關于銅族元素的教學

朱國賢　謝木標　石曉波　陳靜　潘榮楷

（嶺南師范學院化學化工學院，廣東湛江　524048）

關于銅族元素的教學

朱國賢*謝木標石曉波陳靜潘榮楷

（嶺南師范學院化學化工學院，廣東湛江524048）

針對銅族元素這一章節的知識特點，對本章教學內容、教學方法等方面的改革進行了詳細分析，以增強學生學習化學的興趣，讓學生更好地掌握元素化學知識，提高課堂教學質量。

銅族元素；教學；教學改革

銅族元素包括銅、銀、金3個元素，屬于周期系中第一副族（IB），位于元素周期表中的ds區。從最外電子層來看，它們和堿金屬一樣，都只有一個電子。從理論上說，二者的化學性質應具有相似性，但事實上兩族元素的性質有較大差別［1］，在教學上常把銅族元素與堿金屬元素進行對比。針對如何講授好銅族元素，筆者在此介紹對銅族元素這一章節教學改革中的一些做法和經驗。

嶺南師范學院化學化工學院設有化學、應用化學、制藥工程、食品科學與工程4個本科專業，每屆畢業生約330多人。多年來，學院堅持以學生為本，提高課堂教學質量，注重因材施教，講究靈活多變的教學方法，不斷深化教學改革，并取得了良好的教學效果。自2006年以來，已有350多名學生考取了中國科學院、中山大學、廈門大學、華南理工大學、湖南大學等高等院校的研究生，考研錄取率一直保持全校第一。無機化學是化學化工學院學生考研的主干課程，且連續十屆考研學生中有相當一部分學生報考無機化學方向，這無疑是對無機化學課程教學改革的最好闡釋。

1　講透銅族元素的通性

關于銅族元素通性的教學，相當一部份教師不太重視，認為該節學生基本上能看懂，不必要深入講授，讓學生自學，或者是作簡單介紹。但實際上這節內容對本章起到提綱挈領的作用。《無機化學》［1］教材中給出了關于銅族元素基本性質的很有意義的數據。例如，銅的第二電離能數值較大（1970 kJ·mol-1），但銅的二價離子水化能的負值更大（-2121 kJ·mol-1），這說明銅在水溶液中的穩定氧化態是+2。又如從價電子結構（n-1）d10ns1分析，銅族元素與堿金屬元素最外電子層結構相同，都只有一個電子，但是次外層電子數不同，銅族元素為18電子構型，而堿金屬為8電子構型。由于18電子層結構對核的屏蔽效應比8電子構型小得多，導致銅族元素的有效核電荷較大，對最外層s電子的吸引力比堿金屬強得多。因此，與同周期的堿金屬相比，銅族元素的原子半徑較小，第一電離能較高，金屬活潑性遠小于堿金屬。而且從升華能、第一電離能和M+水化能計算整個過程的總熱效應，從總能量看，M（s）→M+（aq）所需的總能量按銅、銀、金順序越來越大，可以推出單質形成M+（aq）的活性依次降低，與堿金屬的變化規律相反。

分析銅族元素的電子層結構，銅族元素的（n-1）d電子可以部分參與成鍵，因而銅族元素表現出多種氧化態。由于18電子結構的離子具有很強的極化力和明顯的變形性，所以銅族元素一方面易形成共價化合物，另一方面由于它們離子的d、s、p軌道能量相差不大，能級較低的空軌道較多，所以銅族元素容易形成配合物。

通過對銅族元素通性的剖析，讓學生對本族元素有一個基本的認識，大體上掌握銅族元素的性質：銅族元素的金屬活潑性較差，遠小于同周期的堿金屬；銅族元素呈現多種氧化態，易形成共價化合物和配合物。

2　巧講銅族元素的單質

2.1從元素的應用講清銅族元素的物理性質

銅族元素有著神奇的魔力，它稀少、珍貴，長期作為貨幣金屬進行流通，可用作金融儲備以及首飾制作，尤其是金。該族元素具有良好的抗腐蝕性和延展性，而且具有獨特的金屬光澤（黃金、白銀、紫銅）。

