铜是什么颜色？

在人们的印象中，金属铜是紫红色的，所以金属铜被称为紫铜、红铜、红铜。化学手册和教科书对铜的颜色描述如下:红色、紫色、玫瑰色和棕色。这些记述大同小异，都描述了金属铜红最基本的色调。但也有书说铜也可以黄。最近，A.H. Gellero等人在《美国化学教育杂志》(以下简称Gavin)上撰文指出，Cu是黄色的，其泛红的颜色是由空气中容易生成的Cu2O造成的。原因有三:①磷青铜发黄；②从Cu2O基体的特殊显微照片中可以看到黄色针状的Cu晶体；③预热到红热的铜棒在甲醇或丙酮蒸汽中能显示亮黄色。从这个角度来看，金属铜的颜色仍然是一个有争议的问题，有必要澄清一下。笔者打算通过对加文的分析，谈谈自己对这个问题的看法。加文将磷青铜的黄色视为铜的原色与锡和铝的白色混合产生的中间色。显然，把这种合金的形成简单地看成是黄色颜料和白色颜料的混合，是不恰当的。事实上，即使两种金属结构相同，能以各种比例互溶，其合金能呈现中间色的情况也不多。在大多数合金系统中，由于新晶体结构的可能性，合金的颜色经常发生意想不到的变化。比如在Au中加入一些白色金属，合金的颜色会随着金属的不同而不同:加入Fe，会呈蓝色；加入Al，它是紫红色的。在某些情况下，即使是白色金属的加入量，也会使合金呈现完全不同的颜色:少量的Ag加入Au中，合金仍然是黄色的；当加入25%的银时，合金变成绿色。再比如铜和锌的合金——黄铜，是黄色的，但是在金里面加入铜和锌之后，合金是白色的。可见，根据合金的颜色来推断成分金属的颜色是不可靠的。通常我们说金属的颜色，是指在自然光下肉眼直接观察到的颜色。加文看到的那张彩色照片，不管是怎么拍的，有没有复印，毕竟是经过处理的彩色图像，不能作为Cu是黄色的结论的有力证据。为了验证加文的第三个依据，作者用三块表面光滑的铜片(厚度分别为0.5、1.5、3.0mm，宽和长分别为2cm和4.5cm)，用150mL烧杯代替结晶皿，用酒精喷灯作为热源，反复进行加文的实验。以下是实验的详细过程。将表面呈暗紫红色的铜片不去除氧化膜(Cu2O)放在灯焰上加热至红热，然后离开火焰(铜片表面呈黑色)迅速挂在盛有少量甲醇的烧杯中(液层厚度约3mm)。这时可以闻到甲醛的刺鼻气味。重复五次。前四次操作后(每次热铜片在杯中停留时间约20s)，杯中的甲醇已被加温，甲醇蒸气浓度较高。当红热的铜片第五次挂在杯中时，红热的铜片在高浓度甲醇蒸气的作用下，表面呈现出淡淡的紫红色，这是因为发生了以下反应:CH3OH+CuO=HCHO+H2O+Cu，由于反应是放热的，随后，铜片的温度逐渐降低，其表面出现棕红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色等一些颜色，而大部分表面呈红褐色。当冷却到室温时，所有颜色保持不变。用乙醇代替甲醇做上述实验也能得到类似的结果。丙酮不是。可见加文的实验结果并不真实。作者发现，将烧红的铜片浸入甲醇或乙醇中，铜片表面的CuO还原成浅紫红色的Cu，然后在灯焰上加热。当铜片表面刚出现蔓延的金黄色时，立即离开灯焰，挂在装有甲醇或乙醇的烧杯中，铜片表面出现大面积美丽的彩虹般的颜色，与上述实验相同。黄色的量与加热强度有关。温度越高，黄色越淡。进一步的实验表明，这种颜色的形成与热铜片是否处于还原气氛无关，在电炉中加热也能得到同样的结果。关键是去除铜片表面的氧化膜。将表面着色的铜片浸入冷的稀硫酸(100%)中，着色的表层迅速溶解，重新露出Cu的浅紫色。鉴于没有记载CuO能以除黑色以外的其他颜色出现，而Cu2O能以不同粒径的不同颜色出现，作者初步认为这种有色物质可能是低温下铜片新鲜表面与O2相互作用生成的Cu2O。除了上述用甲醇或乙醇(气体或液体)还原赤热状态的CuO的实验外，在用氢气还原CuO、将钉子或锌片浸入CuSO4溶液中代替Cu等教学实验中，也可以看到Cu的紫红色。如果说这些实验中看到的紫红色是Cu2O的颜色，那么下面实验中铜的颜色应该说是毋庸置疑的。用锋利的木工凿刮铜块表面，新鲜刮下的铜块表面仍呈紫色。想想用小刀切割金属钠或钾的情况:虽然钠和钾都是非常活泼的金属，但它们的表面会被空气中的O2迅速氧化，我们还有时间在它们的新鲜切片上看清它们的本来面目。与钠和钾相比，铜是一种非常稳定的金属。在室温下，它氧化成紫红色Cu2O的速率远小于钠和钾生成Na2O和K2O的速率。所以可以肯定的是，铜块刚刮出来的表面紫红色是Cu的本色，而不是Cu2O的颜色。综上所述，笔者认为加文的“Cu是黄色的，Cu的红颜色是由Cu2O引起的，Cu2O在空气中容易生成”的结论是错误的。室温下O2在空气中氧化生成的块体金属铜及其Cu2O膜呈紫红色，但后者颜色越来越深。铜粉的颜色和Cu2O很像，很难区分。