. Гидроксид цинка растворился. Раствор снова стал прозрачным и бесцветным. Реакция раствора - нейтральная. Дельнейшее добавление кислоты до сильнокислой реакции уже не привело к каким-либо изменениям. В растворе - нитрат цинка с избытком азотной кислоты.

Потом стал добавлять к раствору щелочь - в определенный момент снова выпал гидроксид цинка - в виде белой мути.

Обычно в учебниках пишут, что нерастворимые гидроксиды осаждаются действием щелочей на растворы солей соответствующих металлов. Так и есть. Но некоторые гидроксиды растворяются в избытке щелочей (т.е. проявляют амфотерные свойства). Если к раствору амфотерного гидроксида в избытке щелочи постепенно добавлять кислоту, то сначала выпадет гидроксид металла, который при дальнейшем добавлении растворится в избытке кислоты. Именно это мы и наблюдали.

Кроме цинка можно привести и другие примеры металлов, которые образуют амфотерные гидроксиды: хром (III) и алюминий. Гидроксид хрома (III) отличается цветом, а гидроксид алюминия - белый, визуально он похож на гидроксид цинка. По химическому поведению данные гидроксиды тоже похожи. Чтобы отличить цинк и алюминий, к осадкам соответствующих гидроксидов можно добавить аммиак. Цинк дает прочный аммиачный комплекс, поэтому его гидроксид растворяется в избытке аммиака, алюминий такого комплекса не образует, поэтому его гидроксид нерастворим в аммиаке.

Комментарии

^К1 Вы пишете, что монеты стали "покрывать латунью". В моём представлении, покрытие металлами и сплавами могут быть гальваническими, вакуумным напылением или похожими процессами.

Для монет обычно используют чеканку из листа, который ужЕ плакирован латунью. Технология плакировки, как я понимаю, это прокатка листа стали с наложенными листами латуни в данном случае. Подробности я не знаю. В результате на гурте (ребре) монеты виден переход металлов.

Кроме указанного состава, латунь с поверхности стали можно селективно стравить медно-аммиачным травителем, основа которого - раствор хлорной меди в водном аммиаке.

^К1-1 Спасибо. Я, честно говоря, не задумывался о способе производства монет с покрытием. В тексте исправил, чтобы не было сомнительной формулировки.

Вспомнил, кстати, как в цеху, где я работал, делали цинковое покрытие на гайках, шайбах, винтах и т.п. мелких изделиях. Обычна ванна щелочного цинкования и барабан, который вращается. Внутрь барабана загружали изделия. Как вариант - использовали корзинку (фото - http://chemistry-chemists.com/N1_2020/ChemistryAndChemists_1_2020-P2-1.html)

Так вполне можно делать и монеты с гальваническим покрытием, другое дело - насколько это экономично по сравнению с другими способами.

^К1-1-1 В барабане монеты могут покрывать. Но чаще чеканят из готового листа. На гурте должно быть видно.

^К1-1-1-1 Именно на наших монетах я ни разу такого не замечал.

Brass (Ukrainian coin), acetic acid and hydrogen peroxide. Латунь (украинская монета), уксусная кислота и перекись водорода

Что основа - не латунь можно установить с помощью магнита или, действуя соответствующими растворами на монету. Визуально этого не видно.

....

Вспомнил: упоминание про гальваническое покрытие есть на сайте Национального банка. Потому я и решил, что латунь наносят гальваникой. Думаю, что это - причина, почему монеты покрыты именно латунью, а не алюминиевой бронзой.

"10 копійок
В обігу
Дата карбування — 2014
Дата введення в обіг — 01.09.2014
Метал — низьковуглецева сталь з гальванопокриттям латунню
Діаметр, мм — 16,3
Товщина монети, мм — 1,25
Вага, г — 1,7
Гурт — рифлений
Художник — Лопата Василь
Роки карбування — 2014, 2015, 2016, 2019, 2022
https://bank.gov.ua/ua/uah/obig-coin/10_2016"

- опять поправил текст статьи.