元素拓展：铜及其化合物总结

元素拓展：铜及其化合物总结

铜是一种重要的过渡金属元素，在化学、材料科学等领域有着广泛的应用。本文将从铜的颜色与溶解性、铜的锈蚀反应、铜的溶解方法以及氧化亚铜的性质和用途等方面，对铜及其化合物进行系统总结。

铜的颜色与溶解性

铜在常温下为紫红色金属，具有良好的导电性和导热性。铜在干燥的空气中比较稳定，在水中也几乎不反应，但在含有二氧化碳的潮湿空气中，铜会生成铜绿。

铜绿可防止金属进一步腐蚀。铜绿可以溶解于稀硫酸：

$$
Cu_2(OH)_2CO_3 + 4H^+ \rightarrow 2Cu^{2+} + CO_2↑ + 3H_2O
$$

铜的锈蚀

与氧气的反应

铜在空气中或氧气中加热时，表面会变黑，生成氧化铜：

$$
2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO
$$

利用此反应可除去混在氢气、一氧化碳中的少量氧气。

与氧气、二氧化碳、水的作用

铜在干燥的空气中比较稳定，在水中也几乎不反应。但在含有二氧化碳的潮湿空气中，铜会生成铜绿：

铜绿可防止金属进一步腐蚀。铜绿可以溶解于稀硫酸：

$$
Cu_2(OH)_2CO_3 + 4H^+ \rightarrow 2Cu^{2+} + CO_2↑ + 3H_2O
$$

铜的溶解

与强氧化性体系反应

铜可以与硝酸、浓硫酸等强氧化性物质反应。例如，铜与浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮和水：

$$
Cu + 4HNO_3(浓) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2↑ + 2H_2O
$$

铜与稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水：

$$
3Cu + 8HNO_3(稀) \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO↑ + 4H_2O
$$

铜与浓硫酸反应生成硫酸铜、二氧化硫和水：

$$
Cu + 2H_2SO_4(浓) \rightarrow CuSO_4 + SO_2↑ + 2H_2O
$$

工业上常用氯化铁溶液作为“腐蚀液”，腐蚀多余的铜箔，制作印刷电路板，其反应原理是：

$$
Cu + 2FeCl_3 \rightarrow CuCl_2 + 2FeCl_2
$$

与稀硫酸反应

铜与稀硫酸不直接反应，但可以通过以下方法实现溶解：

• 电解法：阳极：$Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$，阴极（石墨）：$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2↑$

• 外加氧化剂法：

• 向体系中充入氧气：$2Cu + 4HCl + O_2 \rightarrow 2CuCl_2 + 2H_2O$

• 向体系中加入硝酸钾：$3Cu + 8H^+ + 2NO_3^- \rightarrow 3Cu^{2+} + 2NO↑ + 4H_2O$

• 向体系中加入过氧化氢：$Cu + H_2SO_4 + H_2O_2 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

• 向体系加入芬顿试剂：$2Fe^{2+} + 2H^+ + H_2O_2 \rightarrow 2Fe^{3+} + 2H_2O$，$2Fe^{3+} + Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2Fe^{2+}$（$Fe^{2+}$作为催化剂）

• 络合作用：$2Cu + O_2 + 8NH_3·H_2O \rightarrow 2[Cu(NH_3)_4]^{2+} + 4OH^- + 6H_2O$

氧化亚铜（Cu2O）

制取

氧化亚铜可以通过加热氧化铜制得：

$$
4CuO \rightarrow 2Cu_2O + O_2↑
$$

性质

• 在湿空气中易被氧化
• 在酸性条件下易发生歧化反应：

$$
Cu_2O + 2H^+ \rightarrow Cu^{2+} + Cu + H_2O
$$

在氢气还原氧化铜实验中，所得红色固体可能是铜与氧化亚铜的混合物，可以通过向红色物质中加入稀硫酸来检验是否含有氧化亚铜。如果溶液由无色变成蓝色，则该红色物质中含有氧化亚铜，否则仅为铜。反应的化学方程式为：

$$
Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + Cu + H_2O
$$

用途

氧化亚铜可以用作还原剂，例如：

$$
Cu_2O + 6HNO_3(浓) \rightarrow 3H_2O + 2Cu(NO_3)_2 + 2NO_2(气体)
$$

$$
3Cu_2O + 14HNO_3(稀) \rightarrow 6Cu(NO_3)_2 + 7H_2O + 2NO(气体)
$$

氧化亚铜还可以用于普通玻璃制造，加入一些氧化亚铜可以使玻璃呈现红色。