What happens when copper reacts with nitric acid in this lab?

Solid copper is oxidized by nitric acid to form copper nitrate, water, and NO2 gas. The copper nitrate dissociates into copper(2+) ions and nitrate anions in water. The reddish-brown fumes confirm NO2 gas production, while a greenish-blue tint indicates the presence of copper ions in solution.

How is copper oxide formed from copper(II) hydroxide?

Copper(II) hydroxide precipitate forms when a base is added to the copper solution, creating a blue color. When heated to 85°C, the copper(II) hydroxide undergoes decomposition, removing water and producing black copper oxide precipitate. This thermal decomposition converts the unstable hydroxide into the more stable oxide form.

What role does zinc play in recovering solid copper from copper oxide?

Zinc acts as a reducing agent in a single displacement reaction with copper sulfate solution. When zinc is added, copper(2+) ions are reduced to solid copper while zinc is oxidized to zinc(2+) ions. The solution becomes colorless once all copper ions are reduced, indicating complete copper recovery.

Why is hydrochloric acid added after the zinc displacement reaction?

Hydrochloric acid dissolves excess zinc remaining in the solid copper precipitate through a neutralization reaction that produces bubbling. Adding acid in increments ensures complete removal of unreacted zinc without over-dissolving the copper product, leaving pure copper for final collection and weighing.

How do you determine if the final copper product is pure?

Test for methanol using an indicating desiccant that changes from blue to turquoise if present. Drop 6 M HCl on the product; bubbling indicates residual NaOH contamination. Pure copper appears as dark-red granules. Black color suggests incomplete conversion and the presence of copper oxide instead.

What does percent yield calculation reveal about the copper recovery experiment?

Percent yield is calculated by dividing the final copper mass by the initial copper mass and multiplying by 100. Yields exceeding 100% indicate calculation errors or residual moisture on the product. This metric shows how efficiently copper was recovered through the oxidation and reduction sequence.

Why is methanol used in the final drying step instead of water?

Methanol is used because it evaporates more readily than water at room temperature, ensuring thorough drying of the copper precipitate without heat damage. Multiple methanol washes followed by extended vacuum application remove residual moisture and impurities, preparing the copper for accurate final mass measurement.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

المفاهيم تحضير المدرّس بروتوكول الطالب

0 مشاهدات04:56 د

الأكسدة والاختزال ، وهو اختصار لأكسدة الاختزال ، هو نوع من التفاعل الكيميائي يصنف حسب صافي نقل الإلكترونات. في هذا التفاعل ، يفقد جزيء واحد الإلكترونات ، تسمى الأكسدة ، ويكتسب الجزيء الآخر إلكترونات تسمى الاختزال.

لمساعدتك على التمييز بين الاثنين ، تذكر عبارة "OIL-RIG" ، والتي تعني "الأكسدة تخسر ، والتخفيض يكتسب". يسمى الجزيء المؤكسد بالعامل المختزل لأنه يقلل من المادة المتفاعلة الأخرى. وبالمثل ، يطلق على الجزيء الذي يتم تقليله اسم العامل المؤكسد لأنه يؤكسد الجزيء الآخر.

والآن بعد أن تم ترتيب المصطلحات، لنلق نظرة على مثال تفاعل الأكسدة والاختزال، وهو تكوين أكسيد المغنيسيوم المعدني. أثناء التفاعل ، تفقد كل ذرة مغنيسيوم إلكترونين. وبالتالي ، يتأكسد المغنيسيوم. تكتسب كل ذرة أكسجين إلكترونين. وبالتالي ، يتم تقليل الأكسجين.

ومع ذلك ، ليست كل التفاعلات تفاعلات أكسدة واختزال. على سبيل المثال ، تفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين كربونات الكالسيوم ليس تفاعل أكسدة واختزال. إذن، كيف يمكننا تحديد تفاعل الأكسدة والاختزال؟

للقيام بذلك ، نتتبع رقم الأكسدة لكل عنصر أثناء انتقاله من مادة متفاعلة إلى منتج. رقم الأكسدة هو الشحنة الافتراضية التي ستحصل عليها الذرة إذا كانت روابطها بعناصر مختلفة أيونية ، مما يعني أن الإلكترونات مخصصة للذرة الأكثر كهربية. مجموع أعداد الأكسدة في الجزيء يساوي شحنته الكلية.

