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铜的相关知识

铜,COPPER,源自Cuprum,是以产铜闻名的塞浦路斯岛的古名,早为人类所熟知。它和金是仅有的两种带有除灰白黑以外颜色的金属。铜与金的合金,可制成各种饰物和器具。加入锌则为黄铜;加进锡即成青铜。美国的一分钱就是青铜做成的。

铜的发现简史

铜是古代就已经知道的金属之一。一般认为人类知道的第一种金属是金,其次就是铜。铜在自然界储量非常丰富,并且加工方便。铜是人类用于生产的第一种金属,最初人们使用的只是存在于自然界中的天然单质铜,用石斧把它砍下来,便可以锤打成多种器物。随着生产的发展,只是使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了,生产的发展促使人们找到了从铜矿中取得铜的方法。含铜的矿物比较多见,大多具有鲜艳而引人注目的颜色,例如:金黄色的黄铜矿CuFeS2,鲜绿色的孔雀石CuCO3Cu(OH)2,深蓝色的石青2CuCO3Cu(OH)2等,把这些矿石在空气中焙烧后形成氧化铜CuO,再用碳还原,就得到金属铜。纯铜制成的器物太软,易弯曲。人们发现把锡掺到铜里去,可以制成铜锡合金——青铜。青铜比纯铜坚硬,使人们制成的劳动工具和武器有了很大改进,人类进入了青铜时代,结束了人类历史上的新石器时代。

西方传说,古代地中海的塞浦路斯Cyprus岛是出产铜的地方,因而由此得到拉丁文名称Cuprum和它的化学符号Cu,铜的英文名称是Copper。






单质铜



1. 性质

纯铜是一种坚韧、柔软、富有延展性的紫红色而有光泽的金属,1g的铜可以拉成3000m长的细丝,或压成10多平方米几乎透明的铜箔。纯铜的导电性和导热性很高,仅次于银,但比银要便宜得多。

铜可用于制造多种合金,铜的重要合金有以下几种:

黄铜——黄铜是铜与锌的合金,因色黄而得名。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好,可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。黄铜敲起来声音好听,因此锣、钹、铃、号等乐器都是用黄铜制做的。

青铜——铜与锡的合金叫青铜,因色青而得名。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。青铜还有一个反常的特性——“热缩冷胀”,用来铸造塑像,冷却后膨胀,可以使眉目更清楚。

白铜——白铜是铜与镍的合金,其色泽和银一样,银光闪闪,不易生锈。常用于制造电器、仪表和装饰品。

2. 生物活性

铜属于生命元素,它是细胞内部氧化过程的催化剂。如存在于人体血清中的血浆铜蓝蛋白,其相对分子质量为151000,含有8个铜原子,这种蛋白起着使血浆中Fe2+氧化成Fe3+的作用。存在于哺乳动物的血红细胞、肝、脑中的铜蛋白酶,其相对分子质量为35000,含有2个铜原子,它可以催化超氧离子发生歧化反应。


如果人体缺铜,会造成贫血、动脉硬化、胆固醇升高,头发变白,肤色素脱失(白癜风)等病症。但铜是人体的痕量元素,食用量不能过高,过量会引起中毒。

铜的生化反应机理与铜蛋白中存在Cu(Ⅰ)—Cu(Ⅱ)氧化还原体系有密切的关系。

铜还能直接参与植物的各种代谢活动,在植物生命活动中起着重要作用。施有铜肥的土壤常能显著地提高产量,增强植物抗病害的能力。

3. 化学性质

铜是不太活泼的重金属元素。在常温下不与干燥空气中的氧反应。但加热时能与氧化合成黑色的氧化铜CuO:


继续在很高的温度下燃烧就生成红色的氧化亚铜Cu2O,Cu2O有毒,广泛应用于船底漆,防止寄生的动植物在船底生长。

在潮湿的空气里,铜的表面慢慢生成一层绿色的铜锈,其成分主要是碱式碳酸铜:


在电位顺序中,铜在氢之后,所以铜不能与稀盐酸或稀硫酸作用放出氢气。但在空气中铜可以缓慢溶解于稀酸中生成铜盐:


铜容易被硝酸或热浓硫酸等氧化性酸氧化而溶解:


常温下铜就能与卤素直接化合,加热时铜能与硫直接化合生成CuS。


此外,铜还能与三氯化铁作用。在无线电工业上,常利用FeCl3溶液来刻蚀铜,以制造印刷线路。







氢氧化铜和氧化铜



在Cu2+离子的溶液中加入强碱,即生成淡蓝色的氢氧化铜Cu(OH)2絮状沉淀:


Cu(OH)2的热稳定性比碱金属氢氧化物差得多,受热、脱水分解变成黑色的氧化铜CuO:


Cu(OH)2微显两性,既能溶于酸,也能溶于浓NaOH溶液中形成蓝紫色的[Cu(OH)4]2-配阴离子:


CuO不溶于水,对热很稳定,只有在超过1273K时,才会分解放出氧,并生成Cu2O:


由此也可以看出,高温时Cu+比Cu2+稳定,所以CuO在高温时可作有机物氧化剂,使气态的有机物氧化成CO2和H2O。






硫酸铜



硫酸铜CuSO4·5H2O俗名胆矾或蓝矾,是蓝色斜方晶体,其水溶液也呈蓝色,故有蓝矾之称。

1 . 硫酸铜的制备

硫酸铜是用热的浓硫酸溶解铜屑,或在空气充足的情况下用热的稀硫酸与铜屑反应制得:


CuSO4·5H2O在不同温度下可以逐步失水:


实验证明,各个水分子的结合力不完全一样,四个水分子以配位键与Cu2+结合,第五个水分子以氢键与两个配位水分子和SO42-结合,因此CuSO4·5H2O可以写成[Cu(H2O)4]SO4·H2O。

