Bài học

Đồng — tính chất và hợp chất đồng(II)

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình hoá học thể hiện tính khử yếu của đồng, giải thích được vì sao đồng chỉ phản ứng với acid có tính oxi hoá mạnh chứ không phản ứng với HCl hay H₂SO₄ loãng, và nhận biết được ion Cu²⁺ qua màu xanh lam đặc trưng.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã học pin Galvani Zn–Cu và thế điện cực chuẩn $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$ — một giá trị DƯƠNG, khác hẳn các kim loại đã gặp ở chương này (Fe: $-0{,}44\ V$ , Cr: $-0{,}74\ V$ ). Dấu dương đó chính là chìa khoá giải thích toàn bộ tính chất hoá học riêng biệt của đồng trong bài này.

Ở Course 6, em đã học pin Galvani Zn–Cu và thế điện cực chuẩn $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$ — một giá trị DƯƠNG, khác hẳn các kim loại đã gặp ở chương này (Fe: $-0{,}44\ V$, Cr: $-0{,}74\ V$). Dấu dương đó chính là chìa khoá giải thích toàn bộ tính chất hoá học riêng biệt của đồng trong bài này.

Khởi động

Dây điện trong nhà hầu như luôn làm bằng đồng, dù giá đồng đắt hơn sắt nhiều lần. Đồng cũng là kim loại người Việt cổ đã biết dùng từ hàng nghìn năm trước — trống đồng Đông Sơn là minh chứng. Điều gì khiến đồng đặc biệt đến vậy, cả về tính chất vật lí lẫn độ bền hoá học?

Kiến thức trọng tâm

Về tính chất hoá học, thế điện cực chuẩn dương $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$ cho biết đồng đứng SAU hydrogen trong dãy điện hoá — nghĩa là đồng có tính khử YẾU, khác hẳn Fe và Cr đã học. Hệ quả trực tiếp: đồng KHÔNG phản ứng với $HCl$ loãng hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$ , vì ion $H^+$ trong hai acid này không đủ khả năng oxi hoá đồng. Đồng chỉ phản ứng được với acid có gốc acid mang tính oxi hoá mạnh: $Cu + 2H_2SO_4\ (đặc, nóng) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$ ; $Cu + 4HNO_3\ (đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$ ; $3Cu + 8HNO_3\ (loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ . Đồng cũng tác dụng phi kim ở nhiệt độ cao: $2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$ ; $Cu + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} CuCl_2$ .

Hợp chất đồng(II). $CuO$ (rắn, màu đen) và $Cu(OH)_2$ (kết tủa, màu xanh lam) là hợp chất base điển hình của Cu²⁺, tan trong acid tạo muối đồng(II). $Cu(OH)_2$ đặc biệt quen thuộc từ các khoá trước — đây chính là thuốc thử nhận biết ancol đa chức liền kề (như glycerol) và glucose đã gặp ở Course 1 và Course 2, nhờ khả năng tạo phức với nhóm $-OH$ . Muối $CuSO_4$ khan có màu trắng, hút ẩm mạnh và chuyển sang màu xanh lam đặc trưng khi hấp thụ nước — tính chất này được ứng dụng thực tế để phát hiện dấu vết nước lẫn trong xăng dầu hoặc dung môi hữu cơ. Nói chung, dung dịch chứa ion $Cu^{2+}$ luôn có màu xanh lam rất dễ nhận ra bằng mắt thường, khác hẳn màu vàng nâu của $Fe^{3+}$ hay màu lục/da cam của hợp chất crom.

Ứng dụng hợp kim đồng. Đồng thau (hợp kim Cu–Zn) dùng làm nhạc cụ, ổ khoá, đồ trang trí nhờ màu vàng ánh kim đẹp và dễ gia công; đồng thanh hay còn gọi là bronze (hợp kim Cu–Sn) cứng và bền hơn đồng nguyên chất, dùng đúc tượng, chuông — chính là hợp kim làm nên trống đồng Đông Sơn nổi tiếng của văn hoá Việt cổ.

