關(guān)于銅族元素的教學(xué)

朱國(guó)賢　謝木標(biāo)　石曉波　陳靜　潘榮楷

（嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東湛江　524048）

關(guān)于銅族元素的教學(xué)

朱國(guó)賢*謝木標(biāo)石曉波陳靜潘榮楷

（嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東湛江524048）

針對(duì)銅族元素這一章節(jié)的知識(shí)特點(diǎn)，對(duì)本章教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的改革進(jìn)行了詳細(xì)分析，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，讓學(xué)生更好地掌握元素化學(xué)知識(shí)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

銅族元素；教學(xué)；教學(xué)改革

銅族元素包括銅、銀、金3個(gè)元素，屬于周期系中第一副族（IB），位于元素周期表中的ds區(qū)。從最外電子層來看，它們和堿金屬一樣，都只有一個(gè)電子。從理論上說，二者的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)具有相似性，但事實(shí)上兩族元素的性質(zhì)有較大差別［1］，在教學(xué)上常把銅族元素與堿金屬元素進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)如何講授好銅族元素，筆者在此介紹對(duì)銅族元素這一章節(jié)教學(xué)改革中的一些做法和經(jīng)驗(yàn)。

嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院設(shè)有化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、食品科學(xué)與工程4個(gè)本科專業(yè)，每屆畢業(yè)生約330多人。多年來，學(xué)院堅(jiān)持以學(xué)生為本，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，注重因材施教，講究靈活多變的教學(xué)方法，不斷深化教學(xué)改革，并取得了良好的教學(xué)效果。自2006年以來，已有350多名學(xué)生考取了中國(guó)科學(xué)院、中山大學(xué)、廈門大學(xué)、華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)等高等院校的研究生，考研錄取率一直保持全校第一。無機(jī)化學(xué)是化學(xué)化工學(xué)院學(xué)生考研的主干課程，且連續(xù)十屆考研學(xué)生中有相當(dāng)一部分學(xué)生報(bào)考無機(jī)化學(xué)方向，這無疑是對(duì)無機(jī)化學(xué)課程教學(xué)改革的最好闡釋。

1　講透銅族元素的通性

關(guān)于銅族元素通性的教學(xué)，相當(dāng)一部份教師不太重視，認(rèn)為該節(jié)學(xué)生基本上能看懂，不必要深入講授，讓學(xué)生自學(xué)，或者是作簡(jiǎn)單介紹。但實(shí)際上這節(jié)內(nèi)容對(duì)本章起到提綱挈領(lǐng)的作用?！稛o機(jī)化學(xué)》［1］教材中給出了關(guān)于銅族元素基本性質(zhì)的很有意義的數(shù)據(jù)。例如，銅的第二電離能數(shù)值較大（1970 kJ·mol-1），但銅的二價(jià)離子水化能的負(fù)值更大（-2121 kJ·mol-1），這說明銅在水溶液中的穩(wěn)定氧化態(tài)是+2。又如從價(jià)電子結(jié)構(gòu)（n-1）d10ns1分析，銅族元素與堿金屬元素最外電子層結(jié)構(gòu)相同，都只有一個(gè)電子，但是次外層電子數(shù)不同，銅族元素為18電子構(gòu)型，而堿金屬為8電子構(gòu)型。由于18電子層結(jié)構(gòu)對(duì)核的屏蔽效應(yīng)比8電子構(gòu)型小得多，導(dǎo)致銅族元素的有效核電荷較大，對(duì)最外層s電子的吸引力比堿金屬?gòu)?qiáng)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(yuǎn)小于堿金屬。而且從升華能、第一電離能和M+水化能計(jì)算整個(gè)過程的總熱效應(yīng)，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(zhì)形成M+（aq）的活性依次降低，與堿金屬的變化規(guī)律相反。

分析銅族元素的電子層結(jié)構(gòu)，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(xiàn)出多種氧化態(tài)。由于18電子結(jié)構(gòu)的離子具有很強(qiáng)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(jià)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(jí)較低的空軌道較多，所以銅族元素容易形成配合物。

通過對(duì)銅族元素通性的剖析，讓學(xué)生對(duì)本族元素有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，大體上掌握銅族元素的性質(zhì)：銅族元素的金屬活潑性較差，遠(yuǎn)小于同周期的堿金屬；銅族元素呈現(xiàn)多種氧化態(tài)，易形成共價(jià)化合物和配合物。

2　巧講銅族元素的單質(zhì)

2.1從元素的應(yīng)用講清銅族元素的物理性質(zhì)

銅族元素有著神奇的魔力，它稀少、珍貴，長(zhǎng)期作為貨幣金屬進(jìn)行流通，可用作金融儲(chǔ)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(dú)特的金屬光澤（黃金、白銀、紫銅）。

在今天電子工業(yè)和家用電器很發(fā)達(dá)的時(shí)代里，銅正在被廣泛地用于制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱器材。這利用了銅獨(dú)特的導(dǎo)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(duì)銅族元素用途的闡述，可歸納該元素的物理性質(zhì)：具有特征顏色，優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性、傳熱性。這種教學(xué)方法既生動(dòng)又有趣，能加深學(xué)生對(duì)銅族元素物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.2著重講明銅單質(zhì)的特殊化學(xué)性質(zhì)

