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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。 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。 |
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