NGUYÊN TỐ ĐỒNG
(Cu)
I. Đơn Chất
1. Lý Tính
Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ,mềm, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao

Kim loại
Nđnc,0C
Nđs,0C
Nhiệt thăng hoa,kJ/mol
Tỉ khối
Độ cứng
(thang Moxơ)
Độ dẫn điện
(Hg=l)
Độ dẫn nhiệt
(Hg=l)
Cu
1083
2543
339,6
8,94
3,0
57
36

Đồng dễ tạo hợp kim với kim loại khác,dễ tạo nên hỗn hống với thủy ngân.
Những hợp kim quan trọng của Đồng :
Bronzơ (đồng thiếc) : chứa 10%Sn. Bronzơ cứng và dễ nóng chảy hơn nên được thay thế đồng, được dung rộng rãi để đúc trống, chuông, súng đại bác, tượng…
Đồng thau: chứa 18-40% Zn, rẻ tiền hơn bronzơ , dễ chế hóa cơ học và bền hơn với hóa chất, được dùng để làm ống tản nhiệt, chi tiết máy, nồi hấp, vòi nước, vòi khí, tay nắm cửa ra vào, bảng lề…Đồng thau có thêm Al có dạng bề ngoài giống vàng, được dùng làm huy hiệu và biểu tưởng.
Menchio: chứa 29-33%, bền với nước biển, với hơi hóa nhiệt và với những tác nhân ăn mòm khác, được dùng trong ngành chế tạo tàu thủy, dùng để làm những dụng cụ cơ khí chính xác và đồ dùng gia đình, thìa, đĩa…
Naayzinbe: chứa 13,5-16,5% Ni và 18-22% Zn có màu trắng bạc đẹp và bền với các dung dịch muối và axit hữu cơ, được dùng để làm những dụng cụ y tế, đồ mỹ nghệ.
Constantan, manganin, nikelin đều là hợp kim của đồng. Hợp kim dùng để đúc tiền là hợp kim của đồng và Al hoặc Ni hoặc Ag.

2. Hóa Tính:

Nguyên tố (E)
Số thứ tự nguyên tử
Cấu hình electron hóa trị
Năng lượng ion hóa,eV
Bán kính nguyên tử Ao
Thế điện cực,V



I1
I2
I3


Cu
29
3d104s1
7,72
20,29
36,9
1,28
+0,337(Cu2+/Cu)

Cu là kim loại kém hoạt động.
Ở nhiệt độ thường và trong không khí, đồng bị bao phủ bởi 1 lớp màng màu đỏ gồm đồng kim loại và đồng (I) oxit. Oxit này được tạo bởi những phản ứng :

2Cu + O2 +2H2O = 2Cu(OH)2
Cu(OH)2 + Cu = Cu2O +H2O

Nếu trong không khí có CO2­­ , đồng bị bao phủ dần 1 lớp màu lục gồm cacbonat bazơ Cu(OH)2CO3 (rỉ đồng thường gọi là tanh đồng).
Khi đun núng trong không khí ở 130oC: đồng tạo màng Cu2O trên bề mặt.
200oC: tạo lớp Cu2O và CuO
Ở nhiệt độ nóng đỏ đồng cháy tạo nên CuO và cho ngọn lửa màu lục.
Ở nhiệt độ thường, đồng không tác dụng với Flo bởi vì màng CuF2 được tạo nên rất bền sẽ bảo vệ đồng. Với Clo, đồng tác dụng khi nung nóng tạo nên muối CuCl2 .
Khi nung nóng, đồng tác dụng với S, C, P, As…
Đồng không tác dụng với các dung dịch axit. Nhưng đồng tác dụng với dụng dịch HI giải phóng khí H2 nhờ tạo thành chất ít tan. Đồng có thể tác dụng với dung dịch HCN đậm đặc giải phóng H2 nhờ tạo thành những anion phức bền {Cu(CN)2}- .

2Cu + HCN = 2H[Cu(CN)2] + H2
Đồng tan trong HNO3 và H2SO4 đậm đặc.

Cu + 4HNO3(đ) = Cu(NO3)2 + 2NO + 2H2O

Cu + 2H2SO4(đ) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Khi có mặt oxi không khí, đồng có thể tan trong dung dịch HCl và dung dịch NH3 đặc, đồng còn có thể tan trong dung dịch xianua kim loại kiềm.