Đồng (Cu) ở ô 29, cấu hình electron $[Ar]3d^{10}4s^{1}$ — một trường hợp "nhảy electron" khác: một electron từ $4s$ nhảy sang $3d$ để lấp đầy hoàn toàn phân lớp $3d^{10}$, cấu hình bão hoà rất bền. Về tính chất vật lí, đồng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, chỉ kém bạc, đồng thời dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi — đây chính là lý do đồng được chọn làm dây điện dù đắt hơn sắt hay nhôm: độ dẫn điện cao giúp giảm hao phí năng lượng, và độ bền cơ học tốt giúp dây khó gãy khi uốn. Về tính chất hoá học, thế điện cực chuẩn dương $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34\ V$ cho biết đồng đứng SAU hydrogen trong dãy điện hoá — nghĩa là đồng có tính khử YẾU, khác hẳn Fe và Cr đã học. Hệ quả trực tiếp: đồng KHÔNG phản ứng với $HCl$ loãng hay $H_2SO_4$ loãng để giải phóng khí $H_2$, vì ion $H^+$ trong hai acid này không đủ khả năng oxi hoá đồng. Đồng chỉ phản ứng được với acid có gốc acid mang tính oxi hoá mạnh: $Cu + 2H_2SO_4\ (đặc, nóng) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$; $Cu + 4HNO_3\ (đặc) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$; $3Cu + 8HNO_3\ (loãng) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$. Đồng cũng tác dụng phi kim ở nhiệt độ cao: $2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$; $Cu + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} CuCl_2$. **Hợp chất đồng(II).** $CuO$ (rắn, màu đen) và $Cu(OH)_2$ (kết tủa, màu xanh lam) là hợp chất base điển hình của Cu²⁺, tan trong acid tạo muối đồng(II). $Cu(OH)_2$ đặc biệt quen thuộc từ các khoá trước — đây chính là thuốc thử nhận biết ancol đa chức liền kề (như glycerol) và glucose đã gặp ở Course 1 và Course 2, nhờ khả năng tạo phức với nhóm $-OH$. Muối $CuSO_4$ khan có màu trắng, hút ẩm mạnh và chuyển sang màu xanh lam đặc trưng khi hấp thụ nước — tính chất này được ứng dụng thực tế để phát hiện dấu vết nước lẫn trong xăng dầu hoặc dung môi hữu cơ. Nói chung, dung dịch chứa ion $Cu^{2+}$ luôn có màu xanh lam rất dễ nhận ra bằng mắt thường, khác hẳn màu vàng nâu của $Fe^{3+}$ hay màu lục/da cam của hợp chất crom. **Ứng dụng hợp kim đồng.** Đồng thau (hợp kim Cu–Zn) dùng làm nhạc cụ, ổ khoá, đồ trang trí nhờ màu vàng ánh kim đẹp và dễ gia công; đồng thanh hay còn gọi là bronze (hợp kim Cu–Sn) cứng và bền hơn đồng nguyên chất, dùng đúc tượng, chuông — chính là hợp kim làm nên trống đồng Đông Sơn nổi tiếng của văn hoá Việt cổ.

Ví dụ

Viết phương trình đồng tác dụng với acid có tính oxi hoá mạnh

1
Viết phương trình hoá học khi cho đồng tác dụng với dung dịch H₂SO₄ đặc, nóng và với dung dịch HCl loãng. Giải thích vì sao hai phản ứng khác nhau.
2
$H_2SO_4$ đặc, nóng có gốc $SO_4^{2-}$ mang tính oxi hoá mạnh (do lưu huỳnh ở mức $+6$ dễ bị khử), đủ khả năng oxi hoá Cu. $HCl$ loãng chỉ có $H^+$ đóng vai trò oxi hoá, mà $Cu$ đứng sau $H$ trong dãy điện hoá nên $H^+$ không oxi hoá được Cu.
$H_2SO_4$ đặc, nóng có gốc $SO_4^{2-}$ mang tính oxi hoá mạnh (do lưu huỳnh ở mức $+6$ dễ bị khử), đủ khả năng oxi hoá Cu. $HCl$ loãng chỉ có $H^+$ đóng vai trò oxi hoá, mà $Cu$ đứng sau $H$ trong dãy điện hoá nên $H^+$ không oxi hoá được Cu.
3
Với $H_2SO_4$ đặc, nóng: $Cu + 2H_2SO_4\ (đặc, nóng) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$ . Với $HCl$ loãng: KHÔNG xảy ra phản ứng.
Với $H_2SO_4$ đặc, nóng: $Cu + 2H_2SO_4\ (đặc, nóng) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. Với $HCl$ loãng: KHÔNG xảy ra phản ứng.
4
Đồng chỉ tan trong acid có gốc acid mang tính oxi hoá mạnh (H₂SO₄ đặc nóng, HNO₃ đặc hoặc loãng), tuyệt đối không tan trong HCl hay H₂SO₄ loãng — đây là điểm phân biệt Cu với các kim loại đứng trước H như Fe, Zn.

