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.

Reakcje redoks

Koncepcje Przygotowanie instruktora Protokół studencki

0 wyświetleń04:56 min

Redoks, który jest skrótem od redukcji-utleniania, to rodzaj reakcji chemicznej klasyfikowanej przez transfer netto elektronów. W tej reakcji jedna cząsteczka traci elektrony, co nazywa się utlenianiem, a druga cząsteczka zyskuje elektrony, co nazywa się redukcją.

Aby ułatwić sobie rozróżnienie tych dwóch, pamiętaj o wyrażeniu "OIL-RIG", które oznacza "utlenianie to tracić, redukcja to zyskiwanie". Cząsteczka, która jest utleniona, nazywana jest środkiem redukującym, ponieważ redukuje drugi reagent. Podobnie cząsteczka, która jest zredukowana, nazywana jest środkiem utleniającym, ponieważ utlenia drugą cząsteczkę.

Teraz, gdy mamy już uporządkowaną terminologię, spójrzmy na przykład reakcji redoks, czyli tworzenia się mineralnego tlenku magnezu. Podczas reakcji każdy atom magnezu traci dwa elektrony. W ten sposób magnez ulega utlenieniu. Każdy atom tlenu zyskuje dwa elektrony; W ten sposób tlen jest redukowany.

Jednak nie wszystkie reakcje są reakcjami redoks. Na przykład reakcja tlenku wapnia z dwutlenkiem węgla w celu wytworzenia węglanu wapnia nie jest reakcją redoks. Jak więc możemy zidentyfikować reakcję redoks?

Aby to zrobić, śledzimy stopień utlenienia każdego pierwiastka w miarę jego przejścia od reagenta do produktu. Liczba utlenienia to hipotetyczny ładunek, jaki miałby atom, gdyby jego wiązania z różnymi pierwiastkami były jonowe, co oznacza, że elektrony są przypisane do bardziej elektroujemnego atomu. Suma stopni utlenienia w cząsteczce jest równa jej całkowitemu ładunkowi.

Wróćmy do tlenku magnezu. Jest to związek obojętny, więc suma stopni utlenienia magnezu i tlenu jest równa zero. Magnez może dać dwa elektrony, więc jego stopień utlenienia wynosi plus dwa. Tlen może przyjąć dwa elektrony, więc jego stopień utlenienia wynosi minus dwa.

A co z reakcją? Czyste neutralne związki elementarne mają stopień utlenienia równy zero. Tak więc zarówno magnez, jak i tlen zaczynają się od zerowych stopni utlenienia. Zarówno stopień utlenienia magnezu, jak i tlenu zmienił się podczas reakcji, więc jest to reakcja redoks.

Spójrzmy teraz na reakcję węglanu wapnia, którą widzieliśmy wcześniej. Oba reagenty są obojętne, więc suma stopni utlenienia dla obu związków wynosi zero. Jak widzieliśmy w przypadku tlenku magnezu, wapń ma stopień utlenienia plus dwa, a tlen minus dwa. Następnie węgiel w cząsteczce dwutlenku węgla ma stopień utlenienia plus cztery, a każdy tlen minus dwa.

A co z produktem? Wapń to plus dwa, a węgiel plus cztery, tak jak w reagentach. Każdy tlen ma wartość minus dwa, co daje w sumie minus sześć, przy liczbie utlenienia netto zerowej. Ponieważ żaden ze stopni utlenienia nie uległ zmianie, nie jest to reakcja redoks.

Przedstawmy teraz cztery rodzaje reakcji redoks. Pierwszą z nich jest reakcja pojedynczego przemieszczenia, w której jeden atom wypiera drugi. Zobaczysz to w reakcji termitu, w której jeden metal jest redukowany, a drugi metal jest utleniany.

Kolejnym typem jest reakcja spalania, która zachodzi między paliwem a utleniaczem w celu wytworzenia produktów utlenionych i ciepła. Widać to w laboratorium podczas spalania metanu z tlenem przy użyciu palnika Bunsena.