2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O

2Cu + 8NH3 + O2 + 2H2O = 2[Cu(NH3)4](OH)2

4Cu + 8KCN + 2H2O + O2 = 4K[Cu(CN)2] + 4KOH

3. Điều Chế :
Từ xưa dùng quặng giàu để luyện đồng , mãi đến thế kỉ XIX còn được dùng những quặng chứa 15% Cu hay hơn nữa. Ngày nay đồng được luyện từ quặng nghèo chỉ chứa từ 1-2% Cu. Bởi vậy công nghệ luyện đồng khá phức tạp và trải qua nhiều giai đoạn:
Tuyển quặng: trước tiên quặng đồng,ví dụ cancopirit chẳng hạn, được nghiền nhỏ và làm giàu bằng phương pháp tuyển trọng lực rồi bằng phương pháp tuyển nổi. Tính quặng thu được sau khi đã làm giàu thường chứa đến 12% Cu.
Đốt tinh quặng ở 800-850oC trong lò nhiều tầng giống như lò đốt pirit của dây chuyền sản xuất axit sunfuric. Sauk hi đốt, lượng S trong quặng được giảm bớt nhờ những phản ứng :
2CuFeS2 + O2 = Cu2S + 2FeS + SO2

2FeS2 + 5O2 = 2FeO + 4SO2

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2
Hai phản ứng đầu xảy ra hoàn toàn, phản ứng xảy ra 1 phần . Sản phẩm thu được ở lò đốt này có thành phần ứng với hỗn hợp Cu2S, FeS và FeO.
Nấu chảy ở 1200-1500oC sản phẩm bên trong lò phản xạ, có cho them cát để tạo xỉ với FeO:
FeO + SiO2 = FeSiO3 (xỉ)
Xỉ sắt silicat tương đối nhẹ hơn nên nổi lên trên và lien tục chảy ra khỏi lò còn sản phẩm nóng cháy có thành phần ứng với hỗn hợp Cu2S và FeS, nặng hơn nằm dưới lớp xỉ, được tháo ra khỏi lò theo chu kì . Sản phẩm đó được gọi là stein.
Chuyển stein nóng chảy vào lò thổi kiểu lò Besme, cho thêm cát vào thổi khí oxi vào lò , nhiệt độ của lò được giữ ở 1300oC . Ở đây xảy những phản ứng :

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2
FeO + SiO2 = FeSiO3 (xỉ)
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

Hai phản ứng đầu xảy ra hoàn toàn , phản ứng thứ ba xảy ra 1 phần .
Giai đoạn tiếp theo cũng được thực ở trong lò thổi nhưng không được thổi khí oxi vào lò. Kết quả là đồng (I) trong Cu2O và Cu2S bị lưu huỳnh ở dạng sunfua khử thành đồng kim loại:
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2

Đồng thô thu được chứa 90-95% Cu và các tạp chất.
Tinh chế đồng thô trước tiên bằng phương pháp đốt: chuyển đồng thô lỏng trở lại lò phản xạ và thổi không khí để oxi hóa tạp chất:

4Sb + 3O2 = 2Sb2O3

2Pb + O2 = 2PbO

2Zn + O2 = 2ZnO

Một phần đồng cũng bị oxi hóa :
4Cu +O2 = 2Cu2O

Cho thêm cát vào lò để chuyển tạp chất thành xỉ. Để chuyển Cu2O trở lại thành Cu, người ta trộn đồng thô lỏng với than gỗ:
Cu2O + C = 2Cu + C

Đồng đỏ thu được chứa 95-98% Cu. Để có đồng tinh khiết cần phải tinh chế theo phương pháp điện phân. Người ta điện phân dung dịch CuSO4 ( có cho thêm H2SO4) với cực âm là những lá đồng tinh khiết và cực dương là những thổi đồng đỏ. Kết quả là cực dương tan ra và những tạp chất kim loại đứng trước Cu ở trong dãy điện thế có trong đồng đỏ đi vào dung dịch dưới dạng muối sunfat còn những tạp chất là kim loại đứng sau Cu lắng xuống đáy bình điện phân dưới dạng bùn. Bùn âm cực có chứa Ag, Au, Pt, đồng selenua và đồng telerua. Giá của những kim loại quý trong bùn đó hoàn toàn đủ bù trừ cho chi phí của quá trình điện phân. Ở những cực âm thu được đồng tinh khiết chứa đến 99,99% Cu. Loại đồng điện phân đó được dùng làm dây dẫn.
Một lượng nhỏ đồng được điều chế từ quặng nghèo theo phương pháp thủy luyện: chế hóa quặng với những dung dịch khác nhau để được muối đồng. Ví dụ người ta chế hóa quặng chứa Cu2S bằng dung dịch Fe2(SO4)3:

Cu2S + 2Fe2(SO4)3 = 4FeSO4 + 2CuSO4 + S

Hoặc chế hóa quặng chứa cacbonat hay oxit đồng bằng dung dịch H2SO4 loãng. Dau đó dùng bột sắt để kết tủa đồng kim loại từ dung dịch muối đồng.




