Кратко и по сути.
1) Что происходит при смешении растворов:
- Простейшая реакция обмена даёт нерастворимый гидроксид меди(II):
$$\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{aq})+2\mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})\to \mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2(\mathrm{s})+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{aq})$$ - Вещества: из ионов $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ и $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ образуется твёрдая фаза $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ (голубой осадок). Осадок образуется потому, что у $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ очень малая растворимость (приблизительно ${\mathrm{K}}_{\mathrm{sp}}\sim 2\times 10^{-20}$), поэтому концентрация ионов превышает предел растворимости и выпадает осадок.
2) Почему цвет голубой и затем чёрный при нагревании:
- Цвет $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ обусловлен d–d-переходами в ионе $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ в окружении гидроксил-лигандов — видимая часть спектра поглощается частично, поэтому осадок голубой.
- При нагревании гидроксид дегидратируется с образованием оксида меди(II):
$$\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2(\mathrm{s})\stackrel{\Delta }{}\mathrm{CuO}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$$ Оксид $\mathrm{CuO}$ имеет другую кристаллическую структуру и электронную структуру (широкие зарядово-переносные полосы), поэтому поглощает свет по всему видимому диапазону и выглядит чёрным.
3) Изменения строения и связей:
- В $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ медь связана с гидроксил-анионами, структура часто полимерная/слоистая с водородными связями между слоями.
- В $\mathrm{CuO}$ отсутствуют гидроксильные группы: кислород в форме ${\mathrm{O}}^{2-}$, медь в координации, типично искажённая квадратная, образует ионную/ковалентно-ионную оксидную решётку. При переходе удаляются O–H связи, меняется координация Cu и электронное распределение.
4) Энергетические аспекты:
- Рассыпание гидроксида на оксид + вода требует энергии (разрыв O–H и перестройка кристаллической решётки) — процесс эндотермичен ($\Delta H>0$).
- Однако образование газообразной воды даёт прирост энтропии ($\Delta S>0$), поэтому при повышенной температуре член $T\Delta S$ делает свободную энергию $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ отрицательной и реакция становится термодинамически выгодной. Практически: нагрев даёт необходимую энергию и уносит продукты (водяной пар), сдвигая равновесие в сторону оксида.
- Осаждение $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ из раствора в обычных условиях происходит потому, что образование твёрдой фазы уменьшает свободную энергию смеси (непосредственно связано с малой растворимостью и позитивной кинетикой образования частиц).
5) Дополнение (при избытке щёлочи):
$$\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}\to [\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_4{]}^{2-}(\mathrm{aq})$$ в избытке $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ гидроксид растворяется с образованием комплексного иона (побочный эффект в лаборатории).
Итого: голубой осадок — это малорастворимый $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$; при нагревании он теряет воду и превращается в чёрный $\mathrm{CuO}$; переход вызван разрывом O–H связей и перестройкой кристаллической структуры, требует тепла, но становится выгодным при нагреве благодаря увеличению энтропии (образуемый водяной пар).