第22章ds区元素.docx

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第22章ds区元素

第22章ds区元素

[教学要求]

1.掌握铜和银的重要化合物的性质。

掌握Cu（Ⅰ）和Cu（Ⅱ）的相互转化。

2.掌握锌和汞的重要化合物的性质。

掌握汞（Ⅰ）和汞（Ⅱ）的相互转化。

3.了解含汞、镉废水的处理。

[教学重点]

铜、银、锌和汞的单质及重要化合物的结构和性质，Cu （Ⅰ）和Cu（Ⅱ）及汞（Ⅰ）和汞（Ⅱ）的相互转化

[教学难点]

Cu （Ⅰ）和Cu（Ⅱ）及汞（Ⅰ）和汞（Ⅱ）的相互转化

[教学时数]

6学时

[教学内容]

1.铜族元素

2.锌族元素

[教学方法与媒体］

讲解，ppt展示

22-1   铜族元素的通性

22-1-1铜族元素的通性

周期系第一副族元素（也称为铜族元素）包括铜、银、金三个元素。

表22—1汇列了铜族元素的基本性质。

1、活泼性：

铜族元素的金属活泼性远小于碱金属。

它们的价电子层结构为（n-1）d10ns1。

从最外电子层来看它们和碱金属一样，都只有一个s电子。

但是次外层的电子数不相同，铜族元亲次外层为18个电子，碱金属次外层为8个电子（锂只有2个电子）。

由于18电子层结构对核的屏蔽效应比8电子结构小得多，即铜族元素助原子的有效核电荷较多，所以本族金属原子最外层的一个s电子受核心荷的吸引比碱金属要强得多，因而相应的电离能高得多，原子半径小得多，密度大得多等等。

由Cu→Ag→Au活泼性递减；由Na→Cs金属活泼性递增。

2、氧化态

从表中可以看出铜族元素的氧化数有+1、+2、+3三种，而碱金属的氧化数只有+1一种。

这是由于铜族元素最外层的ns电子和次外层的（n-1）d电子的能量相差不大的缘故，如铜的第一电离能为750kJ/mol，第二电离能为1970kJ/mol，它与其它元素反应时，不仅s电子能参加反应，（n-1）d电子在一定条件下还可以失去一个到二个，所以呈现变价。

碱金属如钠的第一电商能为499kJ/mol，第二电离能为4591kJ/mol，ns与次外层（n-1）d能量差很大，在一般条件下很难失去第二个电子，氧化数只能为+1。