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加热失水时,先失去Cu2+左边的两个非氢键水,再失去Cu2+右边的两个水分子,最后失去以氢键与SO42-结合的水分子。

2 . 性质与用途

无水CuSO4为白色粉末,不溶于乙醇和乙醚,其吸水性很强,吸水后即显出特征蓝色。可利用这一性质来检验乙醚、乙醇等有机溶剂中的微量水分,并可作干燥剂使用除去水分。

CuSO4的水溶液由于水解而显酸性,为防止水解,配制铜盐溶液时,常加入少量相应的酸。


CuSO4是制备其他铜化合物的重要原料,在电镀、电池、印染、染色、木材保存、制颜料、虫药等工业中都大量使用CuSO4。在农业上将CuSO4与石灰乳混合制得“波尔多”溶液,可用于防治或消灭植物的多种病虫害,加入贮水池中可以防止藻类生长。波尔多液配方:Cu2(OH)2SO4



硫化铜



在Cu2+盐溶液中通入H2S,就生成黑色的硫化铜CuS沉淀:


CuS不溶于水,也不溶于稀酸,但溶于热的稀HNO3中。


CuS也溶于浓的氰化钠NaCN溶液中,生成[Cu(CN)4]3- 配离子,这是一个Cu2+的氧化还原反应。反应中CN-离子既是配合剂,又是还原剂,使Cu2+还原成Cu+。CN-和(CN)2均有剧毒。



铜的配合物



Cu2+离子的外层电子构型为 ,Cu+离子的外层电子构型为 ,因此,Cu2+比Cu+更容易形成配合物。常见的铜的配合物有:

1. [Cu(NH3)4]2+配阳离子

1.向CuSO4溶液中加入少量NH3水,得到的不是Cu(OH)2,而是浅蓝色的碱式硫酸铜的沉淀:

2.2CuSO4 + 2NH3·H2O == (NH4)2SO4+Cu2(OH)2SO4↓

继续加入过量NH3水,则浅蓝色的Cu2(OH)2SO4沉淀溶解,生成宝石蓝色的[Cu(NH3)4]2+配离子的溶液:


[Cu(NH3)4]2+配离子的溶液具有溶解纤维素的性能,在所得的纤维溶液中加水或酸时,纤维又可沉淀析出,工业上利用这种性质来制造人造丝。(先把棉纤维溶解在铜氨配离子的溶液中,然后从很细的喷嘴中将溶解了棉纤维的铜氨溶液喷注于稀酸中,纤维素就会以细长而又具有蚕丝光泽的细丝从稀酸中沉淀出来。)

[Cu(NH3)4]2+溶液加热即水解生成碱式盐,加强热方可得到氧化铜:


2. [Cu(OH)4]2-配阴离子

Cu(OH)2溶于过量的浓碱溶液中即可生成蓝紫色的四羟基合铜[Cu(OH)4] 2-配阴离子。


Cu2+离子有一定的氧化性,[Cu(OH)4]2-能电离出少量的Cu2+,它可以被含有醛基的葡萄糖还原成红色的氧化亚铜Cu2O:


分析化学上利用这个反应测定醛,医学上利用这个反应来检验糖尿病。

3.[Cu(NH3)2]+配阳离子

氧化亚铜Cu2O或氯化亚铜Cu2Cl2溶于氨水形成无色的 [Cu(NH3)2]+配阳离子,它很快被空气中的氧气氧化成宝石蓝色的[Cu(NH3)4]2+配阳离子。利用这种性质可以除去气体中的氧:

Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)离子的相互转化



Cu2+和Cu+离子在不同条件下的相对稳定性,是理解铜的化学行为的关键。可以从以下两个方面来考虑这个问题:

1.离子结构

Cu+的外层电子构型为 (d轨道全充满),比Cu2+的 的构型稳定。另外,铜的第二电离势(1958kJ/mol-1)较高,所以在固态时Cu+的化合物应该比Cu2+的化合物稳定。

事实也正是如此:在高温下,Cu2+化合物变得不稳定,分解变成稳定的Cu+化合物。例如CuO、CuS、CuCl2、CuBr2在高温下都分解成相应的Cu+化合物。


在水溶液中,Cu2+由于电荷高,半径小,有较高的水合能(-2121kJ/mol-1),因此在水溶液中Cu2+化合物是稳定的。

而Cu+的电荷低,半径大,水合能只有-582kJ/mol-1,另外由铜的电势图也可以看出,Cu+在酸性溶液中不能稳定存在,自发地歧化生成Cu2+和Cu:


在20℃时,这个歧化反应的平衡常数K = [Cu]2+/[Cu+]2 =1.2×106,这说明歧化反应进行得很完全。

所以在水溶液中Cu的化合物比Cu的化合物稳定。例如将Cu2O溶于稀H2SO4中,得到的不是Cu2SO4,而是Cu和CuSO4:


2.Cu2+是弱氧化剂

只有在形成难溶的亚铜化合物或亚铜的配合物时,Cu2+才能被还原。在“铜的配合物”里我们已经介绍Cu2+可以被葡萄糖还原成难溶的Cu2O:


又如,I-离子可以把Cu2+还原成碘化亚铜的白色沉淀:


又如,铜与氯化铜在热浓盐酸中可以形成Cu+的化合物:


由于Cu+生成了[CuCl2]-配离子,溶液中Cu+浓度降低到非常小,使得反应可以向右进行。由此可见在水溶液中,Cu+的化合物除了以沉淀或配离子的形式存在外,其余都是不稳定的。

综上所述,铜的两种氧化数的化合物,各以一定的条件而存在,当条件变化时,可以互相转化。

本文引用地址:http://www.worldmetal.cn/ys/show-143249-1.html

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