Сульфат меди(II)

Сульфат меди(II)
Общие
Систематическое наименование	Меди(II) сульфат
Традиционные названия	5-гидрат: медный купорос
Химическая формула	CuSO4
Эмпирическая формула	O4SCu
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	кристаллическое
Отн. молек. масса	159,61 а. е. м.
Плотность	3,64 г/см³
Твёрдость	2[уточнить]
Термические свойства
Температура разложения	выше 650 °C
Химические свойства
pKa	5·10−3
Структура
Координационная геометрия	Октаэдрическая
Кристаллическая структура	безв. — ромбическая пентагидрат — триклинная пинакоидальная тригидрат — моноклинная
Классификация
Рег. номер CAS	7758-98-7
RTECS	GL8800000
Безопасность
ПДК	в воздухе: мр 0,009, сс 0,004; в воде: 0,001
ЛД50	крысы: 612,9 мг/кг
Токсичность	малотоксичен
NFPA 704	0 1 0

Сульфа́т ме́ди(II) (медь серноки́слая) — неорганическое бинарное соединение, медная соль серной кислоты с формулой CuSO₄. Нелетучее, не имеет запаха. Безводное вещество бесцветное, непрозрачное, очень гигроскопичное. Кристаллогидраты — прозрачные негигроскопичные кристаллы различных оттенков синего с горьковато-металлическим вкусом, на воздухе постепенно выветриваются (теряют кристаллизационную воду). Сульфат меди(II) хорошо растворим в воде. Из водных растворов кристаллизуется голубой пентагидрат CuSO₄·5H₂O — медный купоро́с. Токсичность медного купороса для теплокровных животных относительно невысокая, в то же время он высокотоксичен для рыб.

Реакция гидратации безводного сульфата меди(II) экзотермическая и проходит со значительным выделением тепла.

В природе встречается в виде минералов халькантита (CuSO₄·5H₂O), халькокианита (CuSO₄), бонаттита (CuSO₄·3H₂O), бутита (CuSO₄·7H₂O) и в составе других минералов.

Обладает дезинфицирующими, антисептическими, вяжущими свойствами. Применяется в медицине, в растениеводстве как антисептик, фунгицид или медно-серное удобрение.

Получение

В промышленности

В промышленности загрязненный сульфат меди(II) получают растворением меди и медных отходов в разбавленной серной кислоте H₂SO₄ при продувании воздуха:

$\mathsf{2Cu + O_2 +2H_2SO_4 \rightarrow 2CuSO_4 + 2H_2O}$,

растворением оксида меди(II) CuO в H₂SO₄:

$\mathsf{CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O}$,

сульфатизирующим обжигом сульфидов меди и как побочный продукт электролитического рафинирования меди.

В лабораторных условиях

В лаборатории CuSO₄ можно получить действием концентрированной серной кислоты на медь при нагревании:

$\mathsf{Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}$;

температура не должна превышать 60 градусов Цельсия, в противном случае в значительных количествах образуется побочный продукт — сульфид меди(I):

$\mathsf{5Cu + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CuSO_4 + Cu_2S\downarrow + 4H_2O}$.

Также в лабораторных условиях сульфат меди (II) может быть получен реакцией нейтрализации гидроксида меди(II) серной кислотой (для получения сульфата меди высокой чистоты используют соответственно реактивы высокой степени очистки):

$\mathsf{Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O}$.

Чистый сульфат меди может быть получен по следующему рецепту. В фарфоровую чашку наливают 120 мл дистиллированной воды, прибавляют 46 мл ХЧ серной кислоты (плотностью 1,8 г/см3) и помещают в смесь 40 г чистой меди (например, электролитической). Затем нагревают до 70-80 °С и при этой температуре в течении часа постепенно, порциями по 1 мл, прибавляют 11 мл конц. азотной кислоты. Если медь покроется кристаллами, прибавить 10-20 мл воды. Когда реакция закончится (прекратится выделение пузырьков газа), остатки меди вынимают, а раствор упаривают до появления на поверхности пленки кристаллов и дают остыть. Выпавшие кристаллы следует 2-3 перекристаллизовать из дистиллированной воды и высушить.