銅族元素的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，化學(xué)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(xué)階段非常熟悉的銅的化學(xué)性質(zhì)。然而在有空氣存在時(shí)，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(huì)慢慢生成一層綠色的銅銹（Cu2（OH）2CO3）。通過對(duì)銅單質(zhì)特殊化學(xué)性質(zhì)的講解，既活躍了課堂氣氛又可增加課堂教學(xué)的趣味性，讓學(xué)生加深對(duì)銅單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的理解和掌握。

3　重點(diǎn)講解銅族元素的重要化合物

本節(jié)內(nèi)容是本章的重點(diǎn)，內(nèi)容豐富多彩，然而教學(xué)內(nèi)容繁多復(fù)雜，規(guī)律性、系統(tǒng)性不強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)不容易掌握重點(diǎn)，難以理解和記憶。我們?cè)谥v授該節(jié)時(shí)應(yīng)把握如下幾方面。

3.1詳細(xì)講解典型化合物，突出重點(diǎn)

本節(jié)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(xì)講解。在氧化態(tài)為+1的化合物中，著重講解Cu2O和CuX（X=F，Cl，Br，I）的制備。對(duì)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(gè)反應(yīng)還有特殊的應(yīng)用，在分析化學(xué)中可利用這個(gè)反應(yīng)測(cè)定醛，在醫(yī)學(xué)上又用此反應(yīng)檢查糖尿病。對(duì)于CuX（X=F，Cl，Br，I），可選擇適當(dāng)?shù)倪€原劑（如SO2、SnCl2、Cu、I-等）還原CuX2而制得。最為關(guān)注的是CuI的制備，由Cu2+和I-直接反應(yīng)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(gè)反應(yīng)定量而速度快，分析化學(xué)中常用此反應(yīng)（碘量法）測(cè)定Cu2+的含量。通過典型化合物的講解，起到以點(diǎn)帶面的作用，使學(xué)生更容易掌握化合物的性質(zhì)。

Cu（II）與Cu（I）的相互轉(zhuǎn)化也是這節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)，從銅的元素電勢(shì)圖可知，Cu+不穩(wěn)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(shí)，上述反應(yīng)逆向進(jìn)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(wěn)定性高，在有配合劑、沉淀劑存在時(shí)，Cu（I）穩(wěn)定性提高。通過對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的講解，讓學(xué)生更能把握重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)。

硫酸銅也很有趣，CuSO4·5H2O為藍(lán)色、味苦固體，俗稱為膽礬或藍(lán)礬，是重要的試劑和殺菌劑。CuSO4·5H2O的結(jié)構(gòu)如圖1所示，有4個(gè)水分子為配位水分子，第5個(gè)水分子以氫鍵與2個(gè)水分子和硫酸根結(jié)合。硫酸銅與氨水反應(yīng)中，中間產(chǎn)物被誤認(rèn)為先生成Cu（OH）2沉淀，事實(shí)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(lán)），Cu2（OH）2SO4+8NH3=2［Cu（NH3）4］2+（藍(lán)色）++2OH-。這些知識(shí)點(diǎn)，是在中學(xué)沒有接觸過的，對(duì)大一學(xué)生而言是“新”知識(shí)。若教師在課堂上能講深講透，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1　CuSO4·5H2O的結(jié)構(gòu)

3.2教授學(xué)生科學(xué)記憶化學(xué)反應(yīng)方程式

該節(jié)涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式很多，也很復(fù)雜，許多反應(yīng)的產(chǎn)物往往難以確定，規(guī)律性不強(qiáng)，使學(xué)生覺得元素化學(xué)的內(nèi)容繁、多、亂，學(xué)生記憶方程式困難，這無疑給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了很大的困難。因此教師在授課時(shí)，首先要把方程式的反應(yīng)物、反應(yīng)條件、反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)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(zhì)、一氧化氮和水。再把反應(yīng)式內(nèi)涵進(jìn)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(shí)要分析該反應(yīng)式的配平，該反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，氧化劑、還原劑、氧化劑產(chǎn)物、還原劑產(chǎn)物、得失電子總數(shù)等均要講明。還要講明該反應(yīng)的用途：在分析化學(xué)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(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物形式迥然不同，這兩個(gè)反應(yīng)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(yīng)也同樣用歸納、類比講授。通過這樣的講解，讓學(xué)生能深入理解化學(xué)反應(yīng)方程式，使學(xué)生覺得方程式亂而有序，使學(xué)生不再“怕”學(xué)方程式，有助于學(xué)生記憶反應(yīng)式，有助于提高學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

3.3授課時(shí)穿插課后習(xí)題和考研內(nèi)容

一個(gè)完整章節(jié)的授課應(yīng)包含課后習(xí)題和相關(guān)的考研內(nèi)容，這有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。表1為部分講課內(nèi)容與相關(guān)的習(xí)題，講課時(shí)按講課順序把問題提出后，著重引導(dǎo)學(xué)生去積極思考問題，并努力指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題，最后由教師給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和解釋。

表1　銅的講課內(nèi)容與習(xí)題

4　結(jié)語

在無機(jī)化學(xué)銅族元素的教學(xué)過程中，通過上述三個(gè)方面的教學(xué)嘗試，極大地提高了學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)也提高了學(xué)生對(duì)考研的興趣，教學(xué)效果也有了顯著提高。但是教學(xué)質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)任重道遠(yuǎn)，還需要堅(jiān)持不懈地努力，繼續(xù)探索，繼續(xù)改進(jìn)，繼續(xù)完善教學(xué)方法。

［1］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué).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(zhì)量工程無機(jī)化學(xué)精品視頻公開課