Как сделать хлорид меди

Добавил пользователь Skiper
Обновлено: 19.09.2024

Показана возможность электрохимического получения хлорида меди (II) в двухкамерном электролизере с анионитовой мембраной. В электролизер помещали 70 мл раствора хлорида натрия разной концентрации и два электрода на расстоянии 0,5 см друг от друга: медный анод и стальной катод. В анодной камере концентрируется раствор хлорида меди (II) (CuCl2). В катодной камере происходит выделение водорода, образование и накопление щелочи натрия. Растворы обрабатывались при разных плотностях тока в течение разного времени. Через определенные промежутки времени отбирались пробы для анализа на содержание катионов меди (II). Работа проводилась в стационарном режиме. Найдены оптимальные параметры процесса. Предлагаемый технологический процесс позволяет получить сразу три продукта (CuCl2, NaOH, Н2).

Electrochemical synthesis of copper (II) chloride

The possibility of electrochemical synthesis of copper (II) chloride in a two-chamber electrolysis cell with the anion exchange membrane is studied. The electrolytic cell was placed 70 ml of different concentrations of sodium chloride and two electrodes at a distance of 0.5 cm from each other: copper anode and steel cathode. In the anode chamber solution of copper chloride (II) (CuCl2) is concentrated. In the cathode chamber hydrogen evolution, formation and accumulation of sodium hydroxide occur. The solutions were treated with different current densities for different times. At certain intervals samples were taken for analysis of copper cation (II). The synthesis was carried out in a stationary mode. The optimum process parameters were obtained. The proposed process allows to obtain three products (CuCl2, NaOH, H2).

БОГ 10.21779/2542-0321-2017-32-1-61-66 А. Т. Исаханова

Электрохимический синтез хлорида меди (II)

Показана возможность электрохимического получения хлорида меди (II) в двухкамерном электролизере с анионитовой мембраной. В электролизер помещали 70 мл раствора хлорида натрия разной концентрации и два электрода на расстоянии 0,5 см друг от друга: медный анод и стальной катод. В анодной камере концентрируется раствор хлорида меди (II) (СиС12). В катодной камере происходит выделение водорода, образование и накопление щелочи натрия. Растворы обрабатывались при разных плотностях тока в течение разного времени. Через определенные промежутки времени отбирались пробы для анализа на содержание катионов меди (II). Работа проводилась в стационарном режиме. Найдены оптимальные параметры процесса. Предлагаемый технологический процесс позволяет получить сразу три продукта (СиС12, №0Н, Н2).

Ключевые слова: электролиз, двухкамерный электролизер, хлорид меди (II).

Соединения меди в настоящее время находят широкое применение в различных отраслях промышленности 5. В частности, хлорид меди (II) используется в качестве протравы при крашении, катализатора при хлорировании [6], окислении и получении различных органических соединений [7, 8], в производстве печатных плат [9, 10], а также в медицине [11, 12].

Для получения хлорида меди существует множество лабораторных и промышленных способов, однако они требуют высоких температур, токсичных реагентов 14. При этом хлорид меди, полученный известными методами, загрязнен продуктами химических реакций его получения, исходными реагентами. Среди известных методов получения различных химических соединений электрохимические методы являются незаменимыми для получения чистых и сверхчистых соединений 17. Хлорид меди (II), используемый при каталитическом получении органических соединений, требует особой чистоты. Исходя из этого, разработка способов получения чистого хлорида меди (II) является актуальной проблемой. В данной работе рассмотрен способ получения хлорида меди (II) с использованием электрохимического метода с применением двухкамерного электролизера с анионитовой мембраной с одновременным получением гид-роксида натрия и водорода.

Для выполнения экспериментальных исследований использовали двухкамерный электролизер, разделенный анионитовой мембраной (МА) на катодную и анодную камеры. Материалом анода служила медная пластинка, материалом катода - стальная. Объем каждой ячейки электролизера составлял 70 мл. В катодную камеру помещали раствор хлорида натрия с различной концентрацией от 0,1 до 4,3 М (25%-ный раствор). Анодную камеру заполняли дистиллированной водой или 0,01 М раствором СиС12. Концентрацию хлорида меди оценивали с использованием методов йодометрического титрования и фотометрического определения на спектрофотометре БРЕСОКО

210-Analitik Jena (Германия) по методике, приведенной в работе [22]. Количественное содержание образующегося гидроксида натрия определяли титрованием соляной кислотой с известной концентрацией в присутствии фенолфталеина. Пробы для анализа отбирали через определенные промежутки времени.