在今天電子工業和家用電器很發達的時代里，銅正在被廣泛地用于制作導電、導熱器材。這利用了銅獨特的導電性能，是鋁所不能代替的。銅元素能與多種金屬形成合金，黃銅（60%Cu、40%Zn）、青銅（80%Cu、15%Sn、5%Zn）、白銅（50%-70%Cu、13%-15%Ni、13%-25%Zn）是大眾所熟悉的合金，合金的形成大大改變了銅的金屬性能。

通過對銅族元素用途的闡述，可歸納該元素的物理性質：具有特征顏色，優良的延展性、導電性、傳熱性。這種教學方法既生動又有趣，能加深學生對銅族元素物理性質的認識，大大提高了學生的學習積極性。

2.2著重講明銅單質的特殊化學性質

銅族元素的化學性質比較穩定，化學活潑性從Cu至Au依次隆低。眾所周知，銅能與硝酸、熱濃硫酸等氧化性酸作用，不與稀鹽酸或稀硫酸作用，這是中學階段非常熟悉的銅的化學性質。然而在有空氣存在時，銅可緩慢溶解于稀酸中；銅還可溶于熱的濃鹽酸中生成配酸（H3［CuCl4］）放出氫氣；在含有CO2的潮濕空氣中銅表面會慢慢生成一層綠色的銅銹（Cu2（OH）2CO3）。通過對銅單質特殊化學性質的講解，既活躍了課堂氣氛又可增加課堂教學的趣味性，讓學生加深對銅單質化學性質的理解和掌握。

3　重點講解銅族元素的重要化合物

本節內容是本章的重點，內容豐富多彩，然而教學內容繁多復雜，規律性、系統性不強，學生學習時不容易掌握重點，難以理解和記憶。我們在講授該節時應把握如下幾方面。

3.1詳細講解典型化合物，突出重點

本節涉及的化合物眾多，不可能面面俱到，要有的放矢，選擇典型的化合物作詳細講解。在氧化態為+1的化合物中，著重講解Cu2O和CuX（X=F，Cl，Br，I）的制備。對于Cu2O，最典型的制備方法是用糖還原新配制的氫氧化銅溶液，生成紅色的Cu2O，這個反應還有特殊的應用，在分析化學中可利用這個反應測定醛，在醫學上又用此反應檢查糖尿病。對于CuX（X=F，Cl，Br，I），可選擇適當的還原劑（如SO2、SnCl2、Cu、I-等）還原CuX2而制得。最為關注的是CuI的制備，由Cu2+和I-直接反應制得：CuSO4+4KI=2CuI↓+I2+2K2SO4。生成的I2可用硫代硫酸鈉除去：I2+2Na2S2O3=Na2S4O6+ 2NaI。由于這個反應定量而速度快，分析化學中常用此反應（碘量法）測定Cu2+的含量。通過典型化合物的講解，起到以點帶面的作用，使學生更容易掌握化合物的性質。

Cu（II）與Cu（I）的相互轉化也是這節的教學重點，從銅的元素電勢圖可知，Cu+不穩定，易歧化：2Cu+（aq）?Cu2+（aq）+Cu（s），例如：Cu2O+H2SO4=CuSO4+Cu+H2O。然而有還原劑存在或生成Cu（I）的難溶物或配離子時，上述反應逆向進行，例如：2CuCl2+SO2+2H2O=2CuCl↓（白色）+H2SO4+ 2HCl，CuCl2+Cu+2HCl（濃）=2H［CuCl2］（無色）。也就是說，在水溶液中：Cu（II）比Cu（I）穩定性高，在有配合劑、沉淀劑存在時，Cu（I）穩定性提高。通過對重點知識的講解，讓學生更能把握重點和難點知識。

