铜及其化合物在高中化学中的重要作用

李梦然+吴国庆

金属铜是日常生活中常见的一种金属，在初中化学中就有所涉及，然而在高中化学中所体现出来的作用就更为明显。在高中化学必修一的教材中，只涉及了金属钠、铝和铁及它们的化合物的相关性质，并没有对金属铜及其化合物作系统性的概述。但是，铜及其化合物在整个高中化学中的地位是不容忽视的，从某种程度上说其重要性甚至超过了上述三种金属，因而本文将详细地论述铜在整个高中化学网中的桥梁作用。

首先，从铜原子的微观结构来看，它的核外电子排布为[Ar]3d104s1，为3d轨道全充满模型，较为稳定。从它的晶体结构来看，它属于金属晶体中的面心立方最密堆积，与它的堆积方式相同的有银和金等，配位数为12，而空间利用率则高达74%。铜在化合物中的常显价态为+1价和+2价，其中+2价的铜较为稳定，而+1价的铜在一定条件下易被氧化，某些环境下（如酸性环境）易发生歧化反应。铜及其化合物在高中化学中的转换关系可用如下示意图进行表示：

铜及其化合物作为无机化学中重要的一类物质，它们和其他的金属以及化合物一样，有着一些很常规的转换。如CuO、CuCl2、Cu（OH）2和CuSO4，这些物质之间的转换大多是常规的复分解反应，这些在初中化学中都有提到，它们的转换并不难。然而铜单质作为一种并不活泼的金属，它的很多转变便显得较为复杂，比如铜与氧化性较强的氧气可以生成+2价的氧化铜，但与氧化性较弱的S只能生成+1价的Cu2S。铜与酸溶液间的反应也显得尤为特别，如与浓硫酸在加热条件下可生成SO2，在常温下不反应。值得注意的是当浓硫酸慢慢变稀到一定程度时，此反应便不再进行，所以关于这一块的考题是很多的。铜与HNO3的反应也很复杂，与HNO3在常温下即可反应，教材中重点介绍了与浓硝酸反应生成二氧化氮，与稀硝酸反应生成一氧化氮，实际上铜与硝酸的反應会因硝酸浓度的不同产生各种产物，如与极稀的硝酸反应可以生成硝酸铵，所以关于铜与硝酸反应产物多样化的混合计算在高中化学中一直是一个难点。铜与浓硫酸、硝酸的反应均体现了酸的强氧化性，从某种程度上说，铜可在酸性环境下与氧化性离子发生反应，如铜和酸性的过氧化氢溶液可反应生成铜离子和水，铜与稀硫酸虽不反应，但是向其中加入硝酸钠铜片会溶解，此类反应考查了无机化学反应的实质，即铜与离子间的组合反应。

在无机化学中，铜及其化合物在电化学中也有充分的应用，如在原电池和电解池中，铜通常会被用作电极之一，而铜的化合物，如氯化铜、硫酸铜的溶液经常被用作电解质溶液。在电解池中铜的应用更为广泛，如电解氯化铜溶液和电解硫酸铜溶液就属于两种类型，前者属电解电解质型，后者属放氧生酸型。在金属的精炼过程中，铜的精炼较重要的内容，纯铜作阴极，粗铜作阳极，并且用含铜离子的溶液作为电解质溶液，是粗铜精炼的重要模型，这一模型有助于中学生掌握电解法冶炼金属的原理。与电解法冶炼金属相提并论的是电镀，而在电镀中镀铜是很重要的一个部分。通常情况下，由于铜的活泼性较差，故很多情况下在其他活泼金属的表面镀上一层铜会增强该金属的防腐蚀性能，因而电镀铜在实际生活中的应用也非常广泛，其原型就是待镀金属作阴极，镀层金属（如铜）作阳极，含镀层金属离子的电解质溶液作为电镀液即为电镀模型。

铜在高中配合物化学中也有着较广泛的应用，如铜离子易接受水分子或氨分子提供的孤电子对，从而形成天蓝色的[Cu（H2O）4]2+和深蓝色的[Cu（NH3）4]2+，这类配合物的品种超过百万，是一个庞大的化合物家族。

金属铜不仅在无机化学中占有一定的地位，在有机化学中也有着一席之地。在有机化学的含氧衍生物转变过程中，伯醇催化氧化生成醛，醛催化氧化生成酸，都可以用铜作为催化剂，可见位于过渡族的铜在有机化学中有着重要的催化作用。此外，含醛基类的物质与新制氢氧化铜悬浊液可以产生砖红色沉淀这一现象可以鉴定含醛基类的物质，如醛类、甲酸、甲酸某酯以及葡萄糖等物质。

（作者单位：安徽省宏图大地中学）