Copper sulphate, potassium hydroxide and aluminium. Сульфат меди, гидроксид калия и алюминий

Copper hydroxide (II) and potassium hydroxide - pt.1 / Гидроксид меди (II) и гидроксид калия

Как известно, нерастворимые (малорастворимые) гидроксиды металлов являются слабыми основаниями и делятся на две группы. К первой группе относятся нерастворимые гидроксиды, которые проявляют только основные свойства - они растворяются в кислотах, но не растворяются в щелочах (сильных основаниях). По памяти - гидроксиды марганца (II), магния и кадмия.

Ко второй группе относятся амфотерные гидроксиды, которые растворяются не только в кислотах, но и в растворах щелочей. Т.е., считается, что такие гидроксиды проявляют и основные, и слабые кислотные свойства одновременно, поэтому их называют амфоретными. Типичные примеры - гидроксиды хрома (III), цинка и алюминия. Перечисленные три гидроксида легко растворятся, как в кислотах, так и в растворах щелочей. В последнем случае образуются гидроксокомплексы, например, Na₂[Zn(OH)₄], Li[Al(OH)₄].

Со многими другими амфотерными гидроксидами дело сложнее, например, гидроксид железа (III), а также гидроксиды двухвалентных железа, кобальта и никеля растворяются только в избытке концентрированных щелочей (причем не полностью, а лишь частично), но не растворяется в разбавленных щелочах. Для некоторых металлов свежеосажденные гидроксиды растворяются в щелочи, а эти же гидроксиды, но после стояния осадка - нет (т.н. процесс старения осадка), пример - четырехвалентный титан. Более того, после старения некоторые гидроксиды металлов даже в кислотах перестают растворяться (примеры: тот же Ti(IV) или Zr(IV)).

Еще в школьном(!) учебнике химии прочитал, что гидроксид меди (II) Cu(OH)₂ также является амфотерным, поскольку он растворяется в концентрированных щелочах. Однако все мои попытки осадить гидроксид меди (II) едким натром, а затем растворить его в избытке едкого натра приводили к тому, что при высокой концентрации щелочи голубой осадок гидроксида переходил в черный осадок оксида меди (II) - происходила его дегидратация с отщеплением воды прямо под слоем раствора. По большому счету нужно была профильтровать раствор для удаления твердых частиц (оксид и гидроксид меди (II)) и посмотреть, будет фильтрат бесцветным или голубым. Последнее свидетельствовало бы о частичном растворении гидроксида меди, однако тогда я не догадался и не стал вникать, поскольку были вещи поинтереснее (нитроглицерин, например).

Через много лет после этого я проводил анализ раствора монеты в кислотах (Determination of zinc (Ukrainian 5 hryvnias coin) - pt.10 / Определение цинка (украинская монета 5 гривен) [ссылка]), задача стояла отделить цинк от меди. Анализируемый раствор я добавлял в крепкий раствор едкого кали и обнаружил, что гидроксид меди (II), который первоначально выпал, при перемешивании также частично перешел в раствор.

С одной стороны, это была большая радость: случайно получилась реакция, которую я не смог провести много лет назад (имея оснащенную лабораторию). С другой стороны, в планы анализа это совсем не входило: переход в раствор части меди (II) не давал возможности отделить ее от цинка. Поэтому разбавил раствор большим количеством дистиллированной воды, в результате гидроксокомплекс меди K₂[Cu(OH)₄] разложился, Cu(OH)₂ выпал в осадок, а цинк остался в растворе в виде комплекса K₂[Zn(OH)₄].

Позже решил повторить осаждение и растворение гидроксида меди (II) в растворе гидроксида калия уже целенаправленно.

Взял 2.2 г сульфтата меди пятиводного и 5 мл дистиллированной воды, соль растворилось не полностью - над кристаллами образовался насыщенный раствор; 10 г едкого кали растворил в 10 мл дистиллированной воды.

К едкому кали по каплям стал добавлять раствор сульфата меди. Капли застывали в гелеобразные гранулы неправильной формы, которые оставались на поверхности раствора щелочи. Такие себе синие "икринки" (никак не могу забыть процесс изготовления фальшивой красной и черной икры, который наладили в ссср, а также, - изготовление "апельсиновой икры" - нового кулинарного веяния [1]).