硫酸銅也很有趣，CuSO4·5H2O為藍色、味苦固體，俗稱為膽礬或藍礬，是重要的試劑和殺菌劑。CuSO4·5H2O的結構如圖1所示，有4個水分子為配位水分子，第5個水分子以氫鍵與2個水分子和硫酸根結合。硫酸銅與氨水反應中，中間產物被誤認為先生成Cu（OH）2沉淀，事實上先生成堿式硫酸銅沉淀Cu2（OH）2SO4，再溶于過量的氨水：2CuSO4+2NH3·H2O=（NH4）2SO4+Cu2（OH）2SO4↓（淺藍），Cu2（OH）2SO4+8NH3=2［Cu（NH3）4］2+（藍色）++2OH-。這些知識點，是在中學沒有接觸過的，對大一學生而言是“新”知識。若教師在課堂上能講深講透，有助于提高學生的學習興趣。

圖1　CuSO4·5H2O的結構

3.2教授學生科學記憶化學反應方程式

該節涉及的化學反應方程式很多，也很復雜，許多反應的產物往往難以確定，規律性不強，使學生覺得元素化學的內容繁、多、亂，學生記憶方程式困難，這無疑給學生學習帶來了很大的困難。因此教師在授課時，首先要把方程式的反應物、反應條件、反應產物進行講解。例如：3Cu2S+16HNO3（熱，濃）=6Cu（NO3）2+3S↓+4NO↑+8H2O，硫化亞銅可溶于熱、濃硝酸中，生成硝酸銅、硫單質、一氧化氮和水。再把反應式內涵進一步講解，Cu2S不溶于稀鹽酸，也不溶于濃鹽酸，但可溶于熱濃硝酸。同時要分析該反應式的配平，該反應是氧化還原反應，氧化劑、還原劑、氧化劑產物、還原劑產物、得失電子總數等均要講明。還要講明該反應的用途：在分析化學中用作硫化物的沉淀、分離和提純。另外歸納和類比也是常見的講授方法，如CuSO4·5H2O和CuCl2·2H2O的受熱分解：CuSO4·5H2O=CuSO4+5H2O和2CuCl2·2H2O=Cu（OH）2·CuCl2+2HCl↑。這是兩種完全不同的分解反應，反應產物形式迥然不同，這兩個反應可歸納在一起作類比講授。又如銅和銀與硝酸、熱濃硫酸反應也同樣用歸納、類比講授。通過這樣的講解，讓學生能深入理解化學反應方程式，使學生覺得方程式亂而有序，使學生不再“怕”學方程式，有助于學生記憶反應式，有助于提高學生對化學學習的興趣。

3.3授課時穿插課后習題和考研內容

一個完整章節的授課應包含課后習題和相關的考研內容，這有助于學生對知識點的理解與掌握。表1為部分講課內容與相關的習題，講課時按講課順序把問題提出后，著重引導學生去積極思考問題，并努力指導學生運用所學知識解決問題，最后由教師給予適當的指導和解釋。

表1　銅的講課內容與習題

4　結語

在無機化學銅族元素的教學過程中，通過上述三個方面的教學嘗試，極大地提高了學生對化學的學習熱情，很好地培養了學生的自學能力、獨立思考能力和創新能力，同時也提高了學生對考研的興趣，教學效果也有了顯著提高。但是教學質量的提高和人才培養任重道遠，還需要堅持不懈地努力，繼續探索，繼續改進，繼續完善教學方法。

［1］北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室.無機化學.第4版.北京:高等教育出版社，2003.

On the Teaching of Copper Group Elements

ZHUGuo-Xian*XIE Mu-BiaoSHI Xiao-BoCHEN JingPAN Rong-Kai

（School of Chemistry and Chemical Engineering，Lingnan Normal University，Zhanjiang 524048，Guangdong Province，P.R.China）

Abstract:In this paper，according to the knowledge characteristics of the copper group elements，the reform of the teaching contents and teaching methodology has been analyzed in detail in order to enhance students′interest in learning chemistry，make students master the chemical knowledge，and improve the teaching quality.

Copper group elements；Teaching；Teaching reform

O61；G64

10.3866/PKU.DXHX201601021

，Email:zhugxian@163.com

2014年廣東省教育廳質量工程無機化學精品視頻公開課