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第18章铜族元素锌族元素
18.1铜族元素
通性
铜族元素:周期表ds区,第IB副族,包括铜(copper)、银(silver)、金(gold)三种元素。价电子构型为(n-1)d10ns1,最外电子层只有一个s电子,次外层为18个电子。
铜族元素与碱金属元素的性质差异主要表达在以下三点:
●铜族元素的最外层电子受到的有效核电荷较大,使铜族元素的电离能高,原子半径小,密度大,化学活性差。
●铜族元素有多种氧化态,主要有+Ⅰ、+Ⅱ、+Ⅲ三种,而碱金属的氧化态只有+Ⅰ。
●碱金属从Na到Cs,金属活泼性增高;铜族元素恰恰相反,从铜到金化学活性逐渐降低。从Cu到Au,原子半径增加不大,而核电荷却有明显增加,次外层18电子的屏蔽效应又小,使核对电子的吸引力增大,因而金属活泼性依次减弱。
铜族元素通性及变化规律:
●从Cu到Au形成一价水合离子的活性越来越弱,金属的活泼性减弱。
●Cu+在高温和固态时很稳定---①d10全充满的稳定构型电子;②铜的第二电离能比第一过渡系任何元素都大的缘故。但在溶液中Cu+不稳定,易歧化成Cu2+和Cu----Cu2+的水和热很大。
●一价离子具有18电子构型,有很强的极化能力和明显的变形性,本族元素易形成共价化合物;
●原子中(n-1)d、ns、np轨道的能量相差不大,有能级较低的空轨道,所以有很强的形成配合物的倾向。
单质的物理性质和化学性质
1.物理性质
铜族元素单质的密度较大,熔沸点较高,但硬度较小。它们都有很好的延展性,特别是金,1克金能抽成长达3km的金丝或压成厚约0.0001mm的金箔,500张的总厚度比头发丝的直径还薄些。铜族元素都有良好的导电性和导热性。银的导电性在金属中位居首位,铜列次席。
铜族金属之间以及和其它金属之间,都很容易形成合金,其中铜合金种类很多,历史也最久远,如青铜〔80%Cu,15%Sn,5%Zn〕质地坚韧、易铸;黄铜〔60%Cu、40%Zn〕广泛用于制作仪器零件;白铜〔50~70%Cu,18~20%Ni,13~15%Zn〕主要用作刀具等。金也易生成合金,尤其是易形成汞齐。
2.化学性质
化学活性较差,并按Cu、Ag、Au的顺序递减。常温下,铜在枯燥的空气中较稳定,但铜在空气中加热,能生成黑色的氧化铜。银、金在加热时也不与空气中的氧化合。
●铜久置于潮湿的空气中,外表会慢慢生成一层铜绿:
2Cu+O2+H2O+CO2Cu(OH)2·CuCO3
●银与空气中的H2S气体接触后,外表上很快生成黑色的Ag2S薄膜。
●铜族元素都能和卤素反响,反响程度按Cu-Ag-Au的顺序逐渐降低。
铜在常温下能与卤素反响,银反响慢,金那么需在加热时才同枯燥的卤素起反响。
●在金属活动顺序表中,铜族元素都在氢以后,它们不与水反响,也不能置换稀酸中的氢。但当有空气存在时,铜可缓慢溶解于这些稀酸中:
2Cu+4HCl+O22CuCl2+2H2O
2Cu+2H2SO4+O22CuSO4+2H2O
●铜可与热的浓盐酸反响,Cu可溶解于浓KCN溶液中,这是因为Cl-、CN-和Cu+形成了较稳定的配离子[CuCl4]3-,[Cu(CN)4]3-,降低了电极电位。
2Cu+8HCl〔浓〕2H3[CuCl4]+H2↑
2Cu+8CN-(浓)+2H2O2[Cu(CN)4]3-+2OH-+H2↑
●铜、银都能溶于HNO3或热浓硫酸等氧化性酸,而金只溶解于王水中。
Cu+4HNO3(浓)Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+2H2SO4〔浓〕CuSO4+SO2↑+2H2O
2Ag+2H2SO4(浓)Ag2SO4+SO2↑+2H2O
Au+4HCl+HNO3HAuCl4+NO↑+2H2O
铜、银、金在强碱中均很稳定。
3、用途
铜在电器工业中有着广泛的应用,但是极微量杂质的存在会大大降低铜的导电性,因此制造电线,必须要用高纯度的电解铜。银主要用来制造器皿、饰物、货币等。铜、银和金又称为“货币金属”,这是因为古今中外都用它们制作金属货币。金广泛用于火箭、导弹、潜艇、宇宙飞船、核反响堆、超级集成电路和化学工业。
铜在生命系统中有重要作用,铜是生命过程不可缺少的微量元素,人体中有30多种蛋白质和酶含有铜。现铜的最重要生理功能是人血清中的铜蓝蛋白,有协同铁功能。在铁的生理代谢过程中,Fe2+氧化为Fe3+需要铜蓝蛋白的催化氧化,以利Fe3+与蛋白质结合成铁蛋白,合成血
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