Trzecia to reakcja syntezy, w której dwa reagenty łączą się, tworząc jeden produkt, jak w syntezie amoniaku, gdzie azot łączy się z wodorem, tworząc amoniak.

Wreszcie czwarty typ to reakcja rozkładu, w której reagent pochłania wystarczającą ilość energii, aby zerwać swoje wiązania, tworząc mniejsze związki. Tak dzieje się z fajerwerkami, w których chloran potasu po podgrzaniu rozkłada się na chlorek potasu i tlen.

W tym laboratorium wykonasz i zidentyfikujesz różne rodzaje reakcji redoks, które przekształcają stałą miedź w tlenek miedzi, a następnie z powrotem w stałą miedź.

Print Procedure Steps

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

Wytwarzanie litej miedzi
W pierwszej połowie tego laboratorium będziesz wytwarzać solidną miedź. W tej reakcji stała miedź jest najpierw utleniana przez silny środek utleniający, kwas azotowy, w wyniku czego powstaje woda i sól azotan miedzi. Azotan miedzi szybko dysocjuje na jony, miedź (2+) i azotan w wodzie. Aniony azotanowe są redukowane do gazu NO₂, co potwierdza obecność czerwonawo-brązowych oparów. Na obecność jonów miedzi wskazuje zielonkawo-niebieski odcień. Dodanie zasady do mieszaniny zmienia kolor na niebieski w miarę tworzenia się osadu wodorotlenku miedzi(II). Wodorotlenek miedzi(II) jest stosunkowo niestabilny; Tak więc, gdy wprowadzane jest ciepło, zachodzi reakcja rozkładu. W tej reakcji woda jest usuwana w celu wytworzenia tlenku miedzi, który pojawia się jako osad.
- Przed rozpoczęciem eksperymentu załóż środki ochrony osobistej, w tym fartuch laboratoryjny, rękawice i gogle przeciw rozpryskom chemikaliów.
- Zważ od 0,45 do 0,55 g śrutu miedzianego i zapisz dokładną masę. Ten eksperyment musi zostać przeprowadzony w okapie, więc przynieś miedziany śrut z powrotem do swojego stanowiska pracy.
  Tabela 1. Określanie procentowej wydajności
  