دعونا نلقي نظرة على أكسيد المغنيسيوم. إنه مركب محايد ، لذا فإن مجموع أرقام الأكسدة للمغنيسيوم والأكسجين يساوي صفرا. يمكن أن يعطي المغنيسيوم إلكترونين، لذا فإن رقم الأكسدة له هو زائد اثنين. يمكن للأكسجين أن يقبل إلكترونين ، لذا فإن رقم الأكسدة الخاص به يساوي سالب اثنين.

ماذا عن رد الفعل؟ تحتوي المركبات الأولية المحايدة النقية على عدد أكسدة يساوي صفر. وبالتالي ، يبدأ كل من المغنيسيوم والأكسجين بأرقام أكسدة تساوي صفر. تغيرت أرقام أكسدة المغنيسيوم والأكسجين أثناء التفاعل ، لذا فهذا تفاعل أكسدة واختزال.

والآن، دعونا نلق نظرة على تفاعل كربونات الكالسيوم الذي رأيناه سابقا. كلا المتفاعلين محايدان ، لذا فإن مجموع أرقام الأكسدة لكلا المركبين يساوي صفرا. كما رأينا مع أكسيد المغنيسيوم، يحتوي الكالسيوم على عدد أكسدة زائد اثنين والأكسجين ناقص اثنين. بعد ذلك، يكون للكربون الموجود في جزيء ثاني أكسيد الكربون عدد أكسدة زائد أربعة، ولكل أكسجين ناقص اثنين.

ماذا عن المنتج؟ الكالسيوم زائد اثنين والكربون زائد أربعة، تماما كما هو الحال في المواد المتفاعلة. كل أكسجين يساوي سالب اثنين، أي المجموع ناقص ستة، وصافي رقم الأكسدة صفر. نظرا لأن أيا من أرقام الأكسدة لم يتغير ، فهذا ليس تفاعل أكسدة واختزال.

والآن دعونا نعرض الأنواع الأربعة لتفاعلات الأكسدة والاختزال. الأول هو تفاعل إزاحة واحد ، حيث تزيح ذرة أخرى. سترى هذا في تفاعل الثرمايت، حيث يتم تقليل أحد المعادن، ويتأكسد المعدن الآخر.

النوع التالي هو تفاعل الاحتراق ، والذي يحدث بين الوقود والمؤكسد لتكوين منتجات مؤكسدة وحرارة. ترى هذا في المختبر أثناء احتراق الميثان بالأكسجين عند استخدام موقد بنسن.

والثالث هو تفاعل تخليقي، حيث يتحد متفاعلان لتشكيل منتج واحد، كما هو الحال في تخليق الأمونيا، حيث يتم دمج النيتروجين مع الهيدروجين لتكوين الأمونيا.

أخيرا ، النوع الرابع هو تفاعل التحلل ، حيث يمتص المتفاعل طاقة كافية لكسر روابطه لتكوين مركبات أصغر. هذا ما يحدث مع الألعاب النارية ، حيث تتحلل كلورات البوتاسيوم إلى كلوريد البوتاسيوم والأكسجين بعد التسخين.

في هذا المختبر ، ستقوم بإجراء وتحديد أنواع مختلفة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحول النحاس الصلب إلى أكسيد النحاس ، ثم تعود مرة أخرى إلى النحاس الصلب.

