銅金屬系列1:簡介

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銅是人類最早使用的金屬之一。早在史前時代,人們就開始採掘露天銅礦,並用獲取的銅製造武器、工具和其他器皿,銅的使用對早期人類文明的進步影響深遠。

1理化性質

銅是一種過渡元素,銅化學符號Cu,英文copper,原子序數29,相對原子質量63.5,原子半徑:186pm,電子層分佈:2-8-18-1。銅有29個同位素,Cu63和Cu65很穩定,它們的自旋量子數都為3/2。


銅金屬系列1:簡介

圖1元素週期表

純銅表面剛切開時為紅橙色帶金屬光澤,單質呈紫紅色。銅延展性好,導熱性和導電性高。純銅的密度8.92克/立方厘米,熔點1083.4±0.2℃,沸點2567℃。銅是不太活潑的重金屬,在常溫下不與乾燥空氣中的氧氣化合,加熱時能產生黑色的氧化銅。在潮溼的空氣中放久後,銅表面會慢慢生成一層銅綠(鹼式碳酸銅),銅綠可防止金屬進一步腐蝕。


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銅板


銅金屬有一些優良的性質,在生產和生活中應用廣泛。


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銅的性質及用途

2銅的形成及地殼含量

元素的結合能越大,表示原子核越穩定,鐵56的比結合能是所有原子中最大的,所以鐵56是最穩定的原子,比鐵更高的元素叫做超重元素。比鐵低的元素由恆星的核聚變產生,比如現在太陽中的核聚變就是氫變成了氦,並釋放出大量能量,但此過程到鐵為止,再往後就從放熱變成了吸收能量,導致鏈式聚變反應不能繼續。根據研究,超重元素起源於超新星爆發,大質量恆星在超新星爆發時,能達到100億度以上的溫度,此時快中子密度極高,於是鐵元素在超新星爆發中進行快中子俘獲過程,可以生成大量的超重元素;或者在雙中子星合併事件中,中子潰散後不久會衰變為質子,也能形成大量的超重元素。銅也形成於這些事件,並在恆星的衰老和死亡後拋射出去,飄蕩在太空中,重新組合成星體或者被星體捕獲,地球上的銅就是這樣來的。

元素丰度,即元素的相對含量﹐是指研究體系中被研究元素的相對含量,用重量百分比表示,地殼元素丰度又稱為克拉克值。銅在地殼中的含量約為0.01%,在個別銅礦床中,銅的含量可以達到3%~5%。自然界中的銅,多數以化合物即銅礦石存在。

3銅的化合物

3.1氧化態為+Ι的化合物

(1)氧化物

Cu2O在高溫加熱的的時候,不僅Cu+與鹼直接反應,Cu與O2直接反應,此外,還能夠非常方便的根據糖還原Cu(?)鹽的鹼性溶液製得。Cu2O屬於共價型化合物,呈弱鹼性,對熱非常穩定,在1508K也不會發生分解,不溶於水,屬於有毒物質,有著半導體性質,經常使用其與銅來對亞銅整流器進行製作。而在對玻璃與搪瓷進行製作時通常被作為紅色顏料,同時還能夠作為船底漆。

(2)硫化亞銅

其屬於難溶的黑色物質,將H2S通入Cu(I)鹽溶液內,或者是根據大量的銅與硫直接加熱製得。在硫酸銅溶液內,加入Na

2S2O3溶液共熱也可以生成Cu2S沉澱。

3.2氧化態為+Ⅱ的氧化物

(1)氧化物與氫氧化物

銅放置在氧氣或者是空氣中,經過長時間加熱,或是把氫氧化銅熱分解,都能夠製得黑色的氧化銅。氧化銅屬於鹼性氧化物,不能夠溶於水但可以溶於酸,有很高的熱穩定性,大於1273K的時候,才會分解成Cu2O與O2,在高溫中容易被H2、C、NH3等還原成銅。