  Masa_{początkowa Cu}(g)
  Masa_{Cu końcowa} (g)
  Procentowa wydajność
  Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 1
- Oznacz 10-mililitrowy cylinder z podziałką jako '8 M kwas azotowy' i odmierz 8 ml roztworu dostarczonego przez twojego instruktora. Przykryj cylinder szkiełkiem zegarkowym podczas transportu roztworu z powrotem do okapu.
- Aby rozpocząć eksperyment, umieść miedź w zlewce o pojemności 50 ml.
- Powoli dodaj 8 ml 8 M kwasu azotowego, mieszając za pomocą pręta mieszającego. nuta: Jeżeli miedź nie rozpuści się całkowicie, umieścić zlewkę na płycie grzejnej ustawionej na 30 °C na około 2 minuty, ciągle mieszając. Tutaj stała miedź reaguje z kwasem azotowym, tworząc azotan miedzi, wodę i gaz NO₂. Nie przegrzewaj roztworu, ponieważ kwas azotowy wygotuje się.
- Gdy miedź całkowicie się rozpuści, wyjmij zlewkę z płyty grzejnej i ustaw temperaturę na płycie grzejnej na 85 °C.
- Zmierz 150 ml wody dejonizowanej za pomocą 50-mililitrowego cylindra z podziałką i przenieś wodę do zlewki o pojemności 400 ml.
- Powoli, mieszając, wlej roztwór miedzi do 400-mililitrowej zlewki zawierającej wodę.
  nuta: Jeśli w zlewce pozostał roztwór miedzi, użyj pipety, aby przepłukać resztę roztworu do większej zlewki.
- Oznacz 50-mililitrową butlę z podziałką jako '3 M NaOH' i uzyskaj od swojego instruktora 20 - 30 ml 3 M NaOH. Przykryj cylinder z podziałką szkiełkiem zegarka, ostrożnie przenosząc go z powrotem do okapu.
- Dodaj 10 ml NaOH do zlewki o pojemności 400 ml, mieszając.
- Sprawdź pH roztworu za pomocą papieru pH. Kontynuuj dodawanie NaOH, aż roztwór będzie zasadowy lub o pH około 10. Tutaj azotan miedzi reaguje z NaOH, tworząc niebieski osad, wodorotlenek miedzi(II) i azotan sodu.
- Umieść zlewkę o pojemności 400 ml na płycie grzejnej i użyj szklanego termometru do monitorowania temperatury. Gdy roztwór osiągnie temperaturę 85 °C, pozostaw go w tym miejscu przez 10 minut. Mieszaj powoli za pomocą mieszadła, ponieważ zapewni to równomierne rozprowadzenie ciepła, nie zakłócając tworzenia się kryształów.
- Po 10 minutach wyłącz płytę grzejną i wyjmij zlewkę. Pozostawić zlewkę do ostygnięcia do temperatury pokojowej. Gdy roztwór ostygnie, na dnie zlewki pojawi się ciemny osad, podczas gdy klarowna i bezbarwna ciecz, supernatant, oddzieli się w kierunku góry. Kryształy to tlenek miedzi.
- Gdy roztwór całkowicie ostygnie, oznacz nową zlewkę jako 'odpad wodny' i usuń supernatant ostrożnie przelewając go do pojemnika na odpady. Staraj się nie stracić osadu na dnie zlewki.
- Ustaw system filtracji, podłączając silikonową rurkę między odkurzaczem domowym a kolbą próżniową. Umieścić lejek Büchnera w kolbie próżniowej za pomocą gumowego adaptera. Teraz umieść jedną bibułę filtracyjną w lejku Büchnera i zwilż ją wodą dejonizowaną.
- Włącz odkurzacz. Wlej osad do lejka Büchnera i skieruj go do środka za pomocą mieszadła. Użyj wody dejonizowanej, aby spłukać cały osad do lejka. Gdy cały osad wydostanie się ze zlewki, wyłącz próżnię.
- Usuń bibułę filtracyjną z osadem i umieść ją w zlewce. Ciemnym osadem na bibule filtracyjnej jest tlenek miedzi, który należy pozostawić do wyschnięcia na dzień lub dwa, zanim zostanie użyty w następnej reakcji.
- Posprzątaj po eksperymencie. Najpierw opróżnić ciecz z kolby filtracyjnej do zlewki na odpady wodne. Następnie przetestuj odpady wodne za pomocą bibuły pH. nuta: Wszelkie odpady, które są wyższe niż pH 10, należy zneutralizować kwasem cytrynowym. Wszelkie odpady poniżej pH 4 należy zneutralizować sodą oczyszczoną.