Print Procedure Steps

المصدر: سماء كريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية

صنع طبقة النحاس الصلب< الزر = "توسيع" >
في النصف الأول من هذا المختبر ، ستصنع النحاس الصلب. في هذا التفاعل ، يتأكسد النحاس الصلب أولا بواسطة عامل مؤكسد قوي ، حمض النيتريك ، لتكوين الماء ونترات النحاس المملح. تنفصل نترات النحاس بسرعة في الأيونات والنحاس (2+) والنترات في الماء. يتم تقليل أنيونات النترات إلى غاز NO₂ ، وهو ما يؤكده وجود أبخرة بنية ضاربة إلى الحمرة. يشار إلى وجود أيونات النحاس بلون أزرق مخضر. تؤدي إضافة قاعدة إلى الخليط إلى تغيير اللون إلى اللون الأزرق حيث يتشكل هيدروكسيد النحاس (II). هيدروكسيد النحاس (II) غير مستقر نسبيا. وبالتالي ، عندما يتم إدخال الحرارة ، يحدث تفاعل التحلل. في هذا التفاعل ، تتم إزالة الماء لإنتاج أكسيد النحاس ، والذي يظهر على شكل راسب أسود.
- قبل بدء التجربة ، ارتد معدات الحماية الشخصية ، بما في ذلك معطف المختبر والقفازات ونظارات الرذاذ الكيميائية.
- تزن ما بين 0.45 و 0.55 جم من طلقة النحاس وسجل الكتلة الدقيقة. يجب إجراء هذه التجربة في غطاء المحرك ، لذا أعد اللقطة النحاسية إلى محطة العمل الخاصة بك.
  الجدول 1. تحديد النسبة المئوية للعائد
  كتلة_{النحاس الأولي}(ز) الكتلة_{النحاس النهائي} (ز) النسبة المئوية للعائد انقر هنا لتنزيل الجدول 1
- قم بتسمية أسطوانة متدرجة سعة 10 مل على أنها "حمض النيتريك 8 M" وقم بقياس 8 مل من المحلول الذي يوفره مدربك. قم بتغطية الأسطوانة بزجاج ساعة عند نقل المحلول مرة أخرى إلى غطاء المحرك.
- لبدء التجربة ، ضع النحاس في دورق سعة 50 مل.
- أضف ببطء 8 مل من حمض النيتريك 8 M مع التقليب باستخدام قضيب التقليب. ملاحظه: إذا لم يذوب النحاس تماما ، ضع الدورق على لوح تسخين مضبوطة على 30 درجة مئوية لمدة دقيقتين تقريبا ، مع التحريك المستمر. هنا ، يتفاعل النحاس الصلب مع حمض النيتريك لتكوين نترات النحاس والماء وغاز NO₂. لا تفرط في تسخين المحلول وإلا سيغلي حمض النيتريك.
- بمجرد إذابة النحاس تماما ، قم بإزالة الدورق من لوح التسخين واضبط درجة الحرارة على لوح التسخين على 85 درجة مئوية.
- قم بقياس 150 مل من الماء منزوع الأيونات باستخدام أسطوانة متدرجة سعة 50 مل ونقل الماء إلى دورق سعة 400 مل.
- ببطء ، وأثناء التحريك ، اسكب المحلول النحاسي في دورق سعة 400 مل يحتوي على الماء.
  ملاحظه: إذا كان هناك محلول نحاسي متبقي في الدورق ، فاستخدم ماصة لشطف باقي المحلول في الدورق الأكبر.
- قم بتسمية أسطوانة متدرجة سعة 50 مل ب "3 M NaOH" واحصل على 20-30 مل من 3 M هيدروكسيد الصوديوم من مدربك. قم بتغطية الأسطوانة المتدرجة بزجاج ساعة أثناء حملها بعناية إلى غطاء المحرك.
- أضف 10 مل من هيدروكسيد الصوديوم إلى الدورق سعة 400 مل أثناء التحريك.
- اختبر درجة الحموضة في المحلول باستخدام ورق الأس الهيدروجيني. استمر في إضافة هيدروكسيد الصوديوم حتى يصبح المحلول أساسيا أو حوالي 10 درجة حموضة. هنا ، تتفاعل نترات النحاس مع هيدروكسيد الصوديوم لتكوين الراسب الأزرق وهيدروكسيد النحاس (II) ونترات الصوديوم.