3、标准电极电势

　　K++e-==K　　　　　φθ=-2.925V

Cu++e-==Cu　　　　φθ=0.52V

Ag++e-==Ag　φθ=0.7996V

Ag2++e-==Ag+　　　φθ=1.987V

Au3++3e-==Au　　　φθ=1.42V

由表22-2可见，铜、银、金的电极电势比氢大，所以铜族元素的金属活泼性远小于碱金属。

从上到下，金属活泼性递减；与碱金属的变化规律相反。

铜族元素的第一电离势比碱金属高得多，铜族元素的标准电极电势比碱金属的数值大。

本族元素性质变化的规律和所有副族元素一样，从上到下即按Cu、Ag、Au的顺序金属活泼性递减，与碱金属从Na到Cs的顺序恰好相反。

这是什么原因呢？

从表22-l的一些数据分可以得到一些解释：

从Cu→Au，原于半径增加不大，而核电荷确明显增加，次外层18电子的屏蔽效应又较小亦即有效核电荷对价电子的吸引力增大，因而金属活汉性依次减弱。

另一方面从能量数据的分析来看，铜、银、金的第一电离势分别为750、735、895kJ/mol。

从电离势来看，银比铜稍活泼。

如果在水溶液中反应，就应依电极电势的大小来判断。

用玻恩哈伯循环计算M（s）→M+（aq）能量变化，可见从固体金属形成一价水合阳离子所需的能量随Cu—Au的顺序越来越大，所以从Cu—Au性质越来越不活泼。

波恩哈伯循环

E=升华能+电离能+水化能

能量变化

铜

银

金

升华能/kj·mol-1

340

285

385

电离能/kj·mol-1

745.3

730.8

889.9

水化能/kj·mol-1

-582

-485

-644

总能量/kj·mol-1

503.3

530.8

630.9

4、化学键键型

由于18电子层结构的离子，具有很强的极化力和明显的变形性，所以铜族元素二元化合物有相当是共价化合物，如：

AgI是共价分子，而碱金属的二元化合物一般是离子化合物。

5、氢氧化物的碱性和稳定性

氢氧化物的碱性较弱，且极易脱水形成氧化物，而碱金属氢氧化物是强碱，对热非常稳定。

6、配位能力

另一面本族元素离子的d、s、p轨道能量相差不大，能级较低的空轨道较多，所以形成配合物的倾向也很显著，有很强的配位能力。

而碱金属通常不形成配合。

7、单质的物理性质

铜族金属密度大、硬度大、熔点高，而碱金属则密度小，硬度小、熔点低。

22-1-2金属单质

1、存在和冶炼

⑴存在

金属中铜、银和金是为人类最早熟悉的，因其化学性质不活泼，所以它门在自然界中有游离的单质存在。

自然铜（游离铜）的矿床很少，主要铜矿有辉铜矿（Cu2S）、黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu3FeS4）、赤铜矿（Cu2O）、蓝铜矿（2CuCO3·Cu（OH）2）和孔雀石（CuCO3·Cu（OH）2）等。

我国的铜矿储量居世界第三位，主要集中在江西、云南、甘肃、湖北、安徽、西藏。

现已在江西德兴建立了我国最大的现代化铜业基地。

银主要以硫化物形式存在。

除较少的闪银矿（Ag2S）外，硫化银常与方铅矿共生，我国银的铅锌矿非常丰富。

金矿主要是自然金，自然金有岩脉金（散布在岩石中）和冲积金（存在于砂砾中）两种。

我国黑龙江和新疆都盛产金。

⑵冶炼

①铜：

主要从黄铜矿提炼。

我国古代人民发明了“水法炼铜”。

在冶炼过程大致分为：

1）富集：

将硫化物矿进行浮选。

2）焙烧：

把得到的精矿进行焙烧，除去部分的硫和挥发性杂质如三氧化二砷等，并使部分硫化物变成氧化物。

主要反应如下：

2CuFcS2+O2====Cu2S+2FeS+SO2

3）制粗铜：

把焙烧过的矿石与砂子混合，在反射炉中加热到1273左右，FeS氧化为FeO以后，这时FeO又和SiO2形成熔渣（FeSiO3），它因密度小而浮在上层，而Cu2S和剩余的FeS熔融在一起生成所谓“冰铜”，冰铜较重，沉于下层：

FeO+SiO2===FeSiO3

MCu2S+nFeS===冰铜

4）制泡铜：

把冰铜放入转炉，鼓风熔炼，就得到大约含铜98%左右的粗铜。

主要反应如下：

2Cu2S+3O2===2Cu2O+2SO2

2Cu2O+Cu2S===6Cu+SO2

生成的SO2气体可用来制硫酸。

5）精炼：

一般火法精炼后铜，大约含99.5-99.7%的铜和0.5-0.3%的杂质。

这种铜的导电性还不够高，不符合电气工业的要求。

电解精炼是为了获得高导电性的更纯的铜和提取贵金属。

用电解法可得纯铜（99.99%），真空精镏得超纯铜（99.99999%）。

②银矿和金矿中银的含量往往较低，这时可采用氰化法提炼。

氰化法是用稀的KCN或NaCN溶液处理粉碎的矿石反应如下：

4Au+8NaCN+2H2O+O2===4Na[Ag（CN）2]+4NaOH

Ag2S+4NaCN===2Na[Ag（CN）2]+Na2S

4Au+8NaCN+2H2O+O2===4Na[Au（CN）2]+4NaOH

然后用金属锌进行置换，使银、金从溶液中析出：

2Na[Ag（CN）2]+Zn===2Ag+Na2[Zn（CN）4]

2Na[Au（CN）2]+Zn===2Au+Na2[Zn（CN）4]

湿法冶金无氰工艺

在特制的电解设备中将碱金属氯盐在酸性条件下进行电解，释放出的活性氯将矿石中的金氧化生成氯化金，进而生成氯氢金酸。

再以离子交换树脂吸附，经解吸、酸化、灼烧后提炼成成品金。

本工艺的最大特点是对环境无污染，投资省、生产周期短，效率高，并能适应矿物组分较为复杂的含金矿石的湿法冶金，同时，对保护自然生态平衡，开发矿产资源具有十分积极的意义。

