Формиат меди: строение, свойства и области применения

Формиат меди (Copper(II) formate), CAS 544-19-4: строение, свойства и области применения

Формиат меди (также называемый муравьинокислым медным, медным формиатом или Copper(II) formate) представляет собой соль меди и муравьиной кислоты (HCOOH). Вещество может существовать в виде кристаллогидратов, обычно как дигидрат Cu(HCOO)_2·2H_2O, и обладает интересными химическими и физическими характеристиками. Формиат меди применяется как катализатор, прекурсор для получения тонких покрытий на основе меди, а также в ряде исследовательских технологий. В данной статье рассматриваются химическое строение, физико-химические свойства формиата меди, методы его получения, области применения, а также вопросы безопасности и токсикологического профиля. Перед публикацией все сведения перепроверены по современным научным и техническим источникам.

1. Введение

Соли металлов с муравьиной кислотой (формиаты) представляют собой интересный класс соединений, который находит свое применение в разнообразных технологических и химических процессах. Среди них формиат меди (Copper(II) formate) примечателен тем, что сочетает в себе восстановительные свойства формион-аниона (HCOO^–) с каталитической и комплексообразующей активностью меди(II).

Формиат меди известен сравнительно давно, однако его востребованность растёт благодаря применению в процессе получения чистых металлических покрытий, в катализе окислительно-восстановительных реакций и в исследованиях в области координационной химии.

2. Химическая структура и номенклатура

1. Химическая формула

   • Общая формула: Cu(HCOO)_2.
   • На практике встречаются кристаллогидраты, чаще всего дигидрат: Cu(HCOO)_2·2H_2O.

2. Номенклатура

   • Название (русское): Формиат меди, муравьинокислый медный.
   • Название (англ.): Copper(II) formate.
   • CAS-номер: 544-19-4 для бесводной формы (часто этот же CAS распространяется и на гидратированные формы, но это может уточняться в разных базах).

3. Структура

   • В кристаллической решётке медь находится в окислительном состоянии +2 (d^9-конфигурация). Анионная часть — формиат (HCOO^–).
   • В твёрдом состоянии формиат меди может формировать цепные или слоистые структуры, в которых Cu^2+ координируется с карбоксильными группами.

4. Изомеры

   • Формиат не имеет изомеров по типу «цис-/транс-», однако могут существовать различные полиморфные формы, в зависимости от условий кристаллизации.

3. Физико-химические свойства

1. Внешний вид

   • Бесводный формиат меди и его кристаллогидрат чаще всего представляют собой сине-зелёные кристаллы или порошок. Окраску обеспечивает окрашенный ион Cu^2+.

2. Растворимость

   • Растворим в воде, причём растворимость может расти с повышением температуры, но в целом остаётся на умеренном уровне.
   • Неустойчив к сильным кислотам и сильным окислителям, может разлагаться с выделением газообразных продуктов.

3. Термическая стабильность

   • При нагревании формиат меди размягчается, теряет кристаллизационную воду (если речь о кристаллогидрате) и может разлагаться с выделением CO, CO_2 и элементарной меди.
   • Полное термическое разложение при повышенных температурах приводит к образованию меди и/или оксида меди(II) (CuO). Данный процесс часто используют, чтобы получать металлическое покрытие меди на поверхности.

4. Химические реакции

   • При взаимодействии с щелочами может образовываться гидроксид меди(II) и соответствующие формиаты щелочных металлов.
   • Восстановительные свойства HCOO^–-аниона могут приводить к восстановлению Cu^2+ до Cu^+ (оксида Cu_2O) или даже до металлической меди при определённых условиях температуры и pH.

5. Магнитные свойства

   • Поскольку Cu^2+ имеет один неспаренный электрон (d^9), формиат меди может демонстрировать парамагнитные свойства. Степень парамагнетизма зависит от кристаллической структуры и магнитных межионных взаимодействий.

4. Методы получения

1. Реакция меди или её соединений с муравьиной кислотой

   • Прямое взаимодействие гидроксида меди(II) или карбоната меди(II) с муравьиной кислотой (HCOOH) при мягком нагревании:Cu(OH)2​+2HCOOH⟶Cu(HCOO)2​+2H2​OилиCuCO3​+2HCOOH⟶Cu(HCOO)2​+CO2​+H2​O.
   • По завершении реакции кристаллогидрат вырабатывается путём выпаривания и охлаждения раствора.

2. Ионообменные методы

   • Используют ионообменные смолы или колонки, загруженные формиат-ионами, через которые пропускают раствор соли меди (например, CuSO_4). Происходит обмен иона SO_4^2– на HCOO^– и формирование формиата меди в eluate.

3. Контроль чистоты

   • Для получения особо чистого продукта в конце процесса используют перекристаллизацию, промывку осадка холодной водой, а также специальные методы осушки и вакуумной сушки.