- ضع الدورق سعة 400 مل على لوح التسخين واستخدم مقياس حرارة زجاجي لمراقبة درجة الحرارة. بمجرد أن يصل المحلول إلى 85 درجة مئوية ، اتركه لمدة 10 دقائق. قلبي ببطء باستخدام قضيب التحريك ، لأن ذلك سيوزع الحرارة بالتساوي مع عدم تعطيل تكوين البلورات.
- بعد 10 دقائق ، قم بإيقاف تشغيل لوح التسخين وإزالة الدرق. دع الدورق يبرد حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة. عندما يبرد المحلول ، سيظهر راسب مظلم في قاع الدورق ، بينما ينفصل السائل الصافي وعديم اللون ، وهو المادة الطافية ، باتجاه الأعلى. البلورات هي أكسيد النحاس.
- بمجرد أن يبرد المحلول تماما ، قم بتسمية دورق جديد على أنه "نفايات مائية" ، وقم بإزالة المادة الطافية عن طريق سكبها بعناية في حاوية النفايات. حاول ألا تفقد الراسب في قاع الدرق.
- قم بإعداد نظام الترشيح عن طريق ربط أنبوب السيليكون بين مكنسة المنزل وقارورة التفريغ. ضع قمع Büchner في قارورة التفريغ باستخدام محول مطاطي. الآن ، ضع ورقة ترشيح واحدة في قمع Büchner وقم ببللها بالماء منزوع الأيونات.
- قم بتشغيل المكنسة الكهربائية. صب الراسب في قمع Büchner وقم بتوجيهه إلى المنتصف باستخدام قضيب التحريك. استخدم الماء منزوع الأيونات لشطف كل الرواسب في القمع. عندما يخرج كل الراسب من الدورق ، قم بإيقاف تشغيل الفراغ.
- قم بإزالة ورق الترشيح مع الراسب وضعه في الدورق المرسب الداكن على ورق الترشيح هو أكسيد النحاس ، والذي يجب تركه ليجف لمدة يوم أو يومين قبل استخدامه في التفاعل التالي.
- تنظيف من التجربة. أولا ، أفرغ السائل الموجود في قارورة الفلتر في دورق النفايات المائية. ثم اختبر النفايات المائية بورق الأس الهيدروجيني. ملاحظه: يجب تحييد أي نفايات أعلى من درجة الحموضة 10 بحمض الستريك. يجب تحييد أي نفايات أقل من درجة الحموضة 4 بصودا الخبز.
- قم بتحييد هيدروكسيد الصوديوم غير المستخدم بحمض الستريك ثم اسكبه في البالوعة بكميات وفيرة من الماء. يشير أي شيء يحتوي على جزيئات سوداء إلى وجود أكسيد النحاس ويجب التخلص منه في حاوية الأسطوانة المعدنية الثقيلة.
صنع أكسيد النحاس< فئة الزر ="توسيع">توسيع
أكسيد النحاس المنتج في قسم المختبر السابق غير قابل للذوبان في الماء ولكن يمكن إذابته في حامض الكبريتيك. عندما يحدث هذا ، يتم إعادة إدخال كاتيونات النحاس (2+) وأنيونات الكبريتات من خلال تفاعل إزاحة مزدوج. عند إضافة الزنك في الخطوة الأخيرة ، يتم تقليل أيونات النحاس (2+) إلى نحاس صلب من خلال تفاعل إزاحة واحد.
- ارتد معدات الحماية المناسبة ، مثل معطف المختبر والقفازات ونظارات الرذاذ الكيميائية.
- احصل على أكسيد النحاس المجفف الذي تم تحضيره في التمرين المعملي الأخير وقم بإزالة أكبر قدر ممكن من أكسيد النحاس من ورق الترشيح باستخدام شرطي مطاطي. ضع ورق الترشيح الصلب مرة أخرى في نفس الدورق سعة 400 مل الذي تم تخزينه فيه.
