Chemistry and Chemists № 2 2025
Journal of Chemists-Enthusiasts
| Content | Chemistry experiments - video | Physics experiments - video | Home Page - Chemistry and Chemists |
|
Chemistry and Chemists № 2 2025 Journal of Chemists-Enthusiasts |
Unknown Copper Nitrate - p.1, 2, 3 Chemist |
|
Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter
Copper Nitrate, Charcoal, and Flame - Part 1
A colleague from our institute synthesizes mixed oxides of cobalt and nickel, which have a spinel structure (Me3O4). He is a physicist by training but has been working in a chemical laboratory at a chemical institute for many years.
Неизвестный нитрат меди Нитрат меди, древесный уголь и пламя - часть 1 To add variety to his research, he decided to introduce copper ions into the cobalt-nickel system. As a starting compound, he chose copper(II) nitrate. However, when he attempted to prepare a solution of copper nitrate in water, he discovered that the salt did not dissolve (!). It is well known that copper(II) nitrate is highly soluble in water. Moreover, this salt is hygroscopic - it absorbs moisture from the air. Copper nitrate crystallizes from aqueous solutions with several water molecules: Cu(NO3)2·xH2O (the number of water molecules depends on the conditions). Heating Cu(NO3)2·xH2O hydrates does not yield anhydrous copper nitrate. Instead, copper(II) nitrate decomposes, initially forming basic copper nitrate. As the temperature increases further, it breaks down into copper(II) oxide [1]. 2Cu(NO3)2·xH2O = 2CuO + 4NO2 + O2 + 2xH2O Copper(II) nitrate is typically produced by dissolving metallic copper in nitric acid: Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 Alternatively, copper(II) oxide, hydroxide, or basic copper(II) carbonate can be used as starting materials. In all cases, copper(II) nitrate hydrates are formed: Cu(OH)2 + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O Anhydrous copper(II) nitrate can be obtained only under conditions where water is completely absent from both the reactants and the reaction products. This can be achieved by treating metallic copper with liquid nitrogen dioxide: Cu + 2N2O4 = Cu(NO3)2 + 2NO Given all this, I suspected that the substance my colleague was trying to dissolve in water was not actually copper(II) nitrate. When I shared my opinion with him, he brought me a bag of blue powder for examination. The label on the bag read:
"u(NO3)2·3CuO·3H2"
To any chemist, it is clear that there are at least two typos in this formula. The correct version was most likely:
"Cu(NO3)2·3CuO·3H2O"
This is the formula of a basic copper nitrate. I have worked with various basic salts - basic sulfates, carbonates, phosphates, and acetates - but I have never encountered basic nitrates. All I knew about basic copper nitrates was that they exist. On the other hand, if there were two obvious typos in the formula, there could have been more mistakes. Visually, this substance resembled copper(II) hydroxide, Cu(OH)2. Copper hydroxide is a blue powder that is insoluble in water. Perhaps the substance was copper hydroxide rather than a basic nitrate. It was also possible that the sample did not contain copper at all. The blue color could have been due to compounds of nickel, cobalt, iron, or various organic compounds. These assumptions were easy to test. I recalled a school chemistry textbook: to detect nitrates, a solid sample is placed on hot coal. If the sample contains a nitrate, a flash occurs. This method, for example, is used to detect nitrates in mineral fertilizers. The combustion of black powder is another example of such a reaction, where potassium nitrate reacts with carbon and sulfur. I had plenty of activated carbon - several large packages. However, all the packages were sealed, and I didn't want to open one just to use a few grams. Instead, I charred several matches in a burner flame to obtain charcoal. I mixed the charcoal with the test substance and placed the mixture on aluminum foil. Then, I directed the flame of a gas burner at it. The flame turned green, indicating the presence of copper. The mixture heated up to a red glow, but no flash occurred. After cooling, the mixture turned red-brown. This color resulted from the formation of metallic copper, which was reduced by carbon. Nitrate was not detected in the test substance. But did this mean that nitrate was entirely absent? The sensitivity of the used reaction is low, so I could not rule out the possibility that the sample contained a small amount of nitrate. On the other hand, the substance clearly contained copper. Further investigation is needed. __________________________________________________ 1 H.Wayne Richardson "Copper Compounds" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005, Wiley-VCH, Weinheim [link]. |
|
Неизвестный нитрат меди
Коллега из нашего института синтезирует смешанные оксиды кобальта и никеля, которые имеют структуру шпинели (Me3O4). По образованию он - физик, но много лет работает в химическом институте в химической лаборатории.