Очистка

Очистить загрязненный или технический сульфат меди можно перекристаллизацией — вещество растворяется в кипящей дистиллированной воде до насыщения раствора, после чего охлаждается до приблизительно +5 °С. Полученный осадок кристаллов отфильтровывается. Однако даже многократная перекристаллизация не позволяет избавиться от ионов железа, которые являются наиболее распространенной примесью в сульфате меди.

Для полной очистки медный купорос кипятят с перекисью свинца PbO₂ или перекисью бария BaO₂, пока отфильтрованная проба раствора не покажет отсутствия железа. Затем раствор фильтруют и упаривают до появления на поверхности пленки кристаллов, после чего охлаждают для кристаллизации.

По Н. Шоорлю очистить сульфат меди можно так: к горячему раствору CuSO₄ прибавить небольшие количества перекиси водорода H₂O₂ и гидроксида натрия NaOH, прокипятить и отфильтровать осадок. Выпавшие из фильтрата кристаллы дважды подвергаются перекристаллизации. Полученное вещество имеет чистоту не ниже квал. ХЧ.

Глубокая очистка

Существует более сложный способ очистки, позволяющий получить сульфат меди особой чистоты, с содержанием примесей около 2·10^-4 %.

Для этого готовится водный, насыщенный при 20°С раствор сульфата меди (вода используются только бидистиллированная). В него добавляют перекись водорода в количестве 2-3 мл 30% раствора на 1 литр, перемешивают, вносят свежеосаждённый основной карбонат меди в количестве 3-5 грамм, нагревают и кипятят 10 минут для разложения H₂O₂.

Затем раствор охлаждают до 30-35 °С, фильтруют и приливают 15 мл 3%-ного раствора диэтилдитиокарбамата натрия и выдерживают на мешалке три-четыре часа не понижая температуры. Далее раствор быстро процеживают от крупных хлопьев комплексов и вносят активированный уголь БАУ-А на пол часа при перемешивании. Затем раствор следует отфильтровать вакуумным методом.

Дальше в раствор CuSO₄ приливают на 1 л около 200 мл насыщенного раствора NaCl квал. Ч и вносят чистый алюминий в проволоке или обрезках до полного прохождения реакции, выделения меди и просветления раствора (при этом выделяется водород). Выделенную медь отделяют от алюминия взбалтыванием, осадок промывают декантацией сперва водой затем заливают горячим 5-10% раствором соляной кислоты ХЧ при взбалтывании в течение часа и постоянным подогревом до 70-80°С, затем промывают водой и заливают 10-15%-ной серной кислотой (ОСЧ 20-4) на час с подогревом при том же интервале температур. От степени и тщательности промывания кислотами, а так же квалификации применяемых далее реактивов зависит чистота дальнейших продуктов.

После промывки кислотами медь снова моют водой и растворяют в 15-20%-ной серной кислоте (ОСЧ 20-4) без её большого избытка с добавлением перекиси водорода (ОСЧ 15-3). После прохождения реакции полученный кислый раствор сульфата меди кипятят для разложения избытка перекиси и нейтрализуют до полного растворения вначале выпавшего осадка перегнанным 25%-ным раствором аммиака (ОСЧ 25-5) или приливают раствор карбоната аммония, очищенного комплексно-адсорбционным методом до особо чистого.

