铜的舞台.pdf
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1、 Univ. Chem. 2018, 33 (X), 00010009 0001 收稿:2018-03-20;录用:2018-03-28;网络发表:2018-04-24 2017 级本科生 *通讯作者,Email: 基金资助:国家基础科学人才培养基金项目(J1310024) 科普 铜的舞台铜的舞台 摘要摘要:铜及其化合物在我们的生产生活中不可或缺。本文将元素周期表比作联合国,采用话剧的形式,借助生动的情节 和拟人化的对话,主要介绍铜及其化合物的性质和应用。 关键词:关键词:铜;性质;应用 中图分类号:中图分类号:G64;O6 The Stage of Copper LING Yixin , Z
2、HU Yaxian * College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, P. R. China. Abstract: Copper and its compounds are indispensable in our life and production. This article compares the periodic table to the United Nations. We tell a story that happened in
3、 the Periodic United Nations, with lively and dramatic dialogs and storyline, to introduce the properties and applications of copper and its compounds. Key Words: Copper; Chemical properties; Application 1 序幕序幕 明年就是元素联合国建国 150 周年纪念,联合国秘书长氧先生最近忙得焦头烂额,作为地球上 人口最多的家族, 他不仅要管理天上地下氧家族的各个成员, 还要负责筹备 150 周年纪念
4、日的演出。 说起演出,氧先生翻了翻手中的文件,“咦,铜家族怎么还没有交节目单?”他用手指敲了敲圆圆 的大脑袋,决定去一探究竟。 2 第一幕第一幕 谈到铜家族,那可就说来话长了。早在 4000 多年前,铜就开始被人类使用,铜家族的历史也是 相当的辉煌。这天,铜爷爷正在给孩子们讲铜家族“与众不同”的基因和家族史。 “咱们铜家族在元素共和国排行 29,领地在第四周期、IB 族,属于 ds 区元素。标准体重是 63.546 gmol1,金属半径为 127.8 pm,密度约为 8.96 gcm3 1,拥有独特的绿色火焰。咱们次外层有 18 个 电子,可不要小瞧了这 18 个电子啊,这是咱们区别于 IA
5、族人的标记!因为它们,咱们有很好的延 展性、导电性和导热性,还具有不同的价态。咱们族人第一电离能较大,所以性格稳重而好独居, 这个优点使得咱们领先于铁被人类冶炼和使用。从夏、商、西周开始,青铜器就开始作为礼乐祭祀 2 大 学 化 学 Vol.33 用品接受朝拜,也作为兵器用于战争。那时候,咱们是财富和权利的象征。想当年,我披着金色的 外衣,站在祭祀台上”铜爷爷捋着胡须陷入了遐想。 “爷爷,不对不对,您看您浑身都是青色的,我听人类都喊您为青铜,哪来金色的外衣啊?” 铜宝在地上一蹦一跳。 铜爷爷叹了口气,“后来,国家灭亡,我也不幸被埋入了泥土,历经千年沧桑,变成了现在的 肤色。虽然在电化学活性顺序
6、中,我们具有比较高的正电位(+0.35 V vs SHE) 2,不会发生析氢反应, 但是长年生活在潮湿阴暗的地下,又与二氧化碳为伴,咳咳,皮肤上就会有绿棕色或蓝绿色的铜绿 出现,加上铅和锡被氧化泛出青绿色,于是我们就被人们称为青铜。” 铜宝听了,跳入爷爷怀里,“爷爷别伤心”。 铜爷爷说,“你现在还小,等你长大了,长期暴露在空气中,吸收水分,皮肤上就会形成一层 电解质液膜, 接下来污染性气体和盐的颗粒吸附并且溶解在这层液膜中, 使得那一层液膜厚度增大, 导电性、酸性及腐蚀性增强,就会诱发电化学腐蚀2,那不仅会使你迅速老去,如果做材料还极易诱 发安全事故啊。” 铜宝仰起脸, 望着爷爷的眼睛, “不
7、怕, 听说人类的科学家已经有办法阻止可怕的腐蚀了呢。” “真的?” “当然啦,不仅有传统的合成树脂涂层、缓蚀剂保护膜、自组装单分子膜以及合金涂层来保护 咱们,还从咱们自身入手,通过铜合金表面形貌调控,使咱们的皮肤具有超疏水能力,水滴在皮肤 表面的接触角达到了 158,滚动角低于 10 3,这样,液体介质不易渗入,咱们就自然有了自清洁 和抗腐蚀的能力。” 两人正在说话间,突然传来了敲门声 “咚,咚咚,铜爷爷在吗?演出的事儿准备得怎么样了?”是氧先生的声音。 3 第二幕第二幕 铜爷爷领着氧先生往铜家族的祠堂走去,那里已经成为彩排中心。 祠堂里正在彩排的节目是大合唱团结就是力量, 由铜家族的宝宝们出
8、演。 合唱团的队形按照 铜集群而居的构型面心立方最密堆积来排列。 一个铜宝与他周围的 6 个伙伴紧密相连, 他们手拉 着手站在最底下的一层,第二层的铜宝们也紧紧相拥,他们的脚踩在第一层铜宝之间的空隙中,第 三层也不甘落后,他们互相搀扶着,踩在第二层的空隙上,ABC、ABC 重复,层层叠叠,周而复始。 每个面心立方晶胞有 8 个顶点、6 个面心,每个顶点的铜宝由 8 个晶胞所共用、每个面心的铜宝由 2 个晶胞所共用,每个铜宝周围有 12 个兄弟相拥。他们采用的是空间利用率高达 74%的堆积方式排 列,因为他们明白,他们因亲密而稳固,因稳固而更加亲密。无数的铜宝组成无数的晶胞,完成了 这场气势宏伟
9、的合唱。 合唱结束,他们开始表演杂技变形记。这体现的正是铜家族良好的延展性。主演是“方正端 庄”的铜先生他现在的体形是他从炼铜厂出生时的形态。看,经过捶打,他可以成为轻薄的铜 片,而经过拉伸,他又变成了长长的细丝。不仅如此,他还可以变身成为各种形状来适应不同的工 作环境:轴承,纽扣,拉链,开关铜遭受千锤百打却不轻易碎裂的秘诀在于,铜的最外层和次 外层的电子都参与金属键的形成,铜就生活在自由电子的海洋之中,而自由电子像胶水一样把金属 铜的原子和离子牢牢吸引在一起,使他们之间可相互滑动而不断裂。 氧先生看了,忍不住鼓掌叫好,铜爷爷嘴角也露出了笑容。 突然,铜爷爷眉头一皱,他看到了舞台角落的一个身影
10、,氧先生也注意到了那个失落的女子。 他们一同朝她走去。 No.X doi: 10.3866/PKU.DXHX201803045 3 4 第三幕第三幕 热爱舞蹈的铜姑娘渴望登上舞台。她今天穿着自己珍藏的紫红色长裙,却没有找到舞伴,忍不 住伤心落泪,正巧被爷爷和氧先生发现。 氧先生摆摆手,笑着说“这有何难,我就愿意做你的舞伴。”只见氧先生手一挥,铜姑娘立刻 换上了红色的礼服成为氧化亚铜(Cu2O),氧先生再挥一下手,铜姑娘又换上了黑色的礼服,成为了 氧化铜(CuO)。 看到这里,铜爷爷握住了氧先生的手,“谢谢您啊!” “有了氧的帮助,我们能为人类做的事儿可多了呢。”铜姑娘说道。 “是啊”CuO 先
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