Результаты и их обсуждение

При протекании процесса электролиза с использованием медного анода в двухкамерном электролизере происходит растворение меди с образованием ионов Cu2+ через предварительное образование ионов Cu+ 24.

Cu0 - e = Cu+ Cu+ - e = Cu2+

Процесс электролиза сопровождается переносом через анионитовую мембрану в анодную камеру хлорид-ионов, которые принимают участие в образовании CuCl2. В анодной камере концентрируется раствор хлорида меди (II). При этом образующийся хлорид меди не имеет примесей.

Cu2+ + 2Cl- = CuCl2

В катодной камере происходит выделение водорода и образование и накопление щелочи натрия. При этом выделяющийся водород собирается в отдельный резервуар, и его можно использовать в качестве искусственного топлива [8].

2H2O + 2e = H2| + 2OH-

Ионы натрия совместно с гидроксильными ионами в катодной камере образуют гидроксид натрия. Схема протекающих процессов при получении CuCl2 приведена на рис. 1.

2Na+ + 2OH- = 2NaOH

Рис. 1. Схема процесса электрохимического получения сверхчистого хлорида меди (II) в двухкамерном электролизере

Нами были исследованы зависимости выхода СиС12, №ОИ от плотности тока, времени обработки, природы анолита. В случае если в катодную камеру помещали 0,1 М раствор №С1, а в анодную камеру наливали дистиллированную воду, при прове-

дении электролиза медный анод растворялся с небольшой скоростью и накопление хлорида меди (II) происходило очень медленно. Напряжение на электролизере до накопления хлорида меди (II) в растворе имело высокое значение и, следовательно,

Г 1 1 1 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

платность тока, АУсм2

Рис. 2. Зависимость выхода по току СиС12 от плотности тока (^ = 10 мин, V = 70 мл,

Исходя из этого для увеличения электропроводности в анодную камеру помещали разбавленный раствор хлорида меди (0,01 М). Электролиз в обоих случаях проводили при плотности тока 0,014 А/см2 и длительности электролиза 30 минут. Выход по току во втором случае составлял 74,6 %. Для уменьшения расхода электроэнергии во всех последующих исследованиях в качестве анолита был использован 0,01 М раствор хлорида меди (II). Исследование зависимости выхода по току СиС12 от плотности тока показало, что максимальный выход наблюдается при плотности тока равной 0,019 А/см2 при продолжительности электролиза 10 мин (рис. 2).

Нами также была изучена зависимость выхода продукта от продолжительности электролиза при плотности тока 0,014 А/см2. Данные приведены для двух способов, в первом случае катодная камера была заполнена раствором 0,1 М №С1, во втором случае - 4,3 М №аС1.

Полученные данные приведены на рис. 3.

1 - 0,1 М №01; 2 - 4,3 М №01)

Из рис. 3 видно, что наибольший выход (75 %) достигается при проведении процесса в течение 15-20 минут при плотности тока 0,014 А/см2 для случая, когда катодная камера заполнена 0,1 М №аС1. Далее при увеличении времени электролиза происходит уменьшение выхода по току хлорида меди (II), которое объясняется тем, что у поверхности анода, где концентрация ионов меди выше, чем в объеме раствора, хлорид меди выпадает в осадок. Кристаллизация солей в прианодном пространстве ведет к частичной солевой пассивации анода, что создает неравномерность в его растворении и обуславливает возрастание поляризации. В случае второй кривой, где в катодной камере находится 4,3 М №С1, солевая пассивация анода наступает раньше, поэтому выходы по току уменьшаются.

Нами также исследована зависимость выхода по току КаОИ от продолжительности электролиза, от концентрации №аС1 в катодной камере, от плотности тока, от времени обработки (табл. 1).

