铸币金属
铜、银、金是第 11 族的三种金属,位于过渡区的右缘。几千年来人类珍视它们,把它们打成钱币——故称“铸币金属”——因为它们美观、易加工,而且(银、尤其是金)抗失光、抗腐蚀。它们也是所有元素中最好的电导体,银第一、铜第二、金第三。作为一个三元组,它们展示了近乎充满的 d 壳层如何驯服过渡金属那些更野性的行为。
三者都在充满的 d10 壳层之上有一个单独的 s 电子(如铜的 3d10 4s1),所以保留闭合 d10 内核的 +1 氧化态看起来很自然——银(I)、金(I)、铜(I) 也确实都存在。但这个 d10 内核不像碱金属那样惰性,所以更高的态也出现了,而且有一个奇特的分化:铜稳定的水溶液态是铜(II)(d9),银的是银(I)(d10),金最稳定的常见态则是金(III)(d8,平面正方形)。金还表现出显著的相对论效应——这样一个重原子里高速运动的内层电子被相对论拉近,使它的 6s 轨道收缩,这部分解释了为什么金呈金色(它吸收蓝光)而不是银色,也解释了金为何如此不活泼。三者都易于形成配合物,尤其与氰化物、氨这样的软配体,这被用来从矿石中提取金和银。
它们的用途直接源于它们的性格。铜为世界布线(便宜又导电);银在导电性、摄影、抗菌涂层和电子学中领先;金几乎完美地不活泼,用于珠宝、货币储备、牙科以及防腐蚀的电接触点。银和金像铂系一样是“贵”金属——它们处在活泼性序列的底部附近、位于氢之下,所以不溶于普通的酸(金需要王水)。铸币金属为过渡区收尾,展示了当 d 壳层充满时,这些元素如何变得美丽、导电而化学上平静。
金极不活泼,没有任何单一的常见酸能溶解它;你需要王水,即浓盐酸与浓硝酸 3:1 的混合物。硝酸把微量金氧化成金(III),而氯离子立刻把它结合成稳定的配合物 [AuCl4]-,从而拉动平衡、让更多金溶解。单独任何一种酸都做不到——它们只有联手才行。
王水能溶金,因为硝酸将其氧化、氯离子把它锁成 [AuCl4]-——单独任何一种酸都不行。
三种铸币金属并不共享同一个偏好的氧化态:铜偏爱 +2,银偏爱 +1,金偏爱 +3。而金的颜色和惰性确实是其重核带来的相对论效应,并非只是怪癖——这提醒我们,对最重的元素而言,相对论成了日常化学的一部分。