5. Области применения

1. Каталитические процессы

   • Формиат меди может служить катализатором или прекурсором катализатора в реакциях окисления органических соединений и в реакциях декарбоксилирования.
   • Его восстановление in situ при нагреве позволяет генерировать наночастицы меди, обладающие высокой каталитической активностью.

2. Получение металлических медных покрытий

   • При термическом разложении формиата меди на поверхности подложки образуется тонкая плёнка металлической меди. Процесс проходит при относительно низких температурах (в сравнении с некоторыми другими соединениями меди), что важно для электроники, микросистемных технологий и других областей, требующих низкотемпературных методов осаждения меди.

3. Соединения для сельского хозяйства

   • В ряде случаев медь-содержащие соли используются как фунгициды или протравители, однако формиат меди менее распространён в этой роли, чем, например, сульфат меди. Тем не менее, исследования по применению данных соединений продолжаются.

4. Экспериментальное и лабораторное использование

   • В электрохимии формиат меди используется для изучения некоторых аспектов анодных и катодных процессов, а также в синтетических методах получения координационных соединений меди.
   • Для иллюстрации свойств формиата в курсах по неорганической химии: студенты исследуют термическое разложение и пиролиз.

6. Безопасность и токсикология

1. Опасности при работе

   • Как соединение меди(II), формиат меди может вызывать раздражение кожи, глаз и слизистых оболочек при несоблюдении мер предосторожности.
   • При вдыхании пыли возможны респираторные симптомы.

2. Токсикологический профиль

   • Ионы меди при попадании в организм в избыточном количестве могут оказывать токсическое воздействие (например, вызывая повреждение слизистых, желудочно-кишечного тракта).
   • Формиат-ион (HCOO^–) также нетривиален в токсикологическом плане, однако при обычных промышленно-лабораторных концентрациях риски невелики при соблюдении правил техники безопасности.

3. Меры защиты

   • Использование защитных перчаток, очков, респиратора при работе с порошком.
   • Адекватная вентиляция и предотвращение попадания в водные объекты без соответствующей нейтрализации.

4. Экологические аспекты

   • Медь(II) при превышении допустимых концентраций может оказывать токсическое действие на водную флору и фауну. Форматы (HCOO^–) в природе относительно быстро разлагаются биологическими путями до CO_2 и H_2O, но соединения меди требуют аккуратной утилизации.

7. Перспективы развития и исследований

1. Разработка методов нанесения тонкоплёночных покрытий

   • Совершенствование низкотемпературных методов осаждения медных плёнок на основе термического разложения формиата меди.
   • Исследование новых способов химического осаждения из газовой фазы (CVD) и печати электроники (Inkjet printing).

2. Координационная химия и катализ

   • Изучение координационных комплексов формиата меди с различными лигандами (N-доноры, фосфиновые лиганды и т.п.) с целью получения каталитически активных соединений.
   • Применение формиата меди для селективных реакций окисления в органическом синтезе.

3. Наноматериалы на основе меди

   • Синтез наноуглеродов, галений-медных сплавов категорий CuGa и смежных нанокомпозитов через промежуточную стадию термического разложения формиата меди.
   • Разработка «зелёных» путей получения медных наночастиц с помощью формиат-ионов как восстановителей или стабилизаторов.

4. Фунгицидное и бактерицидное действие

   • Хотя в промышленности более популярны сульфат и гидроксид меди, некоторые исследования указывают на перспективность формиата меди с точки зрения биоактивности при строгом контроле дозы.
   • Возможно применение в антибактериальных покрытиях или в составе комплексных биоцидных составов.

8. Заключение

Формиат меди (Copper(II) formate, CAS 544-19-4) — интересное соединение, сочетающее в себе свойства меди(II) и формиат-иона. Благодаря умеренной растворимости в воде, термической неустойчивости (с разложением до металлической меди) и потенциальной каталитической роли, данное вещество активно исследуется в материаловедении, электрохимии и органическом синтезе. Наиболее перспективны направления, связанные с созданием низкотемпературных тонкоплёночных покрытий меди, а также катализом окислительно-восстановительных реакций в органической и неорганической химии.
Хотя формиат меди не столь широко распространён как другие соли меди, интерес к нему продолжает расти, особенно в свете развития новых технологий нанесения покрытий (вплоть до печати электроники) и поиска альтернативных экологически приемлемых процессов. При этом важно помнить о необходимости соблюдения мер безопасности, связанных с токсичностью соединений меди в высоких концентрациях.

Примечание: перед практическим использованием формиата меди необходимо ознакомиться с актуальными паспортами безопасности (SDS/MSDS) и локальными экологическими и промышленными регламентами, а также соблюдать применение индивидуальных средств защиты.

Формиат меди купить.