铜族元素

一:铜族元素的基本性质

   铜族元素包括铜、银、金三种元素,它们元素的基本性质见下表。

性    质

元 素 符 号

Cu

Ag

Au

原  子  序

29

47

79

原  子  量

63.546

107.868

196.9665

价电子构型

3d104s1

4d105s1

5d106s1

常见氧化态

+Ⅰ,+Ⅱ

+Ⅰ

+Ⅰ,+Ⅲ

(金属)原子半径/pm

127.8

144.4

144.2

M+离子半径/pm

96

126

137

M2+离子半径/pm

72

89

85(M3+

第一电离势/(kJ.mol-1)

750

735

895

第二电离势/(kJ.mol-1)

1970

2083

1987

M+(g)水合热/(kJ.mol-1)

-582

-485

-644

M2+(g)水合热/(kJ.mol-1)

-2121

--

--

升华热/(kJ.mol-1)

340

285

约385

电  负  性

1.9

1.93

2.54

二:铜族元素的通性

   铜族元素的价电子构型为(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,铜族元素次外层为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,使铜族元素的有效核电荷较大,对最外层s电子的吸引力比碱金属的强,因此,与同周期的碱金属相比,铜族元素的原子半径较小,第一电离势较高;单质的熔点、沸点、固体密度及硬度等均比碱金属高,所以铜族元素的金属活泼性远小于碱金属。

   铜族元素的氧化态有+Ⅰ、+Ⅱ、+Ⅲ三种,而碱金属的氧化态只有+Ⅰ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。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。
   铜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(金属活泼性增高)恰相反。这是什么原因呢?在铜族元素中,从Cu→Au,原子半径增加不大,而核电荷却有明显增加,次外层18电子的屏蔽效应又较小亦即有效核电荷对价电子的吸引力增大,因而金属活泼性依次减弱。另一方面用玻恩-哈伯循环计算M(s)→M+(aq)过程的能量变化:

能 量 变 化

升华热/(kJ.mol-1)

340

285

约385

电离势/(kJ.mol-1)

750

735

895

水合热/(kJ.mol-1)

-582

-485

-644

总能量/(kJ.mol-1)

508

531

636

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。
   由于具有18电子层构型的离子,有很强的极化力和明显的变形性,所以本族元素容易形成共价化合物;另一方面本族元素离子的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。

三:铜族元素电势图

    铜族元素的标准电势图如下:

 

铜族单质

一:物理性质

   铜、银、金的重要物理性质见下表。

单  质

 性 质

晶  型

面心立方

面心立方

面心立方

颜  色

赤红色

银白色光泽

黄色光泽

密度/g.cm-3

8.96

10.50

18.88

导电性(Hg=1)

56.9

59

39.6

导热性(Hg=1)

51.3

57.2

39.2

硬  度

2.5-3

2.5-4

2.5-3

熔 点/K

1356.4

1234.93

1337.43

沸 点/K

2840

2485

3353

   铜族单质具有密度较大,熔沸点较高,导电、导热性和延展性良好等共同特性。如银的导电性和导热性在所有金属中占第一位,铜占第二位。Au的展性是所有金属中最好的,而延性也排第二位。
   铜族金属之间以及和其它金属之间,都很容易形成合金。

二: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. 与氧的反应
   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Cu(OH)2.CuCO3

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反应,银反应很慢,金则须在加热时才同干燥的卤素起反应。

3. 与酸的反应
   在电位序中,铜族元素都在氢以后,所以不能置换稀酸中的氢。但当有空气存在时,铜可缓慢溶于这些稀酸中。铜在加热下能与浓盐酸反应,铜易被HNO3、热浓硫酸等氧化性酸氧化而溶解。
   银与酸的反应与铜相似,但更困难一些。而金只能溶于王水中。
   铜、银、金在强碱中均很稳定。

 

铜族与碱金属的对比

    碱金属和铜族元素性质简要对比如下:

元   素

铜族元素

碱金属元素

物理性质

    金属性较强,具有较高的熔点、沸点和升华热,良好的延展性。导电性和导热性最好,密度也较大等。

   金属键较弱。熔点、沸点较低,硬度、密度也较小。

 

化学活泼性和性质变化规律

是不活泼的重金属。同族内活泼性随原子序数增大而减少。

是极活泼的轻金属。同族内金属活泼性随原子序数增大而增加。

氧化态

有+Ⅰ、+Ⅱ、+Ⅲ三种

总是呈+Ⅰ氧化态

化合物的键型和还原性等

化合物有较明显的共价性,化合物主要是有颜色的,金属离子易被还原。

化合物大多是离子型。正离子一般是无色的,极难被还原。

离子形成配合物的能力

有很强的生成配合物的倾向

仅能同极强的配位剂生成配合物。因此以碱金属离子做中心原子的配合物极少。

氢氧化物的碱性和稳定性

氢氧化物碱性较弱,易脱水形成氧化物

氢氧化物是强碱,对热非常稳定。