- قم بتسمية أسطوانة متدرجة سعة 10 مل على أنها "5.93 M من حمض الكبريتيك" واحصل على 8 مل من حمض الكبريتيك من المدرب. قم بتغطية الأسطوانة المتدرجة بزجاج ساعة ، واحمل حمض الكبريتيك بعناية إلى غطاء المحرك. ملاحظه: قم بتنفيذ الخطوة التالية من التجربة في غطاء المحرك.
- استخدم ماصة بلاستيكية لإضافة حوالي 5 مل من حامض الكبريتيك مباشرة إلى ورق الترشيح في الدورق
- بعد ذلك ، أمسك ورق الترشيح بالملاقط واستخدم ملعقة معدنية لكشط أكبر قدر ممكن من المواد الصلبة دون تمزيق ورق الترشيح. استخدم أقل قدر ممكن من حمض الكبريتيك لشطف أكسيد النحاس ، لأن حامض الكبريتيك الزائد سيتطلب المزيد من الزنك لاحقا.
- اشطف أكسيد النحاس من ورق الترشيح ب 2 مل من الماء منزوع الأيونات وأضف القليل من الماء منزوع الأيونات إلى الدورق بمجرد إزالة أكسيد النحاس من ورق الترشيح ، تخلص من ورق الترشيح كنفايات صلبة.
- قلب المحلول حتى يذوب أكسيد النحاس تماما. إذا لم تذوب المادة الصلبة ، ضع الدورق على اللوح الساخن وقم بتسخينه إلى حوالي 60 درجة مئوية.
- أضف 3-5 مل من الماء وحركه حتى يذوب. احرص على عدم الارتفاع عن درجة الحرارة هذه ، حيث يمكن أن يتبخر السائل تاركا راسب من كبريتات النحاس.
- قم بوزن 1.2 جم من الزنك وسجل الكتلة الدقيقة في دفتر المختبر الخاص بك.
- أضف نصف كمية الزنك ببطء إلى المحلول. سحق الزنك وحركه باستخدام قضيب التحريك لإذابة جميع الجزيئات بالكامل. يجب أن يكون الحل عديم اللون. إذا كان اللون لا يزال موجودا ، أضف المزيد من الزنك حتى يختفي اللون.
- <فئة div = "خطوة المختبر">بمجرد اختفاء اللون تماما ، قم بوزن الزنك المتبقي في وعاء الوزن ، واطرحه من الكتلة الأصلية للحصول على كتلة الزنك المستخدمة. هنا ، تفاعل الزنك مع كبريتات النحاس لتكوين كبريتات الزنك والنحاس الصلب.
- صب المادة الطافية من المحلول الخاص بك في الحاوية المسماة "النفايات المائية". ثم قم بتسخين الصفيحة الساخنة مسبقا إلى 40 درجة مئوية. احصل على 10 مل من حمض الهيدروكلوريك 6 أمتار من مدربك في أسطوانة متدرجة مصنفة. قم بتغطية فتحة الأسطوانة بزجاج ساعة وأعد الحمض إلى غطاء المحرك.
- أضف 5 مل من حمض الهيدروكلوريك إلى الراسب المتبقي لإذابة أي زنك موجود داخل النحاس الصلب.
- ضع الدورق على الطبق الساخن المسخن مسبقا وقم بتسخين المحلول لمدة دقيقتين. الفقاعات التي لوحظت هنا هي تفاعل التحييد الذي يحدث لإذابة الزنك. تأكد من أن رد الفعل لا يغلي. ثم قم بإيقاف تشغيل إعداد الحرارة على اللوح الساخن.
- بمجرد أن تنحسر الفقاعات ، أضف 2-3 مل من حمض الهيدروكلوريك الإضافي. استمر في إضافة الحمض بزيادات قدرها 1 مل حتى تتوقف الفقاعات تماما.
- صب المادة الطافية ، واغسل الراسب ب 5-10 مل من الماء ، وصب أي مادة طافية متبقية. ملاحظه: إذا كانت جزيئات النحاس صغيرة جدا بحيث لا يمكن صب السائل دون فقدانها ، فقم بإعداد جهاز قمع Büchner بورق ترشيح وبدون فراغ. صب المحلول من خلال القمع حتى يتم الاحتفاظ بالجسيمات على ورق الترشيح ، ثم أعد الجسيمات إلى الدورق كرر خطوات الغسيل والصب مرتين أخريين.