(2)鹵化銅

除了碘化銅,任何鹵化銅都能夠使用氧化銅與氫鹵酸反應制得。在這之中氯化銅最為關鍵,氯化銅溶液濃度不一樣,顏色也有一定差異,在較濃的溶液中CuCl2呈黃綠色,而在稀溶液中呈藍色,在兩者共存的情況下呈綠色。

(3)硫酸銅

其水合物CuSO4·5H2O也稱之為藍帆與膽礬,可以使用熱濃硫酸將銅溶解,或是當氧氣存在時候,利用稀熱硫酸和銅反應制得[1]。

天然的銅的化合物是銅金屬的重要來源,除天然銅以外,銅礦石可分為兩類:

(1)硫化礦,如黃銅礦(CuFeS₂)、斑銅礦(Cu5FeS₄)和輝銅礦(Cu₂S)等。

(2)氧化礦,如赤銅礦(Cu₂O)、孔雀石[Cu₂(OH)₂CO₃]、硅孔雀石(CuSiO₃·2H₂O)、藍銅礦[2CuCO₃·Cu(OH)₂]等。

4銅的用途

銅是與人類關係非常密切的有色金屬,被廣泛地應用於電氣、輕工、機械製造、建築工業、國防工業等領域,在中國有色金屬材料的消費中僅次於鋁。

(1)電器和電子市場

銅在電氣、電子工業中應用最廣、用量最大,佔總消費量一半以上,用於各種電纜和導線、電機和變壓器的繞阻、開關以及印刷線路板等[2]。

(2)交通設備

交通設備是銅的第三大市場,與二十世紀60年代基本相同。銅在交通設備主要用在自動電器和電子產品中。

(3)工業機器和設備

在機械和運輸車輛製造中,用於製造工業閥門和配件、儀表、滑動軸承、模具、熱交換器和泵等。在化學工業中廣泛應用於製造真空器、蒸餾鍋、釀造鍋等。在國防工業中用以製造子彈、炮彈、槍炮零件等,每生產300萬發子彈,需用銅13~14噸。在建築工業中,用作各種管道、管道配件、裝飾器件等。

(4)醫學

在農牧業領域,銅的化合物是消除病蟲害的有效殺菌農藥,可以控制所有黴菌或真菌引起的病害。

(5)有機化學

有機化學中,有機銅鋰化合物是一類重要的金屬有機化合物。在工業領域,幾乎每一行業都能夠應用到銅的化合物。添加銅化合物的油漆具有抗海水生物汙損的作用;銅的一些有機化合物是有效的防腐劑,用於紙漿、木材、木製品和帆布等織物的防腐;銅的某些化合物是橡膠、石油和人造纖維生產過程中的重要化學制劑,能夠起到催化、淨化等作用。

(6)合金

而銅可用於製造多種合金,銅的重要合金有以下幾種:

黃銅是銅與鋅的合金,因色黃而得名。黃銅的機械性能和耐磨性能都很好,可用於製造精密儀器、船舶的零件、槍炮的彈殼等。黃銅敲起來聲音好聽,因此鑼、鈸、鈴、號等樂器都是用黃銅製作的。

航海黃銅是銅與鋅、錫的合金,抗海水侵蝕,可用來製作船的零件、平衡器。

青銅是銅與錫的合金,因色青而得名。在古代為常用合金(如中國的青銅時代)。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優良的機械性能。用於製造精密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件以及各種板材、管材、棒材等。青銅還有一個反常的特性—“熱縮冷脹”,用來鑄造塑像,冷卻後膨脹,可以使眉目更清楚。

磷青銅是銅與錫、磷的合金,堅硬,可制彈簧。

白銅是銅與鎳的合金,其色澤和銀一樣,銀光閃閃,不易生鏽。常用於製造硬幣、電器、儀表和裝飾品[3]。


參考文獻

[1]陳定宇.金屬銅及其化合物的性質探究[J].西部皮革,2017:14.

[2]李大勇,歐曉斌,陳薛孝,等.有色金屬銅專利戰略概況[J].新材料產業,2011:26-32.


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