Работают химические силы

Посмотрим на медь с точки зрения химика.

Медь подобна благородному серебру: она хорошо растворяется в концентрированных серной и азотной кислотах.

Правда, в случае растворения ее в серной кислоте необходимо еще и нагревание. К действию же разбавленных кислот, а также к соляной и уксусной кислоте медь очень стойка. Они на нее действуют лишь в присутствии кислорода. Во влажном воздухе медь медленно корродирует.

С кислородом медь образует два различных оксида. Если нагреть ее до 300-400 С, на ее поверхности появится пленка из CuO, а при более высоких температурах образуется Cu₂O. Это говорит о том, что медь может быть одновалентна и двухвалентна, то есть отдавать для образования своих химических соединений один или два электрона из верхнего слоя. Это очень ценное свойство. Его используют для изготовления так называемых купроксных выпрямителей электрического тока, где соединение меди работает как полупроводник.

Но более широко все-таки используют именно химическую стойкость меди. Ее очень часто применяют не только в различных химических аппаратах, но и везде, где особенно необходима стойкость в химически агрессивных средах. Например, медью покрывают даже поручни трапов на морских судах - ведь влажный, насыщенный мельчайшими капельками воды, морской воздух разъедает другие металлы. О высокой химической стойкости меди свидетельствует и то, что в так называемом электрохимическом ряду активности она стоит на одном из последних мест - после нее лишь идут благородные металлы и ртуть.

Можно только удивляться наблюдательности алхимиков, которые первыми обнаружили, что серебро из азотнокислых растворов осаждается медью. Это наблюдение сыграло впоследствии большую роль для установления электрохимического ряда напряжений металлов.

Арабским алхимикам с X века был известен способ осаждения меди и в виде так называемой цементной меди из раствора ее сульфата посредством железа - реакция, аналогичная предыдущей, которая приобрела большое значение уже в современной металлургии меди. И хотя алхимики долго верили в то, что как серебро, так и медь, осажденные из растворов, сотворены заново, тем не менее эти реакции способствовали развитию химии.

Помните, мы рассказывали об обстоятельствах, при которых могла родиться идея превращения металлов друг в друга, когда в воду старого медного рудника падал железный предмет. Теперь мы можем точно объяснить, в чем тут дело. Железо химически активнее меди, поэтому оно быстро начинает замещать ее, скажем, в растворе того же медного купороса. В результате железо слегка растворится, а на его поверхности осядет тонкий слой меди. Подобные реакции очень интересны - с них началась вся электрохимия. Вспомним, к примеру, как работает простейший гальванический элемент - электрохимический источник тока.

Чтобы получить такой элемент, как это сделал Вольта, нужно взять, например, медную и цинковую пластинки, опустить их в склянку с раствором солей этих металлов, разделенную перегородкой, пропускающей ионы, и проводами соединить пластинки-электроды. Присоединенный к проводам прибор покажет наличие электрического тока в этом элементе. Точно такой по сути гальванический элемент можно собрать, использовав вместо цинковой железную пластинку. Вся разница в том, что медно-железный гальванический элемент создает меньшую электродвижущую силу (в электрохимическом ряду напряжений эти металлы стоят ближе), передача электронов от железа к меди слабее. Силу разных гальванических пар можно сопоставить, прибегнув, например, к аналогии с водопадом: мощь его зависит от высоты. В электрохимии эту "высоту" определяет дальность расположения металлов в ряду напряжений.

К весьма драматическим и порой даже трагическим событиям приводит незнание электрохимии меди. Норвежский сухогруз "Анатина", трюмы которого были заполнены очегь богатой медной рудой, направлялся северными морями к берегам Японии. В пути случилось несчастье - судно дало сильную течь. Сквозь изрядные пробоины вода хлынула в трюм. Виновницей катастрофы была не подводная скала и не жестокая северная волна, а медь! С железом стальной обшивки корпуса судна медь образовала весьма активную гальваническую пару. Морская вода, а поначалу ее пары, сыграла роль раствора... Произошло это совсем не в "темные" доисторические и донаучные века, а сравнительно недавно...

Некий американский миллионер вознамерился построить для морских прогулок яхту, какой еще не видел свет. Денег он не жалел. Но даже ему обшивка яхты из бумажных купюр наверное показалась ненадежной, и он решил вложить в нее побольше денег иным способом - обшивку он повелел сделать из так называемого монель-металла, того самого, что идет на изготовление "серебряных" монет. Этот сплав меди и никеля действительно очень стоек к химическому действию морской воды - тут, казалось бы, ошибки не было. Сказано - сделано. Однако механическая прочность сплава сильно уступает его антикоррозионным свойствам. Наиболее ответственные детали судостроителям пришлось изготовлять все-таки из стали - разумеется, самой лучшей! Яхта довольно долго простояла на приколе. Когда, наконец, было решено отправиться на морскую прогулку, перед глазами хозяина и гостей предстало печальное зрелище. Судно впору было демонстрировать на школьных уроках химии как наглядный образец работы гальванических пар, составленных из монель-металла и стали. Все стальные детали, которые должны были упрочнить корпус яхты, насквозь проржавели...

Мысленно восстановим картину случившегося. Для простоты будем считать монель-металл медью, а сталь - железом. Итак, соприкасающие медные и железные детали, находящиеся в электролите - морской воде, образовали обыкновенный гальванический элемент. Ионы железа активнее ионов водорода, поэтому железо стало вытеснять водород из морской воды. Но каждому атому железа, чтобы превратиться в ион, нужно отдать два электрона со своего внешнего уровня. В результате железная деталь, теряя в массе, приобретает отрицательный заряд. Ионы водорода тем временем скапливаются на поверхности медной детали и заряжают ее положительно. Так образуется между деталями разность потенциалов. Куска провода, чтобы замкнуть цепь, тут не требуется - ведь две электропроводные детали соприкасаются. Электроны устремляются с железной детали на медную, там соединяются с ионами водорода. Атомарный водород становится молекулами газа и улетучивается в атмосферу. Конечно, железо довольно быстро корродирует в морской воде и само по себе. Но, когда оно "работает" в подобной гальванической паре с медью, процесс ускоряется многократно. Этого и не учли незадачливые строители яхты.

Химические соединения меди зачастую обладают очень необычными свойствами. Возьмем сульфат двухвалентной меди, который служит исходным продуктом для получения почти всех остальных ее соединений и известен каждому в виде синих кристалликов медного купороса. Формула соединения, образующего кристаллогидрат медного купороса, CuSO₄ * 5 Н₂O. Иначе говоря, на каждую молекулу самого сульфата приходится пять молекул воды. Так вот от двух молекул воды медный купорос избавляется очень легко - на сухом воздухе они попросту выветриваются, еще две молекулы удаляются при незначительном нагреве, но зато, чтобы отобрать последнюю, нужно раскалить кристаллики почти до 300°С. И тогда они станут... бесцветными, белесыми. Стоит появиться поблизости молекулам воды, кристаллы вновь синеют, с необычайной жадностью поглощая воду. Этим свойством кристаллогидратов пользуются для проверки на присутствие в различных органических жидкостях воды. Брошенный в банку с бензином бесцветный кристаллик тотчас посинеет, если в бензине есть хотя бы капля воды. А еще бесцветные "водолюбивые" кристаллы идут на изготовление минеральных красок, пропиточного раствора, придающего долговечность изделиям из древесины, веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Соли меди также используют в кожевенной промышленности и для производства искусственного шелка.