После выстаивания в течение суток раствор медленно фильтруют. В фильтрат добавляют серную кислоту (ОСЧ) до полного выпадения голубовато-зелёного осадка и выдерживают до укрупнения и перехода в зелёный основной сульфат меди. Зелёный осадок выстаивают до компактности и тщательно промывают водой до полного удаления растворимых примесей. Затем осадок растворяют в серной кислоте, фильтруют, устанавливают рН=2,5-3,0 и перекристаллизовывают два раза при быстром охлаждении, причем при охлаждении раствор каждый раз перемешивают для получения более мелких кристаллов сульфата меди. Выпавшие кристаллы переносят на воронку Бюхнера и удаляют остатки маточного раствора с помощью водоструйного насоса. Третья кристаллизация проводится без подкисления раствора с получением чуть более крупных и оформленных кристаллов.

Физические свойства

Пентагидрат (медный купорос) — синие прозрачные кристаллы триклинной сингонии. Плотность 2,284 г/см³. При температуре 110 °С отщепляется 4 молекулы воды, при 150 °С происходит полное обезвоживание.

Строение кристаллогидрата

Структура медного купороса приведена на рисунке. Как видно, вокруг иона меди координированы два аниона SO₄²⁻ по осям и четыре молекулы воды (в плоскости), а пятая молекула воды играет роль мостиков, которые при помощи водородных связей объединяют молекулы воды из плоскости и сульфатную группу.

Растворимость CuSO₄, г/100 г H₂O

Термическое воздействие

При нагревании пентагидрат последовательно отщепляет две молекулы воды, переходя в тригидрат CuSO₄·3H₂O (этот процесс, выветривание, медленно идёт и при более низких температурах [в т.ч. при 20-25 °С]), затем в моногидрат (при 110 °С) CuSO₄·H₂O, и выше 258 °C образуется безводная соль.

Выше 650 °C становится интенсивным пиролиз безводного сульфата по реакции:

$\mathsf{2CuSO_4 \xrightarrow[]{^ot} 2CuO + 2SO_2 + O_2}$

Растворимость

Растворимость сульфата меди(II) по мере роста температуры проходит через плоский максимум, в течение которого растворимость соли почти не меняется (в интервале 80-200 °C). (см. рис.)

Как и все соли, образованные ионами слабого основания и сильной кислоты, сульфат меди(II) гидролизуется, (степень гидролиза в 0,01М растворе при 15 °C составляет 0,05 %) и даёт кислую среду (pH указанного раствора 4,2). Константа диссоциации составляет 5·10⁻³.

Химические свойства

Диссоциация

CuSO₄ — хорошо растворимая в воде соль и сильный электролит, в растворах cульфат меди (II) так же, как и все растворимые соли, диссоциирует в одну стадию:

$\mathsf{CuSO_4 \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}}$

Реакция замещения

Реакция замещения возможна в водных растворах сульфата меди с использованием металлов активнее меди, стоящих левее меди в электрохимическом ряду напряжения металлов.

$\mathsf{CuSO_4 + Zn \rightarrow Cu\downarrow + ZnSO_4}$

Реакция с растворимыми основаниями (щелочами)

Сульфат меди(II) реагирует с щелочами с образованием осадка гидроксида меди(II) голубого цвета:

$\mathsf{CuSO_4 + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + K_2SO_4}$

$\mathsf{Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow}$

Реакция обмена с другими солями

Сульфат меди вступает также в обменные реакции по ионам Cu²⁺ и SO₄^2-

$\mathsf{CuSO_4 + BaCl_2 \rightarrow CuCl_2 + BaSO_4\downarrow}$

$\mathsf{CuSO_4 + K_2S \rightarrow CuS\downarrow + K_2SO_4}$

Прочее

С сульфатами щелочных металлов и аммония образует комплексные соли, например, Na₂[Cu(SO₄)₂]·6H₂O.

Ион Cu²⁺ окрашивает пламя в зелёный цвет.

Производство и применение

Друза кристаллов пентагидрата сульфата меди(II) CuSO₄ · 5H₂O, выращенная в домашних условиях.

Монокристалл пентагидрата.

Сульфат меди(II) — важнейшая из солей меди. Часто служит исходным сырьём для получения других соединений.