Подобные гранулы возникали и при добавлении насыщенного раствора хлорида железа (III) в щелочь, только там гранулы тонули, а случае сульфата меди - плавали на поверхности. В случае хлорида железа (III) гранулы начали "почковаться", что напоминало процесс роста "Химических водорослей" [2]. В случае с медью также было заметно, что внешний раствор обменивается с гранулами потоками жидкости (характерное "дрожание" раствора возле гранул - концентрационные потоки, заметные благодаря тому, что раствор возле гранул и далеко от гранул имеет разницу показателей преломления, а, следовательно, отличается концентрация веществ). Но роста "Химических водорослей" в случае раствора сульфата меди не наблюдалось.

Добавил в стакан с едким кали примерно 10 капель раствора сульфата меди (II), затем начал перемешивать содержимое и растирать гранулы стеклянной палочкой. Медленно и неохотно часть гидроксида меди (II) растворилась, часть - так и осталась в осадке, часть - стала черной. Т.е. частичная дегидратация до оксида меди имела место и тут.

Стал фильтровать раствор сквозь фильтровальную бумагу. Первые порции фильтрата были практически бесцветными. Мимо воли вспомнил университетский практикум по физической химии. Подробности успел забыть, но суть такая: исследовали сорбцию уксусной кислоты из водного раствора, затем отфильтровывали сорбент на бумажном фильтре, и определяли концентрацию уксусной кислоты в полученном растворе. Первые порции раствора (несколько мл) мы должны были отбросить, "поскольку фильтровальная бумага сорбировала часть вещества" - теперь я наблюдал это наглядно: фильтрую синий раствор и получаю бесцветный фильтрат (фильтр перед экспериментом был сухой, я его НЕ смачивал водой, как это принято). Т.е. часть гидроксокомплекса меди сорбировалсь бумагой, лишь когда бумага насытилась, он стал поступать в фильтрат.

Следующие порции фильтрата стали слегка синими, потом - все более синими, пока окраска не стала соответствовать окраске фильтруемого раствора.

В колбе собрался синий раствор гидроксокомплеса K₂[Cu(OH)₄]. На фильтре остался синий осадок Cu(OH)₂, часть из которого еще под слоем раствора перешла в черный CuO.

Сразу же решил попробовать восстановить медь (II) из раствора алюминием - хотел добавить в профильтрованный синий раствор алюминиевую проволоку. Неожиданно на экране камеры появилось предупреждение, что садятся аккумуляторы. Аккумуляторы - никель-металлогидридные, и их неприятная особенность в том, что данный тип батарей нельзя подзаряжать: их нужно сначала окончательно разрядить с помощью специального блока зарядки, а потом уже заряжать. Это занимает много времени, поэтому решил продолжить эксперимент в надежде, что опыт удастся снять. Не удалось - камера выключилась во время реакции.

Решил просто понаблюдать за ходом процесса: если восстановление меди не будет иметь место - не будет потребности и все переделывать. Но реакция прошла: выделялся водород (реакция алюминия со щелочью), раствор постепенно стал бело-мутным (синий цвет меди в растворе исчез), а сама металлическая медь всплыла в виде агрегатов черных частиц. Значит, все описанные выше процедуры придется переделывать, чтобы опять получить раствор гидроксокомплекса меди и заснять его восстановление алюминием.

__________________________________________________
¹ Тема "нетрадиционной икры" раскрыта в статье: Blackboard chalk, hydrochloric acid and molecular gastronomy - pt.1 / Мел для школьной доски, соляная кислота и молекулярная кухня [ссылка], хотя основная тема статьи не про "синтетическую" икру из обрезков кильки или эссенции апельсинов.

² Точнее, это и был один из вариантов опыта "Химические водоросли" ("Коллоидный сад / Chemical gardens"), см. статью: Chemical gardens: iron chloride (III) and potassium hydroxide - pt.1 / Коллоидный сад: хлорид железа (III) и гидроксид калия [ссылка].