- Zneutralizuj niewykorzystane NaOH kwasem cytrynowym, a następnie wlej je do kanalizacji dużą ilością wody. Wszystko, co zawiera czarne cząstki, wskazuje na obecność tlenku miedzi i powinno być wyrzucone do pojemnika z ciężkim metalowym bębnem.
Wytwarzanie tlenku miedzi
Tlenek miedzi wytworzony w poprzedniej sekcji laboratoryjnej jest nierozpuszczalny w wodzie, ale może być rozpuszczony w kwasie siarkowym. W takim przypadku kationy miedzi (2+) i aniony siarczanowe są ponownie wprowadzane w reakcji podwójnego przemieszczenia. Po dodaniu w ostatnim etapie jony miedzi (2+) są redukowane do stałej miedzi w pojedynczej reakcji przemieszczenia.
- Załóż odpowiedni sprzęt ochronny, taki jak fartuch laboratoryjny, rękawice i gogle do rozpryskiwania chemikaliów.
- Zdobądź wysuszony tlenek miedzi, który został przygotowany w ostatnim ćwiczeniu laboratoryjnym i usuń jak najwięcej tlenku miedzi z bibuły filtracyjnej za pomocą gumowego policjanta. Umieść ciało stałe i bibułę filtracyjną z powrotem w tej samej zlewce o pojemności 400 ml, w której była przechowywana.
- Oznacz butlę z podziałką 10 ml jako '5.93 M kwasu siarkowego' i uzyskaj 8 ml kwasu siarkowego od instruktora. Przykryj cylinder z podziałką szkiełkiem zegarkowym i ostrożnie przenieś kwas siarkowy do okapu. nuta: Wykonaj następny krok eksperymentu w okapie.
- Użyj plastikowej pipety, aby dodać około 5 ml kwasu siarkowego bezpośrednio na bibułę filtracyjną w zlewce.
- Następnie, przytrzymaj bibułę filtracyjną pęsetą i użyj metalowej szpatułki, aby zeskrobać jak najwięcej ciała stałego, bez rozrywania bibuły filtracyjnej. Do wypłukania tlenku miedzi użyj jak najmniejszej ilości kwasu siarkowego, ponieważ nadmiar kwasu siarkowego będzie wymagał później więcej.
- Wypłucz tlenek miedzi z bibuły filtracyjnej 2 ml wody dejonizowanej i dodaj trochę więcej wody dejonizowanej do zlewki. Po usunięciu tlenku miedzi z bibuły filtracyjnej należy wyrzucić bibułę filtracyjną jako odpad stały.
- Mieszaj roztwór, aż tlenek miedzi całkowicie się rozpuści. Jeżeli ciało stałe nie rozpuści się, umieścić zlewkę na płycie grzejnej i podgrzać ją do temperatury około 60 °C.
- Dodaj 3 - 5 ml wody i mieszaj do rozpuszczenia. Uważaj, aby nie przekroczyć tej temperatury, ponieważ ciecz może wyparować, pozostawiając osad siarczanu miedzi.
- Zważ 1,2 g i zapisz dokładną masę w swoim notatniku laboratoryjnym.
- Powoli dodaj połowę do roztworu. Zmiażdż i wymieszaj za pomocą mieszadła, aby całkowicie rozpuścić wszystkie cząstki. Roztwór powinien być bezbarwny. Jeśli kolor jest nadal obecny, dodaj więcej, aż kolor zniknie.
- Gdy kolor całkowicie zniknie, zważ pozostały na szalce i odejmij go od pierwotnej masy, aby uzyskać masę użytego. Tutaj zareagował z siarczanem miedzi, tworząc siarczan i stałą miedź.
- Zdekantować supernatant z twojego roztworu do pojemnika z napisem 'odpady wodne'. Następnie rozgrzej płytę grzejną do 40 °C. Zaopatrz się w 10 ml 6 M kwasu solnego od instruktora w oznakowanym cylindrze z podziałką. Zakryj otwór butli szkiełkiem zegarkowym i przynieś kwas z powrotem do okapu.
- Dodaj 5 ml kwasu solnego do pozostałego osadu, aby rozpuścić obecny w stałej miedzi.
- Umieść zlewkę na rozgrzanej płycie grzejnej i podgrzewaj roztwór przez 2 minuty. Obserwowane tutaj bulgotanie to reakcja neutralizacji zachodząca w celu rozpuszczenia. Upewnij się, że reakcja się nie zagotuje. Następnie wyłącz ustawienie grzania na płycie grzejnej.