Таблица 1. Зависимость выхода по току №ОИ от продолжительности электролиза (СмаС1 = 25 %; 1 = 0, 014 А/см2,У = 70 мл)

1, мин. 10 15 20 30 60

ВТ, % 44,40 85,36 90,30 93,83 99,01

Как видно из табл. 1, с увеличением времени обработки раствора увеличивается выход по току щелочи натрия, и через 60 минут достигает максимального значения (99,01 %). Выход по току гидроксида натрия в катодной камере также увеличивается с ростом концентрации хлорида натрия. Максимальный выход при длительности электролиза 30 минут наблюдался для 4,3 М раствора хлорида натрия в качестве католита и составлял 93,8 %. Для 0,1 М раствора хлорида натрия выход по току составлял 76,67 %. Увеличение выхода по току гидроксида натрия связано с увеличением концентрации ионов натрия в растворе, участвующих в последующем образовании щелочи. Увеличение плотности тока не приводит к существенному изменению выхода по току гидрок-сида натрия. Изучение зависимости выхода по току №ОИ от плотности тока показало, что максимальный выход №ОИ наблюдается при плотности тока 0.019 А/см2.

Таким образом, предлагаемый технологический процесс позволяет получить сразу три продукта: CuCl2, NaOH, Н2. Оптимальные параметры электрохимического процесса следующие: плотность тока 0,019 А/см2, при продолжительности процесса от 10 до 30 минут, выход по току составляет 90-99 % соответственно.

2. Chen X., Jia L., Wang Y., Song L., Zhu Y., Liu W., Zhong Z., Su F. Solvothermal synthesis of CuCl microcrystals with different morphologies as copper-based catalysts for dime-thyldichlorosilane synthesis // J. Colloid Interface Sci. - 2013. - V. 404. - P. 16-23 doi: 10.1016/j.jcis.2013.04.028.

3. Агеева С.В., Ксандров Н.В., Ожогина О.Р. Модификация активного угля хлоридом меди (II) для увеличения его адсорбционной емкости по аммиаку // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 3. - С. 446-447.

4. Гришина Е.П., Кудрякова Н.А., Пименова А.М. Электрохимическое осаждение меди на титан и тантал из низкотемпературного расплава бромид 1 бутил-3-метилимидазолия-бромида меди (II) // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2010. - Т. 53, № 7. -С.97-100.

5. Xiaogang Wen, Weixin Zhang, and Shihe Yang. Solution Phase Synthesis of Cu(OH)2 Na-noribbons by Coordination Self-Assembly Using Cu2S Nanowires as Precursors // Nano Letters. -2002. - V. 2, № 12. - Р. 1397-1401.

6. Jae-Yong R., James A.M., Chu B. Chlorination of dibenzofuran and dibenzo-p-dioxin vapor by copper (II) chloride // Chemosphere. - 2003. - V. 51. - P. 1031-1039.

7. JianboWang, Chao Zhang, Zhaohui Qu,Yihua Hou, Bei Chen, Peng Wu. Copper (II) Chloride Dihydrate: A Catalytic Agent or the Deprotection of Tetrahydropyranyl Ethers (THPEthers) and1-Ethoxyethyl Ethers (EEEthers) // J. Chem. Research (S). - 1999. -P.294-295.

8. Claas H. Hovelmann, Jan Streuff, Lydia Brelot, Kilian Muniz. Direct synthesis of bi-cyclic guanidines through unprecedented palladium (II) catalysed diamination with copper chloride as oxidant // Chem. Commun. - 2008. - Р. 2334-2336.

9. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. - Минск: Современная школа. - 2005. - С. 141.

11. Лидин Р.А. Химические свойства неорганических веществ. - М.: Химия, 2000. -

12. Зайцев В.А., Крылова Н.А. Промышленная экология. - М.: Министерство образования РФ. - 2002. - С. 120-121.

13. Фурман А.А. Неорганические хлориды (химия и технология). - М.: Химия, 1980. - 416 с.

14. Зарецкий С.А., Сучков В.Н., Животинский П.Б. Электрохимическая технология неорганических неорганических веществ и химических источников тока. - М.: Высш. школа, 1980. - 423 с.

15. Прикладная электрохимия / под ред. А.Л. Ротиняна. - Л.: Химия, 1974. - 536 с.

16. Руководство по неорганическому синтезу / под ред. Г. Барауэра. - М.: Мир, 1985. - 392 с.

17. Баешов А., Баешова А.К. Электрохимические способы получения неорганических веществ. - LAP Lambert Academic Publishing, 2012. - C. 13-21.

18. Миомандр Ф., Садки С., Одобер П., Меалле-Рено Р. Электрохимия. - М.: Техносфера, 2008. - 360 с.

19. Будников Ю.Г., Грязнова Т.В., Краснов С.А., Магдеев И.М., Синяшин О.Г. Создание экологически безопасных и наукоемких электрохимических технологий // Электрохимия. - 2007. - Т. 43, № 11. - С. 159-164.