- استبدل ورق الترشيح الموجود في قمع Büchner بآخر جديد وبلله قليلا بالماء. بعد ذلك ، قم بتشغيل المكنسة الكهربائية للحظة لمساعدة الفلتر على الاستقرار في مكانه.
- أضف ما يقرب من 5 مل من الماء إلى راسب النحاس ، ثم اسكبه في القمع الموجود في وسط ورق الترشيح. حرك النحاس برفق لإزالة الشوائب مع الحرص على عدم تمزيق ورق الترشيح.
- قم بتشغيل المكنسة الكهربائية واتركها تعمل لمدة دقيقتين.
- أغلق المكنسة الكهربائية وافصل الأنبوب عن القارورة. قم بإزالة القمع وتخلص من السائل في حاوية النفايات المائية.
- أعد توصيل إعداد قمع Büchner وأعد توصيل أنبوب التفريغ.
- احصل على حوالي 10 مل من الميثانول واسكب 3 مل على النحاس الموجود في القمع. ثم قم بتشغيل المكنسة الكهربائية واترك النحاس يجف لمدة 2 دقيقة.
- جفف الراسب بالميثانول مرتين أخريين ، وقم بتشغيل المكنسة الكهربائية بعد كل غسلة. خلال مرحلة التجفيف الأخيرة ، ضع سدادة مطاطية كبيرة على قمع Büchner ، واترك المكنسة الكهربائية تعمل لمدة 5 دقائق. ثم أغلق المكنسة الكهربائية وافصل الأنبوب المفرغ.
- قم بإزالة السدادة الكبيرة واترك الهواء النحاسي يجف لمدة 30 دقيقة.
- قم بتسمية دورق فارغ بأنه "نفايات عضوية" واسكب السائل من قارورة المرشح في حاوية النفايات العضوية.
- قم بتفريغ كفة وزن فارغة وانقل أكبر قدر ممكن من النحاس من ورق الترشيح إليها. قم بوزن النحاس وتسجيل كتلته.
- التنظيف من التمرين المعملي. تخلص من النفايات العضوية والميثانول الزائد في حاوية النفايات العضوية. اختبر النفايات المائية بورق الأس الهيدروجيني وقم بتحييدها إما بحمض الستريك للحصول على درجة حموضة أساسية للغاية أو صودا الخبز للحصول على درجة حموضة حمضية.
- تخلص من السائل الطافي في حاوية نفايات أسطوانة المعادن الثقيلة لأنه يحتوي على الزنك. يجب تحييد حمض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك غير المستخدم بصودا الخبز ثم غسلهما بكمية كبيرة من الماء أسفل الحوض.
Results
- تحديد ما إذا كان المنتج نقيا أم لا. انشر بعض المنتج على مادة مجففة للإشارة لاختبار وجود الميثانول. سيتغير المجفف من الأزرق إلى الفيروزي في حالة وجود الميثانول.
- قم بإسقاط بضع قطرات من 6 M HCl على المنتج لمعرفة ما إذا كان سيتفاعل مع أي هيدروكسيد الصوديوم قد يتبقي. إذا كان هيدروكسيد الصوديوم موجودا ، فسترى فقاعات.
- إذا كان المنتج نحاسيا ، فيجب أن يبدو مثل حبيبات حمراء داكنة. إذا كان المنتج أسود ، فقد فشلت في صنع النحاس وبدلا من ذلك صنعت أكسيد النحاس.
- احسب النسبة المئوية للعائد باستخدام الكتلة الأولية والنهائية للنحاس. النسبة المئوية للعائد هي نسبة العائد الفعلي ، في هذه الحالة ، الكتلة النهائية للنحاس ، إلى العائد النظري ، أو الكتلة الابتدائية للنحاس ، مضروبة في 100. من المستحيل الحصول على نسبة مئوية من العائد أكبر من 100. إذا حدث هذا ، فقد حدث خطأ في الحساب - أو كان المنتج لا يزال رطبا - مما أضاف المزيد من الوزن.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

الجدول 1. تحديد النسبة المئوية للعائد