II. Hợp chất với số oxi hóa quan trọng
Đồng có 3 số oxi hóa là +1, +2, +3. trong đó số oxi hóa +1 và +2 bền và phổ biến hơn.
Đồng (I)
1.Tính chất
Hợp chất đồng (I) có tính thuận từ và không có màu do không có hiện tượng chuyển dời electron d-d, trừ trường hợp anion có hoặc hiện tượng chuyển dịch electron từ anion sang cation.
Độ bền tương đối của Cu(I) và Cu(II) trong dung dịch nước được xác định bởi giá trị thế :

Cu+ +1e = Cu (r) Eo = 0,52 V
Cu2+ + 1e = Cu+ Eo = 0,153V
Từ đó ,ta có :
Cu(r) + Cu2+ = 2Cu+ Eo = - 0,37V
Hay

Độ bền của Cu(I) phụ thuộc rất mạnh vào bản chất của anion và sự hiện diện của các phối tử. Trong nước, Cu+ chỉ có thể tồn tại tối đa khoảng 10-2 mol/L và có khuynh hướng chuyển thành Cu và CuII . Tuy nhiên , trong dung dịch iodua , xyanua, (CH3)2S hợp chất đồng (I) được hình thành do tạo thành hợp chất ít tan, và tạo phức bền. Ion CuI có ái lực đặc biệt mạnh với axetonitrin, CH3CN. Trong CH3CN, các đồng (I) halogen tan rất mạnh còn CuII trở thành chất oxi hóa mạnh.

Đồng (II)
1.Tính chất:
Trạng thái oxy hóa +2 là rất đặc trưng với đồng . Có rất nhiều hợp chất đồng(II). Các hợp chất đồng (I) dễ dàng bị oxy hóa thành Cu(II), nhưng sự oxy hóa thêm nữa thành Cu(III) thì rất khó khăn .
Đồng oxit (CuO) là chất bột màu đen có kiến trúc tinh thể chưa biết được chính xác nóng chảy ở 1026oC và trên nhiệt độ đó mất bớt õi biến thành Cu2O
Đồng (II) oxit không tan trong nước nhưng tan dễ trong dung dịch axit tạo thành muối Cu(II) và trong NH3 tạo thành phức amoniacat :

CuO + HCl = CuCl2 + H2O
CuO + 4NH3 + H2O = [Cu(NH3)4](OH)2

Người ta lợi dụng phản thứ hai để loại khí O2 ra khỏi các khí : cho khí cần tinh chế đi qua bình đựng phoi đồng đã đổ ngập dung dịch NH3, khí O2 là tạp chất sẽ tác dụng với phoi đồng tạo thành CuO và CuO tan trong dung dịch NH3 nên oxi tiếp tục tác dụng với phoi đồng.
Khi đun nóng với dung dịch SnCl2, FeCl2, đồng (II) oxi hóa bị khử thành muối đồng (I):

2CuO + SnCl2 = CuCl2 +SnO2
3CuO + 2FeCl2 = 2CuCl + CuCl2 + Fe2O3



Khi đun nóng, CuO dễ bị các khí H2, CO, NH3 khử thành kim loại


CuO + CO = Cu + CO2

Tính lưỡng tính của CuO thể hiện khi tan trong kiềm nóng chảy tạo thành cuprit:
M2+1CuO , M2+2CuO3, và cả M+1CuO2 được để làm gốm siêu dẫn với nhiệt độ ~90K
Đồng (II) hidroxit (Cu(OH)2) là kết tủa bong màu lam, dễ mất nước biến thành oxit khi đun nóng trong dung dịch.

Không tan trong nước nhưng tan dễ dàng trong dung dịch axit , dung dịch NH3 đặc và chỉ tan trong dung dịch kiềm 40% khi đun nóng.

Vd: Cu(OH)2 + 2NaOH = Na2[Cu(OH)4]

Dung dịch màu chàm của tetraammin đồng hidroxit có khả năng hòa tan nitroxenlulozo, xenlulozo và được gọi là nước Suaayze. Khi pha loãng với nước hay thêm axit vào dung dịch trên, xenlulozo lại kết tủa . Nước Suâyze được dùng vào việc sản xuất sợ nhân tạo.

2.Ứng dụng :

Đồng (II) oxit được dùng để tạo màu lục cho thủy tinh và men. Thủy tinh có chứa keo đồng có màu đỏ thắm .
Nước Suâyze được dùng vào việc sản xuất sợ nhân tạo.


III. Khả năng tạo phức ứng với các số oxi hóa quan trọng
1.Phức chất của đồng (I):
Phức chất phổ biến nhất của đồng (I) là phức với các phối tử halogenua, amin.
Các phức chất của đồng (I) với Cl-, NH3, CN-, S2O32- đều không màu. Phức chất của Cu(I) với NH3 tương đối bền.

