銅及其化合物全攻略：電煉純銅、氧化數特性與金屬活性序列解析 | 莫斯利自然科學

2天前

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從人類最早掌握並用於製作器具的古老金屬，到現代高精密電路板與導線中不可或缺的導電命脈，銅 (Cu) 這種帶有獨特黃中帶紅光澤的金屬，究竟隱藏著什麼樣的電化學精隨與錯綜複雜的化合物特性？

選修化學IV 銅及其化合物

一、銅的存在與電煉純銅製程

存在狀態：
- 銅為週期表第 11 族的元素，外層電子組態為 [Ar] 3d¹⁰ 4s¹。
- 金屬銅的顏色為黃中帶紅，自然界可發現少量元素態的銅，不過大部分的銅是由礦石提煉而得，如赤銅礦 (Cu₂O)、輝銅礦 (Cu₂S)、黃銅礦 (CuFeS₂)、藍銅礦 (CuCO₃ · Cu(OH)₂) 等。
電煉純銅（精煉）：
- 步驟一（粗銅取得）： 含氧化銅的銅礦製銅時，可先用煤焦還原，得到粗銅（純度 < 99%）。因粗銅中往往含有金、銀等雜質，需進一步精煉，才能當電線使用。
- 電解槽裝置： 以純銅為陰極，粗銅為陽極，並以含少量硫酸的硫酸銅水溶液為電解液。
- 陽極與陰極反應：
  - 陽極反應（粗銅溶解）：Cu(s) ➔ Cu²⁺(aq) + 2e⁻
  - 陰極反應（純銅析出）：Cu²⁺(aq) + 2e⁻ ➔ Cu(s)
- 陽極泥： 金、銀等還原電位較大之金屬，不易形成離子，而沉於槽底，俗稱陽極泥，由其中回收的貴金屬可支付部分電解的費用。

物理與化學性質：
- 銅為具有紅棕色光澤的金屬，良好延展性，導電度僅次於銀。
- 不溶於鹽酸與稀硫酸（因還原電位大於氫），但溶於熱濃硫酸與濃(稀)硝酸。
  - 與熱濃硫酸反應：Cu + 2H₂SO₄(濃) ➔ CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O
  - 與濃硝酸反應：Cu + 4HNO₃(濃) ➔ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
  - 與稀硝酸反應：3Cu + 8HNO₃(稀) ➔ 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
- 氧化數有 +1 與 +2。而亞銅離子 (Cu⁺) 的水溶液不穩定，易發生自身氧化還原反應（歧化反應：2Cu⁺ ➔ Cu²⁺ + Cu）。
重要銅化合物：
- 氧化銅 (CuO)：黑色固體，不溶於水，由銅在空氣中加熱得到。
- 硫酸銅： 無水硫酸銅為白色粉末；五水硫酸銅 (CuSO₄ · 5H₂O) 為藍色固體。
- 鹼式碳酸銅（銅綠，CuCO₃ · Cu(OH)₂）：可保護內部不再被腐蝕。

【題目】 將銅片浸於下列各溶液中，哪些可起反應？

(A) NaCl(aq) (B) 稀 H₂SO₄(aq) (C) 稀 HNO₃(aq) (D) 濃 HCl(aq)

【解析】

銅的還原電位大於氫（Cu²⁺ + 2e⁻ ➔ Cu 的標準還原電位為 +0.34V），因此銅是活性小於氫的金屬，無法置換出非氧化性酸（如稀 H₂SO₄、鹽酸 HCl）中的氫氣。
(A) NaCl 溶液為中性鹽，不與銅反應。
(B) 稀 H₂SO₄ 為非氧化性酸，銅不與其反應。
(C) 稀 HNO₃ 具有強氧化力，雖不釋放氫氣，但能將銅氧化並溶解，同時放出一氧化氮 (NO) 氣體，反應會發生。
(D) 濃 HCl 若無氧化劑存在，銅不與其反應。
正確選項：(C)

【題目】 a、b、c、d、e 分別是 Cu、Ag、Fe、Al、Mg 五種金屬中的一種。已知：

【解析】

分析條件 1： a、c、e 能與稀 H₂SO₄ 反應放出氣體，代表這三種金屬的活性大於氫（Cu 與 Ag 活性小於氫，故不含 Cu、Ag）。因此 a、c、e 必為 Fe、Al、Mg 其中三種。
分析條件 3： c 與強鹼反應放出氣體，在高中範圍內，兩性金屬 Al 能溶於強鹼放出氫氣，故 c 為 Al。
分析條件 4： c (Al) 和 e 在濃硝酸中具有抗蝕性（會發生鈍化現象），另一種會鈍化的金屬是 Fe，故 e 為 Fe。
剩下 a 只能是 Mg（Mg、Al、Fe 均可與稀硫酸反應）。
分析條件 2： 剩下 b 與 d 為 Cu 和 Ag。金屬 b 能與 d 的硝酸鹽反應置換出 d，代表 b 的活性大於 d。已知 Cu 活性大於 Ag，故 b 為 Cu，d 為 Ag。
最終解答：
- a = Mg
- b = Cu
- c = Al
- d = Ag
- e = Fe