20. Исаханова А.Т., Керимова С.Р. Электрокоагуляционная очистка природных вод от мышьяка // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2015. -Т. 30, вып. 1. - С. 93-98.

21. Исаханова А. Т., Алиев З.М. Утилизация соединений мышьяка из природных вод электролизом раствора хлорида кальция // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2016. - Т. 31, вып. 1. - С. 93-97.

23. Bacarella A.L., Griess Jr. J.C. The Anodic Dissolution of Copper in Flowing Sodium Chloride Solutions Between 2S ~ and 17S~ // J. Electrochem. Soc. - 1973. - V. 120, № 4. -Р. 459-465.

24. Wayne Suggs D., Allen J. Bard Scanning Tunneling Microscopic Study with Atomic Resolution of the Dissolution of Cu (100) Electrodes in Aqueous Chloride Media // J. Phys. Chem. - 1995. - № 99. - Р. 8349-8355.

25. El-SayedM. Sherif. Electrochemical and Gravimetric Study on the Corrosion and Corrosion Inhibition of Pure Copper in Sodium Chloride Solutions by Two Azole Derivatives // Int. J. Electrochem. Sci. - 2012. - № 7. - Р. 1482-1495.

Поступила в редакцию 22 января 2017 г.

Electrochemical synthesis of copper (II) chloride A.T. Isakhanova

Keywords: electrolysis, synthesis, two-chamber electrolysis cell, copper (II) chloride.

Хлорид меди (II) — это неорганическая сложная средняя соль меди в степени окисления и соляной кислоты.

Формула –

Молярная масса равна г/моль.

Физические свойства – представляет собой твердое вещество желто-бурого цвета, при умеренном нагревании плавится без разложения, при дальнейшем нагревании кипит и разлагается. Температура плавления C" width="51" height="14" />
, т. кип. C" width="51" height="14" />
. Хорошо растворяется в воде с гидролизом по катиону. Растворяется в этаноле, метаноле, эфире.

Известен его минерал — эриохальцит (дигидрат).

Безводный имеет искаженную структуру решетки йодида кадмия.

Химические свойства хлорида меди (II)

Вступает в реакции обмена, например, реагирует с гидроксидом натрия:

$CuCl_2 + 2NaOH = Cu(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

$CuCl_2 + NH_3 \cdot H_2O = CuCl(OH) \downarrow + 2NH_4Cl$

$CuCl_2 + 4(NH_3 \cdot H_2O) = [Cu(NH_3)_4]Cl_2 + 4H_2O$

$CuCl_2 + F_2 = CuF_2 + Cl_2$

$2CuCl_2 + Na_2SO_3 + 2NaOH = 2CuCl \downarrow + Na_2SO_4 + 2NaCl + H_2O$

$3CuCl_2 + 2Al = 2AlCl_3 + 3Cu \downarrow$

Получение

Хлорид меди (II) получают в промышленных масштабах при хлорировании меди:

$Cu + Cl_2 + 2 H_2O \rightarrow CuCl_2(H_2O)_2$

Медь сама по себе не может быть окислена с помощью соляной кислоты, но содержащие медь классы веществ, такие как гидроксид, оксид или карбонат меди (II) могут провзаимодействовать с соляной кислотой с получением хлорида меди (II).

Применение

Основным промышленным применением хлорида двухвалентной меди является ее использование в качестве сокатализатора в присутствии хлорида палладия (II) в Вакер процессе. Здесь, этен (этилен) превращается в ацетальдегид (уксусный альдегид) с использованием воды и воздуха.

Хлорид меди (II), также используется в пиротехнике как синий / зеленый краситель.

Примеры решения задач

Задание	Чистую медь обработали газообразным хлором объемом литра (н.у.), полученную смесь и обработали избытком разбавленной , при этом выделился газ объемом л (н.у.). Рассчитайте массовую долю в образовавшейся смеси.
Решение	Запишем химическую реакцию, протекающую между и :

Вычислим число моль и , а затем массу (в г).

$n(CuCl_2) = n(Cl_2) = \frac<V(Cl_2)> = \frac = 0,1$

$m(CuCl_2) = M(CuCl_2) \cdot n(CuCl_2) = 134,452 \cdot 0,1 = 13,4452$

взаимодействует только с , а с не реагирует, так как разбавленная.

Запишем реакцию меди с азотной кислотой.

