Характеристика, нахождение и получение

Благородные металлы: их находят в самородном виде и они не вытесняют водород из кислот.

1. Строение атомов и положение в ПС

Медь (Cu), серебро (Ag) и золото (Au) расположены в IB-группе (побочной подгруппе I группы) периодической системы. Все три элемента характеризуются так называемым «провалом электрона» — один электрон перескакивает с внешнего s-подуровня на предпоследний d-подуровень, полностью заполняя его.

Электронные конфигурации

+29Cu: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹ (провал электрона!)

+47Ag: [Kr]4d¹⁰5s¹ (провал электрона!)

+79Au: [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s¹ (провал электрона!)

Благодаря провалу электрона d-подуровень полностью заполнен (d¹⁰), а на внешнем уровне находится лишь один s-электрон. Это придаёт элементам некоторое сходство со щелочными металлами (один валентный электрон), однако гораздо более высокие энергии ионизации и малые радиусы атомов делают Cu, Ag и Au малоактивными металлами.

Важно для ЕГЭ

Провал электрона характерен для Cu, Ag, Au, Cr, Mo и ряда других d-элементов. Суть в том, что полностью заполненная d¹⁰ (или наполовину заполненная d⁵) конфигурация энергетически выгоднее, чем d⁹s² (или d⁴s²).

Вопрос 1: Электронное строение (Проскок электрона)

Проверка

Напишите электронную конфигурацию внешних слоев атома меди ($Cu$) и атома серебра ($Ag$). Какая особенность их объединяет?

Ответ: $Cu$: $3d^{10} 4s^1$. $Ag$: $4d^{10} 5s^1$.

Пояснение: У элементов подгруппы меди наблюдается "проскок" электрона: один электрон с s-подуровня переходит на d-подуровень для образования полностью заполненного (и энергетически выгодного) $d^{10}$-подуровня.

2. Физические свойства

Свойство	Медь (Cu)	Серебро (Ag)	Золото (Au)
Цвет	Золотисто-розовый	Серебристо-белый	Жёлтый
Электро- и теплопроводность	Отличная (2-е место)	Наивысшая среди металлов	Высокая (3-е место)
Пластичность и ковкость	Высокая	Высокая	Максимальная (до 0,1 мкм)
Плотность (г/см³)	8,92 (тяжёлая)	10,50 (тяжёлое)	19,32 (очень тяжёлое)
t° плавления	1083°C (тугоплавкая)	962°C	1064°C (тугоплавкое)

Интересный факт

Серебро — лучший проводник электричества и тепла среди всех металлов. Однако из-за высокой стоимости в электротехнике чаще используют медь (2-е место). Золото — самый ковкий металл: из 1 г можно вытянуть проволоку длиной более 3 км или раскатать в лист площадью около 1 м².

Вопрос 1: Физические свойства

Проверка

Какими выдающимися физическими свойствами обладают медь, серебро и золото по сравнению с другими металлами?

Ответ: Это металлы с самой высокой электропроводностью и теплопроводностью (рекордсмен — серебро, за ним медь и золото). Кроме того, они исключительно пластичны (особенно золото, из которого делают сусальное золото).

3. Нахождение в природе

Металл	Содержание и состояние в природе	Основные минералы (руды)
Медь (Cu)	Содержание ~0,005%. Часто встречается в самородном состоянии (в виде крупных самородков), но в основном добывается из сульфидных руд.	Халькопирит (медный колчедан) — CuFeS₂ (главная руда) Халькозин (медный блеск) — Cu₂S Малахит — (CuOH)₂CO₃ (ярко-зелёный) Азурит — Cu₃(OH)₂(CO₃)₂ (синий) Куприт — Cu₂O (красный)
Серебро (Ag)	Содержание ~7⋅10^-8%. Встречается как в самородном виде, так и в виде соединений, часто сопутствует свинцовым и медным рудам.	Аргентит (серебряный блеск) — Ag₂S Хлораргирит (роговое серебро) — AgCl
Золото (Au)	Содержание ~4⋅10^-9%. Встречается почти исключительно в самородном виде — зёрна, пластинки и самородки в кварцевых жилах и россыпях.	Самородное золото (часто с примесью Ag) Электрум — природный сплав Au и Ag

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Установите соответствие между минералом и его формулой:
1) Медный блеск (халькозин)
2) Медный колчедан (халькопирит)
3) Куприт

А) $Cu_2O$
Б) $Cu_2S$
В) $CuFeS_2$

Ответ: 1 - Б, 2 - В, 3 - А.

4. Способы получения

Пирометаллургия меди

Основной промышленный путь. Сульфидные руды обжигают, а затем восстанавливают (углеродом или водородом):

2CuS + 3O₂ t°→ 2CuO + 2SO₂ CuO + C t°→ Cu + CO

Растворы и электролиз

Гидрометаллургия включает вытеснение меди из растворов солей. Чистую медь получают электролизом:

CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu↓ 2CuSO₄ + 2H₂O электролиз→ 2Cu + O₂↑ + ...

Извлечение Ag и Au

Серебро и золото добывают цианидным процессом. Из руд их переводят в раствор комплексов и осаждают цинком:

4Ag + 8NaCN + 2H₂O + O₂ → 4Na[Ag(CN)₂] + 4NaOH 2Na[Ag(CN)₂] + Zn → Na₂[Zn(CN)₄] + 2Ag↓

Вопрос 1: Получение меди (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций получения меди (пирометаллургия и вытеснение):

$CuO + C \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
$CuO + H_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
$CuSO_4 + Fe \rightarrow \dots + \dots$

Ответ:

$2CuO + C \xrightarrow{t^\circ} 2Cu + CO_2\uparrow$
$CuO + H_2 \xrightarrow{t^\circ} Cu + H_2O$
$CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu\downarrow$ (более активное железо вытесняет медь)

5. Качественные реакции

Cu²⁺

Ионы меди (II)

Со щелочами

Выпадает голубой студенистый осадок Cu(OH)₂, который при нагревании теряет воду и превращается в чёрный CuO. CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Окрашивание пламени

Летучие соли (например, хлорид меди) окрашивают бесцветное пламя горелки в яркий зелёный цвет.

Избыток аммиака

Нерастворимые соединения меди переходят в ярко-синий (васильковый) аммиачный комплекс: Cu(OH)₂ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄](OH)₂

Ag⁺

Ионы серебра

Ион серебра — лучший реагент на галогенид-ионы. Все осадки нерастворимы в азотной кислоте, но по-разному реагируют с раствором аммиака:

Хлориды (Cl⁻)

Белый творожистый осадок.

Растворяется в NH₃!

Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓

Бромиды (Br⁻)

Бледно-жёлтый осадок.

Частично растворим.

Ag⁺ + Br⁻ = AgBr↓

Йодиды (I⁻)

Ярко-жёлтый осадок.

Не растворяется.

Ag⁺ + I⁻ = AgI↓

Лайфхак для ЕГЭ

Галогениды серебра — важнейшие качественные реакции на галогенид-ионы. Запомните порядок: AgCl — белый, AgBr — бледно-жёлтый, AgI — жёлтый. Все нерастворимы в кислотах, но AgCl растворяется в NH₃, AgBr — частично, AgI — не растворяется.

Вопрос 1: Качественные реакции

Проверка

Какого цвета водные растворы солей меди (II) и какой осадок выпадает при добавлении щелочи?

Ответ: Растворы солей $Cu^{2+}$ имеют голубой или синий цвет. При добавлении щелочи выпадает голубой студенистый осадок $Cu(OH)_2$.