Нитрат меди, древесный уголь и пламя - часть 1 Чтобы внести разнообразие в исследование, коллега решил ввести ионы меди в систему кобальт - никель. В качестве исходного соединения он выбрал нитрат меди (II). Когда коллега попытался приготовить раствор нитрата меди в воде, оказалось, что соль в воде не растворилась (!). Как известно, нитрат меди(II) - хорошо растворим в воде, более того, эта соль гигроскопична: она поглощает влагу из воздуха. Из водных растворов нитрат меди кристаллизуется с несколькими молекулами воды: Cu(NO3)2·xH2O (количество молекул воды зависит от условий). Попытка удалить воду нагреванием гидратов Cu(NO3)2·xH2O не приводит к образованию безводного нитрата меди. Вместо этого происходит разложение нитрата меди (II): сначала образуется основный нитрат меди, а при дальнейшем повышении температуры - оксид меди (II) [1]. 2Cu(NO3)2·xH2O = 2CuO + 4NO2 + O2 + 2xH2O Нитрат меди(II) образуется при растворении металлической меди в азотной кислоте: Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 Вместо меди можно использовать оксид меди (II), гидроксид или основный карбонат меди(II). Во всех случаях образуются гидраты нитрата меди (II). Cu(OH)2 + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O Безводный нитрат меди(II) может быть получен, если вода отсутствует в исходных веществах и не является одним из продуктов реакции. Для этого металлическую медь обрабатывают жидким диоксидом азота. Cu + 2N2O4 = Cu(NO3)2 + 2NO Учитывая все вышесказанное, я заподозрил, что вещество, которое пытался растворить в воде коллега, не являлось нитратом меди(II). Когда я высказал ему свое мнение, коллега принес на исследование пакет с голубым порошком. На пакете было написано:
"u(NO3)2·3CuO·3H2"
Для любого химика очевидно, что в формуле допущено, как минимум, две опечатки. Скорее всего, правильный вариант должен быть:
"Cu(NO3)2·3CuO·3H2O"
Это формула основного нитрата меди. В прошлом я работал с различными основными солями: основными сульфатами, карбонатами, фосфатами, ацетатами, однако, я никогда не сталкивался с основными нитратами. Про основные нитраты меди я знал только, что они существуют. С другой стороны, если в формуле присутствовали две очевидные опечатки, это означало, что ошибок могло быть и больше. По внешнему виду данное вещество напоминало гидроксид меди (II), Cu(OH)2. Гидроксид меди - голубой порошок, который нерастворим в воде. Возможно, данное вещество было гидроксидом меди, а не основным нитратом? Также было вероятно, что образец вообще не содержал медь. Голубой цвет может быть обусловлен соединениями никеля, кобальта, железа и рядом органических соединений. Данные предположения легко проверить. Вспомнил школьный учебник химии. Для обнаружения нитратов твердое вещество помещают на раскаленный уголь. Если образец содержит нитрат, происходит вспышка. Например, так можно обнаружить нитрат в минеральных удобрениях. Горение черного пороха - тоже пример подобной реакции: нитрат калия реагирует с углем и серой. Активированного угля у меня было много - несколько больших пакетов. Однако все упаковки с углем оказались запечатанными, я не захотел их вскрывать, чтобы использовать несколько граммов. Вместо этого обуглил в племени горелки несколько спичек, получив древесный уголь. Смешал уголь с исследуемым веществом, поместил смесь на алюминиевую фольгу. Направил на смесь пламя газовой горелки. Пламя стало зеленым, что свидетельствовало о наличии меди. Смесь раскалилась до красна, однако вспышка не произошла. После охлаждения было видно, что смесь стала красно-коричневой. Такой цвет обусловлен образованием металлической меди в результате восстановления соединений меди углем. Нитрат в исследуемом веществе не обнаружен. Означало ли это, что нитрат в образце полностью отсутствовал? Описанная реакция имеет низкую чувствительность, поэтому нельзя было исключить, что образец содержал небольшое количество нитрата. Зато медь в исследуемом веществе определенно содержится. Необходимо продолжить исследование. |
Copper Nitrate, Charcoal, and Flame |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter
Basic Copper Nitrate, Water, and Sulfuric Acid - Part 2
After the previous experiment, I considered two assumptions to be the most probable: the sample was either basic copper(II) nitrate or copper(II) hydroxide. The Ullmann's Encyclopedia [1] provides the formula for basic copper nitrate, which forms by dehydration of copper nitrate hydrates: Cu2(NO3)(OH)3. I noticed that this formula is equivalent to the one written on the package of the investigated substance: Cu(NO3)2·3CuO·3H2O - only written in a different form.