2、性质和用途

⑴、单质的物理性质和用途

铜、银、金依次是紫红色、银白色和黄色的金属。

它们的重要物理性质见下表22-3。

铜族单质具有密度较大，熔沸点较高，优良的导电、传热性等共同特性，它们为延展性很好。

特别是金，1克全能抽成长达3公里金丝，或压成厚约0.0001毫米的金箔。

铜的导电性能仅次银居第二位。

铜在电气工业中有着广泛的应用，但是极微量的杂质，特别是As和Sb的存在会大大降低铜的导电性。

因此制造电线，必须用高纯度的电解铜。

银的导电性和导热性在金属中占第一位，与其能带的宽窄有关。

IB族金属d能带内能级多，电子多，电子较易发生跃迁。

但由于银比较贵，所以它的用途受到限制，银主要用来制造器皿、饰物、货币等。

金是贵金属，常用于电镀、镶牙和饰物。

金还是国际通用货币，一个国家的黄金储量可在一定程度上衡量一个国家的经济力量。

有时把铜、银和金称为“货币金属”，这是因为古今中外都用它们作为金属货币的主要成分。

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，如青铜（80%Cu，l5%Sn，5%Zn）质坚韧、易铸，黄铜（60%Cu、40%Zn）广泛作仪器零件，白铜（50-70%Cu，18-20%Ni，13-15%Zn）主要用作刀具等。

铜是人类历史上最早使用的金属。

我国是最早使用铜器的国家之一，并且是青铜、黄铜和白铜等合金的首创者。

据考证，在三千多年前（殷代）已能从孔雀石中炼出铜来，而且铸铜的技术也达到相当高的水平，当时许多铜器都是古铜的。

在公元前二世纪（汉代）发明了黄铜和白铜，直到十八世纪才传入欧洲，我国劳动人民在很早以前就在铜的冶炼、铸造和合金的制造上获得了辉煌的成就。

铜和Fe、Mn、Mo、B、Zn、Co等元素都可用作微量元素肥料。

铜在生命系统中有重要作用，人体中有30多种蛋白质和酶含有铜。

现已知铜最重要生理功能是人血清中的铜蓝蛋白，有协同铁的功能。

⑵化学性质

铜族元素的化学活性远较碱金属低，并按Cu、Ag、Au的顺序递减，这主要表现在与空气中氧的反应及与酸的反应上。

①与氧的作用

铜在常温下不与干燥空气中的氧化合，加热时能产生黑色的氧化铜。

银、金在加热时也不与空气中的氧化合。

在潮湿的空气中放久后，铜表面会慢慢生成一层铜绿。

2Cu+O2+H2O+CO2====Cu（OH）2·CuCO3

铜绿可防止金属进一步腐蚀，其组成是可变的。

银、金则不发生这个反应。

当有沉淀剂或配合剂存在时，可反应（为什么？

）。

所以不可用铜器盛氨水!

空气中如含有H2S气体跟银接触后，银的表面上很快生成一层Ag2S的黑色薄膜而使银失去白色光泽。

银器年久变黑，银没有验毒本领！

②与卤素的反应

铜族元素都能和卤素反应，但反应程度按Cu—Ag—Au的顺序逐渐下降。

铜在常温下就能与卤素作用，银作用很慢，金则须在加热时才同干燥的卤素起作用。

③与酸作用

1）在电位序中，铜族元素都在氢以后，Cu,Ag,Au不能置换稀酸中的H+（还原性差）；

2）生成难溶物或配合物,使单质还原能力增强；

3）当有空气、配位剂存在时，铜能溶于稀酸和浓盐酸：

2Cu+4HCl+O2===2CuCl2+2H2O

2Cu+2H2SO4+O2===2CuSO4+2H2O

浓盐酸在加热时也能与铜反应，这是因为C1-和Cu+形成配离子[CuCl4]3-，

2Cu+8HCl（浓）===2H3[CuCl4]+H2↑

4）Cu,Ag,Au可溶于氧化性酸

铜易为HNO3、热浓硫酸等氧化性酸氧化而溶解：

Cu+4HNO3（浓）====Cul（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3Cu+8HNO3（稀）====3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

Cu+2H2SO4（浓）=CuSO4+SO2↑+2H2O

银与酸的反应与铜相似，但更困难一些：

2Ag+2H2SO4（浓）=Ag2SO4+SO2↑+2H2O

而金只能溶解在王水中：

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