$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$

Рассчитаем число моль и , а также массу .

$n(NO) = \frac<V(NO)> = \frac = 0,005$
моль

Из стехиометрических соотношений следует, что

моль образуют моль

Из пропорции следует, что

$n(Cu) = x = \frac<0,005 \cdot 3> = 0,0075$
моль

$m(Cu) = M(Cu) \cdot n(Cu) = 63,546 \cdot 0,0075 = 0,4766$

Рассчитаем массовую долю в смеси.

$\omega (CuCl_2) = \frac<m (CuCl_2)> \cdot 100 \% = \frac \cdot \% = 96,577 \%$

Задание	Какова может быть максимальная концентрация , чтобы реакция с концентрацией моль/л не протекала?
Решение	Запишем уравнение реакции обмена, протекающей в растворе:

$CuCl_2 + Pb(NO_3)_2 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + PbCl_2 \downarrow$

Рассчитаем концентрацию ионов , при которой осадок не выпадает:

$PbCl_2 \downarrow \rightleftharpoons Pb^<2+> + 2Cl^-$

В состоянии равновесия: моль, моль/л

Запишем выражение для произведения растворимости:

$K_S(PbCl_2) = [Pb^<2+> ] \cdot [Cl^-]^2 = 0,1 \cdot (2 \cdot x)^2 = 0,1 \cdot 4 \cdot x^2$

$x = \sqrt<\frac<K_S(PbCl_2)> > = \sqrt>> = 0,00644$
моль/л

$[Cl^-] = 2 \cdot x = 2 \cdot 0,00644 = 0,01288$

моль/л

Рассчитаем концентрацию

$CuCl_2 \rightarrow Cu^<2+> + 2Cl^-$

Из стехиометрии диссоциации следует:

$C_M(CuCl_2) = \frac<[Cl^-]> = \frac = 0,00644$
моль/л

Медь в электрохимическом ряду напряжений стоит левее ртути, золота и серебра. Это значит что медь способна вытеснять эти вещества из растворов их солей: Cu+HgCl2=CuCl2+Hg. Результатом проведения данной реакции является получения хлорида меди и ртути. Это реакция замещения. Теперь рассмотрим реакции обмена. Медь – это амфотерное вещество побочной подгруппы, она может реагировать как с солями, так и с основаниями. Реакция оксида меди (II) и соляной кислоты: CuO+2HCl=CuCl2+H2O. В результате данной реакции образуется хлорид меди и вода. Реакция сульфата меди (II) и хлорида кальция: CuSO4+CaCl2=CuCl2+CaSO4. В результате проведения данной реакции получаем хлорид меди и сульфат кальция.

Хлорид меди (II) — это химическое соединение, состоящее из меди и хлора (CuCl2). Безводный хлорид меди (II) представляет собой коричневый порошок, который очень гигроскопичен. Включение молекул воды в его кристаллическую структуру создает дигидрат хлорида меди (II), сине-зеленое твердое вещество с формулой CuCl 2 · 2 H2O. Кристаллизационная вода удаляется из дигидрата путем нагревания до температуры выше 100 C.

Нахождение в природе

Хлорид меди (II) встречается в природе как минерал толбахит, дигидрат также известен как минерал эриохальцит. Оба соединения часто связаны с атакамитом медной руды.

Получение

Хлорид меди (II) можно получить из оксида меди (II) и соляной кислоты в лаборатории:

В промышленности его получают хлорированием медного листа:

Свойства

Безводный хлорид меди (II) существует в виде порошка от коричневого до желтого цвета; дигидрат имеет бирюзовый цвет. При горении оба дают зеленый цвет пламени из-за содержащихся в них ионов меди (Cu 2+).

Применение

Хлорид меди используется в качестве катализатора в органическом синтезе, например при производстве текстильного красителя анилинового черного. Он также используется в пиротехнике для получения зеленого пламени, при травлении меди (в смеси с соляной кислотой), в фотографии для отбеливания негативов, а также удаления копоти.

Обнаружение

Хлорид меди (II) обнаруживается аммиачной водой. При воздействии образуется синий гидроксид меди (II).

Читайте также:

Как сделать хлорид меди

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Исаханова А.Т.

Electrochemical synthesis of copper (II) chloride

Химические свойства хлорида меди (II)

Получение

Применение

Примеры решения задач

Нахождение в природе

Получение

Свойства

Применение

Обнаружение