有关于黑色黑色铜之“谜”

人们常说：黄金白银红（或紫）铜。然而，在鲁科版《化学反应原理》选修教材第一章第3节中，有一个化学能转化为电能的实验。实验中，我们发现了一个奇怪的现象：当锌片插入稀硫酸铜溶液中，锌片表面立即变黑，重复多次，现象仍然相同。依据教材上写的反应和金属活动顺序表推断，产物只能是铜。那么，如果是铜，为什么是黑色的呢？如果不是单质铜，又会是什么物质？为了弄清这个反应产物，我们做了较长时间的研究，内容如下。

一、实验研究

下面给出硫酸铜溶液与锌片反应的一些实验。
综合以上实验，我们可清楚地知道：变黑的锌片与硫酸发生了明显的原电池反应，黑色的物质不是CuS，CuO，Cu2S，Cu2SO4等，因为它们与锌都不能形成原电池反应。因此，锌片与硫酸铜溶液反应，置换出铜。下面的热力学计算结果也能说明这一点。

二、热力学计算

已知：
Zn（s）-2e-=Zn2+（aq） ΔH=709.4 kJ·mol-1
Cu （s） -2e-=Cu2+（aq） ΔH=914kJ·mol-1
计算Zn（s） + Cu2+（aq）=Zn2+（aq） + Cu （s）
ΔH=-20

4.6 kJ·mol-1反应自发进行。

又已知：
ZnO（s） CuO（s） Cu2+（aq） Zn2+（aq）
ΔHf（kJ·mol-1） -347.98 -155.2 -6

4.39 -152.42

ZnO（s） + Cu2+（aq）=Zn2+（aq） + CuO（s）
ΔH=10

4.75 kJ·mol-1

该反应的熵变ΔrS很小，约为0，则反应的ΔrG = ΔrH -TΔrS，ΔG≈ΔH>0，反应不能自发进行。所以，排除生成CuO的可能性。在硫酸铜溶液中，SO42-无氧化性，生成CuS、Cu2S更是不可能的。
那么，在什么情况下，析出的铜是黑色的？显然，这与物质的显色规律有关。

三、物质的显色规律

金属光泽由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。此外，铜显赤红色，金显，这是因为它们吸收某一些频率的光之故。仔细观察，金属光泽只有在整块时才能表现出来，在粉末时，一般金属都呈暗灰色或黑色。这是因为在粉末时，晶格排列不规则，把可见光吸收后辐射不出去，所以为黑色。本实验中的黑色物质呈粉末状，即粉末状的铜。
另一方面，如果将这种“奇怪”的黑色铜与日常实验中出现的现象联系起来，就不难解释了。实验室盛硝酸银试剂瓶久置后，瓶口呈现黑色粉末状的银。银镜反应失败，产生黑色物质银。再比如，实验室中的锌粉、铝粉试剂是灰色的，铁粉是黑色的，铂黑是黑色的，所有的金属粉末都是黑色的。因此，本文中的反应现象，归根结底主要是由CuSO4溶液中Cu2+浓度和锌片表面的粗糙程度等因素引起的。通常当浓度较浓时，析出铜的反应速率加快，析出的铜不均匀；加上锌片表面粗糙，其表面析出的铜也不均匀，二者共同作用就形成黑色粉末物质。总结起来说，铜的颜色，无论紫红色还是黑色，都与其形态有直接的关系。[□][]
参考文献：
北京师范大学无机化学教研室等编.无机化学（下册）第二版[M]. 北京：高等教育出版社，1986：620.
曹锡章，宋天佑， 王杏乔等修订.无机化学（下册）第三版[M].北京：高等教育出版社，1994： 991～100

6.
源于：本科www.618jyw.com