Безводный сульфат меди — хороший влагопоглотитель и может быть использован для абсолютирования этанола, осушения газов (в т.ч. воздуха) и как индикатор влажности.

В строительстве водный раствор сульфата меди применяется для нейтрализации последствий протечек, ликвидации пятен ржавчины, а также для удаления выделений солей («высолов») с кирпичных, бетонных и оштукатуренных поверхностей, а также как антисептическое и фунгицидное средство для предотвращения гниения древесины.

В сельском хозяйстве медный купорос применяется как антисептик, фунгицид и медно-серное удобрение. Для обеззараживания ран деревьев используется 10%-ный раствор (100 г на 10 л), который втирается в предварительно зачищенные поврежденные участки. Против фитофтороза томатов и картофеля производятся опрыскивания посадок 0,2 % раствором (20 г на 10 л) при первых признаках заболевания, а также для профилактики при угрозе возникновения болезни (например, в сырую влажную погоду). Раствором сульфата меди поливается почва для обеззараживания и восполнения недостатка серы и меди (5 г на 10 л). Однако чаще медный купорос применяется в составе бордо́ской жидкости — основного сульфата меди CuSO₄·3Cu(OH)₂ против грибковых заболеваний и виноградной тли. Для этих целей сульфат меди(II) имеется в розничной торговле.

Также он применяется для изготовления минеральных красок, в медицине, как один из компонентов электролитических ванн для меднения и т. п. и как часть прядильных растворов в производстве ацетатного волокна.

В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E519. Используется как фиксатор окраски и консервант.

В пунктах скупки лома цветных металлов раствор медного купороса применяется для выявления цинка, марганца и магния в алюминиевых сплавах и нержавейке. При выявлении этих металлов появляются красные пятна.

Токсикология

Сульфат меди(II) является соединением с умеренной токсичностью и относится к классу опасности 4 (малоопасное вещество). Смертельная доза медного купороса составляет от 8 до 30 граммов для взрослого человека перорально (при проглатывании), в зависимости от массы, состояния здоровья, иммунитета к избытку меди и от других факторов. Острое отравление становится заметным при разовом потреблении более 0,5 г соединения внутрь (т.н. токсическая доза). LD₅₀ для крыс 612,9 мг/кг. Токсикология при поступлении аэрозолей через легкие более сложна.

Попадание на кожу сухого вещества безопасно, но его обязательно необходимо смыть. Аналогично при попадании растворов и увлажненного твердого вещества. При попадании в глаза необходимо обильно промыть их проточной водой (слабой струей). При попадании в желудочно-кишечный тракт твердого вещества или концентрированных растворов необходимо промыть желудок пострадавшего 0,1 % раствором марганцовки, дать выпить пострадавшему солевое слабительное — сульфат магния 1-2 ложки, вызвать рвоту, дать мочегонное. Кроме того, попадание в рот и ЖКТ безводного вещества может вызвать термические ожоги. Очень слабые растворы сульфата меди действуют как сильное рвотное средство и иногда применяются для вызова рвоты, когда под рукой нет более эффективных средств.

При работе с порошками и пудрой сульфата меди(II), следует соблюдать осторожность и не допускать их пыления, необходимо использовать маску или респиратор, а после работы вымыть лицо. Острая токсическая доза при вдыхании — 11 мг/кг. При попадании сульфата меди через дыхательные пути в виде аэрозоли нужно вывести пострадавшего на свежий воздух, прополоскать рот водой и промыть крылья носа.

Хранить вещество следует в сухом прохладном месте, в плотно закрытой жесткой пластиковой или стеклянной упаковке, отдельно от лекарств, пищевых продуктов и кормов для животных, в недоступном для детей и животных месте.

См. также

• Халькантит
• Сульфаты
• Медь
• Соединения меди
• Купорос
• Пищевые добавки
• Сульфат меди(I)