Ví dụ

Bài toán hỗn hợp Cu, Fe tác dụng dung dịch HNO₃ loãng dư

1
Hoà tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp gồm Fe và Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) ở đkc. Tính thể tích khí NO thu được, biết Fe bị oxi hoá lên $Fe^{3+}$ .
Hoà tan hoàn toàn 11,2 gam hỗn hợp gồm Fe và Cu (tỉ lệ mol 1:1) bằng dung dịch $HNO_3$ loãng dư, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất) ở đkc. Tính thể tích khí NO thu được, biết Fe bị oxi hoá lên $Fe^{3+}$.
2
Gọi số mol Fe = số mol Cu = $x$ . Ta có $56x + 64x = 11{,}2 \Rightarrow 120x = 11{,}2 \Rightarrow x = 0{,}0933\ mol$ (làm tròn). (1)
Gọi số mol Fe = số mol Cu = $x$. Ta có $56x + 64x = 11{,}2 \Rightarrow 120x = 11{,}2 \Rightarrow x = 0{,}0933\ mol$ (làm tròn). (1)
3
Fe nhường 3 electron ( $Fe \to Fe^{3+} + 3e$ ), Cu nhường 2 electron ( $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ ). Tổng electron nhường: $3x + 2x = 5x = 5 \times 0{,}0933 \approx 0{,}467\ mol$ . N trong $HNO_3$ nhận 3 electron để tạo NO ( $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ ), nên $n_{NO} = \dfrac{0{,}467}{3} \approx 0{,}1556\ mol$ . (2)
Fe nhường 3 electron ($Fe \to Fe^{3+} + 3e$), Cu nhường 2 electron ($Cu \to Cu^{2+} + 2e$). Tổng electron nhường: $3x + 2x = 5x = 5 \times 0{,}0933 \approx 0{,}467\ mol$. N trong $HNO_3$ nhận 3 electron để tạo NO ($N^{+5} + 3e \to N^{+2}$), nên $n_{NO} = \dfrac{0{,}467}{3} \approx 0{,}1556\ mol$. (2)
4
Từ (2), $V_{NO} = 0{,}1556 \times 24{,}79 \approx 3{,}86$ lít (đkc). Vậy thể tích khí NO thu được xấp xỉ 3,86 lít — bài toán này chỉ giải được nhanh nhờ bảo toàn electron thay vì viết đầy đủ hai phương trình riêng lẻ.
Từ (2), $V_{NO} = 0{,}1556 \times 24{,}79 \approx 3{,}86$ lít (đkc). Vậy thể tích khí NO thu được xấp xỉ 3,86 lít — bài toán này chỉ giải được nhanh nhờ bảo toàn electron thay vì viết đầy đủ hai phương trình riêng lẻ.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là cho rằng Cu tác dụng được với HCl loãng hoặc H₂SO₄ loãng sinh khí H₂ — SAI, vì Cu đứng sau H trong dãy điện hoá nên hai acid "thường" này hoàn toàn không phản ứng được với đồng, chỉ acid có tính oxi hoá mạnh (H₂SO₄ đặc nóng, HNO₃) mới hoà tan được Cu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cu có tính khử yếu (E° dương), chỉ phản ứng với acid có tính oxi hoá mạnh (H₂SO₄ đặc nóng, HNO₃) chứ không phản ứng với HCl/H₂SO₄ loãng. Cu²⁺ có màu xanh lam đặc trưng. Cu(OH)₂ là thuốc thử nhận biết ancol đa chức và glucose đã gặp ở các khoá trước.

Bài cuối chương này hệ thống lại chính những phản ứng "lạ" đã gặp rải rác ở nhiều khoá trước — Cu(OH)₂ tan trong NH₃ dư, phản ứng tráng bạc, phản ứng biuret — bằng một khái niệm chung: phức chất.