Đặt biệt, phức của Cu(I) với CN- rất bền . Chính vì vậy mà trong CN- dư, Cu((II) bị khử về Cu(I).

2Cu2+ + 6KCN = 2K[Cu(CN)2] + (CN)2 + 4K+

2.Ứng dụng

Phức chất amoniacat của đồng (I) được để loại khí oxi khỏi các khí hiếm.
Phức chất dạng dime [CuClCOH2O]2 khi đun núng , phức chất phân hủy giải phóng khí CO nên dung dịch CuCl được dùng để tinh chế khí.
Dung dịch CuCl trongb HCl có thể hấp phụ khí PH3 tạo nên phức chất [Cu(PH3)]Cl . Dung dịch CuCl trong NH3 có khả năng hấp thụ axetylen hay những hợp chất hữu cơ R-C=-C-R tạo nên Cu2C2 hay R-C=-C-Cu là những kết tủa màu đỏ dễ phân hủy nổ khi đun nóng .

Phức chất đồng (II)

Ion Cu2+ là chất tạo phức mạnh . Những ion phức quen thuộc của Cu2+ là [CuX3]-,
[CuX3]2- ( trong đó X = F,Cl, Br ) , [Cu(NH3)4]2+, [Cu(C2O4)2]2-, [Cu(en)2]2+( trong đó en là etylenđiamin H2-CH2-CH2-NH2 ).

Khi thêm NH3 vào dung dịch nước của muối Cu (II), những phân tử H2O trong [Cu(H2O)6]2+ lần lượt bị thay thế dễ dàng bởi những phân tử NH3 tạo nên những ion phức [Cu(H2O)6]2+...,…,…,[Cu(NH3)4(H2O)2]2+ nhưng việc đưa tiếp vapf ion phức những phân tử NH3 thứ năm, thứ sáu gặp khó khăn. Trong dung dịch nước nói không phát hiện được một lượng rõ rệt của ion phức với sáu phân tử NH3. Ion phức hexaamin [Cu(NH3)6]2+ chỉ có thể tạo nên trong ammoniac lỏng. Tính chất bất thường đó có liên quan với hiệu ứng Jan-Telơ .
Kết quả của hiệu ứng đó là ion Cu2+ liên kết yếu với phối tử thứ năm và phối tử thứ sáu , cả khi phối tử đó là H2O. Tương tự như vậy khi thêm dư etylenđiamin vào dung dịch muối Cu(II) người ta cũng chỉ thu được[Cu(en)2(H2O)2]. Liên kết của Cu với hai phân tử H2O ở trong [Cu(NH3)4(H2O)2]2+, và [Cu(en)2(H2O)2]2+ đều yếu (yếu hơn so với liên kết tương ứng ở trong [Cu(H2O)6]2+ đến mức có thể coi như không có . Bởi vậy những ion phức của Cu2+ với NH3 và etylenđiamin trên đây thường được biểu diễn bởi công thức [Cu(NH3)4]2+ và [Cu(en)2]2+ với sự biến đổi màu từ xanh lam của [Cu(H2O)6]2+ đến màu xanh chàm của [Cu(NH3)4]2+ và xanh chàm đậm của [Cu(en)2]2+ là gây nên bởi sự tăng trường phối tử từ H2O, NH3 đến en đã làm chuyển dịch dải hấp thụ từ vùng đỏ xa về vùng đỏ trung bình của quang phổ trông thấy.

Đồng (II) clorua có thể tạo với đồng clorua kim loại kiềm và anion những phức chất M[CuCl3] và M2[CuCl4]. Đáng chú ý là ion [CuCl4]2- có cấu hình vuông, trong (NH4)2[CuCl4] màu vàng nhưng có cấu hình tứ diện dẹt, trong Cs2[CuCl4] màu da cam.

Pentadihirat CuSO4.5H2O là những tinh thể tam tà màu xanh lam, khi tác dụng với khí NH3, Pentadihirat tạo nên tinh thể [Cu(NH3)4SO4.H2O màu chàm đậm.
Nước Felinh là dung dịch của CuSO4 và kali natri tarat (KNaC4H4O6) trong dung dịch NaOH 10% có màu chàm đậm của ion phức [Cu(C4H4O6)]2- , được dùng làm thuốc thử để phát hiện anđehit hay monosacarit trong hóa học hữu cơ. Khi đun nóng với những chất đó , từ nước Felinh màu xanh chàm sẽ xuất hiện kết tủa đỏ của Cu2O.
Nước Felinh được dùng y học để xác định hàm lượng đường trong nước tiểu của người mắc bệnh đái đường .