Основный нитрат меди, вода и серная кислота - часть 2 Basic copper nitrate does not dissolve in water, but it does dissolve in dilute sulfuric acid. I placed a small amount of the investigated substance in a beaker, added distilled water, and stirred. A greenish-blue suspension formed. Over time, the solid particles settled at the bottom, forming a blue sediment. A colorless liquid remained above the sediment, indicating that the substance did not dissolve noticeably in water. Next, I added 37% sulfuric acid and stirred. The solid gradually dissolved, forming a blue solution similar to that of copper sulfate. This behavior is characteristic of basic copper(II) nitrate, Cu2(NO3)(OH)3. However, copper(II) hydroxide, Cu(OH)2, behaves similarly. To distinguish between them, I needed to conduct a qualitative test to detect the presence of nitrate ions in the solution. For this, sulfuric acid and copper shavings are added to the sample, and the solution is heated to boiling. When nitrates react with sulfuric acid, they produce nitric acid, which in turn reacts with copper to form copper nitrate and nitrogen monoxide (NO): 3Cu + 8HNO3(dilute) = 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO Nitrogen monoxide (NO) is a colorless gas, but when exposed to air, it reacts with oxygen to form brown nitrogen dioxide (NO2): 2NO + O2 = 2NO2 The release of brown gas confirms the presence of nitrates in the sample. This reaction is more sensitive than the test using coal, which was described in the first part of the article. Moreover, it is more selective, as other oxidizers - not just nitrates - can also cause a flash when reacting with coal. I had already added sulfuric acid to the sample, so all that remained was to add copper shavings and boil the solution. However, before adding sulfuric acid, I had added water to the sample. Since dilution reduces the sensitivity of the qualitative reaction, I decided to repeat the nitrate test from the beginning. |
|
Основный нитрат меди, вода и серная кислота - часть 2
После предыдущего эксперимента я считал наиболее вероятными два предположения: образец является основным нитратом меди (II) или гидроксидом меди (II). В цитируемой выше энциклопедии Ульмана [1] приведена формула основного нитрата меди, который образуется при обезвоживании гидратов нитрата меди: Cu2(NO3)(OH)3. Обратил внимание, что эта формула эквивалентна формуле нитрата, написанной на упаковке с исследуемым веществом: Cu(NO3)2·3CuO·3H2O (отличаются только способ написания).
Приведенный основный нитрат меди не растворяется в воде, зато растворяется в разбавленной серной кислоте. Поместил небольшое количество исследуемого вещества в стакан, добавил дистиллированную воду, перемешал - образовалась зеленовато-голубая суспензия. Со временем твердые частицы осели на дно, образуя голубой осадок. Над осадком была бесцветная жидкость, что свидетельствовало об отсутствии заметного растворения исследуемого вещества в воде. Добавил 37% серную кислоту, перемешал. Твердое вещество постепенно растворилось, образовав синий раствор, похожий на раствор сульфата меди. Так ведет себя основный нитрат меди(II) Cu2(NO3)(OH)3. Однако, гидроксид меди(II) Cu(OH)2 ведет себя аналогично. Нужно провести качественную реакцию на обнаружение иона нитрата в растворе. Для этого к исследуемому образцу необходимо добавить раствор серной кислоты и медные стружки, после чего нагреть раствор до кипения. В результате реакции нитратов с серной кислотой образуется азотная кислота, которая реагирует с медью, образуя нитрат меди и оксид азота (II): 3Cu + 8HNO3(dilute) = 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO Монооксид азота, NO - бесцветный газ, однако, при контакте с воздухом он образует бурый диоксид азота, NO2: 2NO + O2 = 2NO2 Выделение бурого газа свидетельствует о наличии в исследуемом образце нитратов. Данная реакция более чувствительна, чем описанная в первой части статьи реакция нитратов с углем, также она более селективна. Дело в том, что и другие окислители - а не только нитраты - могут давать вспышку с углем. Серную кислоту к образцу я уже добавил, осталось добавить медные стружки и прокипятить. Однако, перед серной кислотой я добавил к образцу воду. Разбавление раствора снижает чувствительность качественной реакции, поэтому решил начать тест на нитраты с нуля. |
Basic Copper Nitrate, Water, and Sulfuric Acid |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qualitative Determination of Nitrates |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
