關于銅元素性質的探究

徐菁涵

（撫順市第二中學，遼寧 撫順 113006）

1 對于Cu氧化態研究

1.1 +1和+2氧化態

銅元素在元素周期表的第四周期第IB族，其核外電子排布為[Ar]3d104s1。通過其電子排布式似乎可以得出：銅易失去一個4s電子變成Cu+達到3d軌道的全充滿且不易在失去第二個電子破壞全充滿變成Cu2+，但是，我們又知道，Cu2+在水溶液中相當穩定，其氧化性又不很強，而且反應：2Cu+(aq)=Cu2+(aq)+Cu(s)向右進行得非常完全。對于這個問題，我查閱了相關數據，做出解釋。

相關數據如表：

表1 Cu氧化態數據分析

由表中數據可知，Cu2+離子半徑比Cu+離子半徑小，電荷量多了一倍，因此Cu2+的溶劑化作用比Cu+的強得多，Cu2+的水化能已超過銅的第二電離能，因此在水溶液中，若無配體存在，Cu2+要比Cu+更穩定。

1.2 +3氧化態

查閱文獻可知：在一大氣壓的氧氣氣氛中加熱過氧化鉀和氧化銅的混合物至400℃～450℃24h，可制得含Cu(III)的化合物銅(III)酸鉀KCuO2。Cu(III)的氧化性很強，加熱Cu(III)鹽時可以放出氧氣，與濃鹽酸作用可以放出氧氣和氯氣。

2 對于銅的化合物的研究

2.1 氧化物

銅的氧化物有兩種，分別是黑色的CuO和紅色的Cu2O。現對這兩種化合物之間的轉化反應進行研究。

4CuO(s)=2Cu2O(s)+O2(g)

查閱熱力學數據可知，該反應的ΔrHm0=287.54kJ/mol，ΔrSm0=232.62J/(mol·K)將Gibbs-Helmhote方程式與van’t hoff方程式聯立，得：

空氣中氧氣的分壓為p=101.325kPa×20.94%=21.22kPa

將ΔrHm0、ΔrSm0、Q代入(1)式中，可求得該反應的轉向溫度為1171K，即在空氣中將氧化銅或銅單質加熱至1171K以上，將會生成Cu2O。

2.2 氯化物

氯化銅(II)(CuCl2)水溶液在不同濃度時可顯示出不同的顏色。其稀溶液為藍色，中等濃度為綠色，很濃的溶液為黃綠色。這是因為在稀溶液中，Cu(II)以[Cu(H2O)4]2+離子為主要存在形式，此離子為藍色；在很濃的溶液中和主要以[CuCl4]2-存在，該離子為黃色；當二者均有時溶液為綠色。

向CuCl2的較濃溶液中加入金屬銅，加熱至沸騰一段時間，可以得到一種黑色溶液，將此溶液稀釋得到白色雪花狀沉淀，該沉淀即為CuCl。

實驗過程的照片：

圖1 氧化銅的反應過程

這一過程的反應方程式為：

Cu+[CuCl4]2-+2Cl-=2[CuCl3]2-

[CuCl3]2-=CuCl↓+2Cl-

CuCl在干燥空氣中穩定，在有水存在的條件下會被空氣中的氧氣氧化。

2.3 碘化物

化合物“CuI2”并不存在，因為Cu2+可將I-氧化：

2Cu2+(aq)+4I-(aq)=2CuI(s)+I2(aq)

現用電化學知識加以說明：

查閱數據表可知：

可解出該反應標準平衡常數K0=1.68×1011

此反應進行得十分完全且生成的碘單質可以被硫代硫酸鈉溶液以淀粉做指示劑進行滴定，故可以用來測定溶液中Cu2+的濃度，該法被稱為“碘量法”。

2.4 氫氧化物

CuSO4(aq)與NaOH(aq)反應可得到淺藍色的Cu(OH)2沉淀，Cu(OH)2可以溶解于很濃的氫氧化鈉溶液中形成Cu(OH)42-。

Cu(OH)2還可以溶解于氨水中形成配合物離子[Cu(NH3)4]2+，該離子為平面四方結構，銅采用d2sp3雜化。

將Cu(OH)2的堿性懸濁液中加入還原性物質，如含有醛基的葡萄糖、乙醛等混合加熱，即可生成紅色的Cu2O，該方法常用來檢驗有機物中的醛基。

圖2 氫氧化物化學式

3 醋酸銅的制備及其純度測定

3.1 醋酸銅的部分性質

醋酸銅為藍綠色固體，其一水合物為反磁性物質，然而Cu2+價電子構型為3d9，所以一水合醋酸銅固體為二聚體，化學式為Cu2(CH3COO)4(H20)2兩個Cu(II)以金屬-金屬δ鍵相連。其結構如右圖所示：

3.2 醋酸銅的制備方法

醋酸銅可以由氧化銅或氫氧化銅與醋酸反應得到。但是因為醋酸是液體不方便得到，因此我采用了用硫酸銅與醋酸鈉反應來制備(該法的缺點就是有些浪費，因為醋酸銅的溶解度并不是非常小)。

做出的產品的照片：

圖3 醋酸銅成品

3.3 產品純度測定

稱取適量產品，加入稀硫酸溶解。加入適量的碘化鉀固體。然后以淀粉為指示劑，以濃度為0.1000mol/L的Na2S2O3溶液進行三次平行滴定。滴定至終點時現象為藍色褪去且30s不變色。過程中發生如下反應：

三次試驗稱取的產品的質量、消耗的硫代硫酸鈉溶液的體積和測出的產品純度列于下表：

表2 產品濃度測定

4 結論

本次研究性學習，我通過化學實驗看到了直觀的現象，深入了解了銅的化學性質，掌握了實驗技能，不僅激發了我的學習興趣，加深了我對化學基本概念、基本知識的理解，而且培養了我分析問題和解決問題的能力，提高了我的動腦、動手能力，有助于使我養成嚴肅認真的科學態度。