- Gdy bulgotanie ustąpi, dodaj 2 - 3 ml dodatkowego kwasu solnego. Kontynuuj dodawanie kwasu w odstępach co 1 ml, aż bulgotanie całkowicie ustanie.
- Zdekantować supernatant, przemyć osad 5 - 10 ml wody i zdekantować pozostały supernatant. nuta: Jeśli cząsteczki miedzi są zbyt małe, aby zdekantować ciecz bez ich utraty, należy ustawić aparat lejkowy Büchnera z bibułą filtracyjną i bez próżni. Przelej roztwór przez lejek, aby cząstki zostały zatrzymane na bibule filtracyjnej, a następnie włóż cząstki z powrotem do zlewki. Powtórz kroki prania i dekantacji jeszcze dwa razy.
- Zamień bibułę filtracyjną w lejku Büchnera na świeżą i lekko zwilż ją wodą. Następnie włącz na chwilę odkurzacz, aby filtr ustabilizował się na swoim miejscu.
- Dodaj około 5 ml wody do osadu miedzi, a następnie wlej ją do lejka w środku bibuły filtracyjnej. Delikatnie wymieszaj miedź, aby usunąć zanieczyszczenia, uważając, aby nie rozerwać bibuły filtracyjnej.
- Włącz odkurzacz i pozwól mu pracować przez 2 minuty.
- Zamknij próżnię i odłącz rurkę od kolby. Wyjąć lejek i wyrzucić płyn do pojemnika na odpady wodne.
- Podłącz ponownie zestaw lejka Büchner i ponownie podłącz rurkę próżniową.
- Zdobądź około 10 ml metanolu i wlej 3 ml na miedź w lejku. Następnie włącz odkurzacz i pozostaw miedź do wyschnięcia na 2 minuty.
- Wysusz osad metanolem jeszcze dwa razy, uruchamiając odkurzacz po każdym praniu. Podczas ostatniej fazy suszenia umieść duży gumowy korek na lejku Büchnera i pozwól próżni pracować przez 5 minut. Następnie zamknij odkurzacz i odłącz rurę próżniową.
- Usuń duży korek i pozostaw miedziane powietrze do wyschnięcia na 30 minut.
- Oznacz pustą zlewkę jako 'odpady organiczne' i wlej płyn z kolby filtrującej do pojemnika na odpady organiczne.
- Wytaruj pustą szalkę wagową i przenieś na nią jak najwięcej miedzi z bibuły filtracyjnej. Zważ miedź i zapisz jej masę.
- Posprzątaj po ćwiczeniu laboratoryjnym. Odpady organiczne i nadmiar metanolu należy utylizować do pojemnika na odpady organiczne. Przetestuj odpady wodne za pomocą bibuły pH i zneutralizuj je kwasem cytrynowym w celu uzyskania wysoce zasadowego pH lub sodą oczyszczoną w celu uzyskania kwaśnego pH.
- Zutylizuj ciecz supernatantową do pojemnika na odpady z ciężkiego metalu, ponieważ zawiera. Niewykorzystany kwas siarkowy i kwas solny należy zneutralizować sodą oczyszczoną, a następnie umyć dużą ilością wody w zlewie.
Wyniki
- Określ, czy produkt jest czysty. Rozprowadzić część produktu na wskazującym środku osuszającym w celu zbadania obecności metanolu. Środek osuszający zmieni kolor z niebieskiego na turkusowy, jeśli obecny jest metanol.
- Upuść kilka kropli 6 M HCl na produkt, aby sprawdzić, czy zareaguje z resztkami NaOH. Jeśli NaOH jest obecny, zobaczysz bulgotanie.
- Jeśli produkt jest miedziany, powinien wyglądać jak ciemnoczerwone granulki. Jeśli produkt jest, nie udało Ci się wytworzyć miedzi, a zamiast tego wytworzyłeś tlenek miedzi.
- Oblicz procentowy uzysk, używając początkowej i końcowej masy miedzi. Wydajność procentowa to stosunek rzeczywistego uzysku, w tym przypadku końcowej masy miedzi, do uzysku teoretycznego, czyli masy początkowej miedzi, pomnożonej przez 100. Niemożliwe jest uzyskanie procentowej wydajności większej niż 100. Jeśli tak się stanie, wystąpił błąd w obliczeniach — lub produkt był nadal mokry — co zwiększyło wagę.