元素

29 铜 紫红色的金属元素

本文作者 漂泊

铜是使用历史最为悠久的金属,也是一种具有特殊颜色的金属。由于其良好的导电性和导热性,它在电子行业有着非常重要的用途;由于铜离子的杀菌性能,用硫酸铜和熟石灰制作的波尔多液则是一种重要的农药;铜还拥有众多的合金,在不同的领域发挥着它的作用……

铜的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 63.546
电子配置 3d104s1
密度 8960kg / m 
熔点 1083.4°C
沸点 2562°C
形状 紫红色金属
丰度 50ppm(地壳)0.7(ppm)(太阳)
发现者 远古人类
主要的同位素 63Cu,64Cu, 65Cu, 67Cu
用途例 电线、青铜器、农药
前后的元素 镍-铜-锌

铜的发现与冶炼

铜是人类使用的最早的金属,考古证据证明早在一万年前,人类就开始冶炼使用铜器了。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿,铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜的使用,标志着人类进入了铜器时代。

在我国,最早提取铜的方法是利用天然铜的化合物进行湿法炼铜获得,这既是湿法技术的起源,也是世界化学史上的一项发明。西汉《淮南子•万毕术》记载:曾青得铁则化为铜。曾青即硫酸铜。这种方法用现代化学式表示就是:CuSO4+Fe=FeSO4+Cu。除了湿法炼铜,古人还发明了另外一种炼铜的方法:即将鲜绿色的孔雀石CuCO3·Cu(OH)2和深蓝色的石青2CuCO3·Cu(OH)2等矿石在空气中燃烧,得到铜的氧化物,再用碳还原,就可得到金属铜。这就是火法炼铜。[1]

但由于当时冶炼技术不够先进,炼铜所制成的物件太软,易弯曲,且很快就钝,所以人们开始用一些方法来改良所制造的铜器的性质。人们发现把掺到铜里去制成铜锡合金——青铜可以极大的提升它的硬度。(如果把锡的硬度值定为5,那么铜的硬度就是30,而青铜的硬度则是100~150)。由于青铜器件熔炼和制作都较铜容易得多,且坚硬,易熔,易于铸造成型,在空气中稳定,因此在青铜器在古代得到了广泛的使用。我国春秋战国时代的众多礼器都是用青铜制造的,其中最著名的有司母戊鼎以及四羊方尊。[2]

当电被广泛使用之后,铜的冶炼工艺又得到了进一步提升,通过电解精炼,我们可以获得纯度更高的铜,它可以用于制造对铜纯度要求更高的特种合金、金属丝及电线。

铜单质

工业中的铜

铜具有非常优良的导电性和导热性,它是制造电线的首选材料,各种电子元件需要大量消耗高导电性的铜,主要集中在电线电缆、变压器、开关、接插元件和联接器等。 由于铝也具有较好的导电性,且比重只有铜的 30%,考虑到铜供不应求,铝曾被设想用于代替架空高压输电线中的铜以减轻重量,但铝与铜相比,存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点,加之架空电缆有向地下发展的趋势,所以相形见绌。 基于同样的原因,以节能高效的铜绕组变压器,取代铝绕组变压器,也是明智的选择。 在电机制造中,也广泛使用高导电和高强度的铜合金。电机是使用电能的大户,约占全部电能供应的60%。而电机内部的能量消耗,主要来源于绕组的电阻损耗,因此,增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比,铜绕组的使用量增加25~ 100%。

此外,铜在微电子和半导体集成电路制造中也发挥着重要作用。一些微电子的主要部件,如高频和超高频发射管、波导管、磁控管等,都需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。此外, 铜被广泛用于集成电路中的互联线,采用铜的新型微芯片,可以获得30%的效能增益,电路的线尺寸可以减小到0.12微米,可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。另外,由于铜印刷电路可以精细布置电路的结构,该技术也得到了广泛应用,如无线电、电视机,计算机等,采用印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动,但也需要消费大量的铜箔。[3]

铜芯电线铜线                                                                        集成电路

铜的合金

铜有许多合金,除了古代被广泛使用的青铜,还有黄铜,白铜等多种合金。黄铜是铜与锌的合金,因色黄而得名,它的外观与黄金非常相似,也被称为“假黄金”。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好,可以用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。由于黄铜敲击的声音清脆好听,因此、钹、铃、号等乐器都是用黄铜制做的。一些额外添加锡的黄铜,又被称为航海黄铜,可以抵抗海水侵蚀,因此可用来制作船的零件、平衡器。

青铜是铜与锡的合金,因色青而得名。它具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。可用于制造精密轴承、高压轴承以及船舶上抗海水腐蚀的机械零件和各种板材、管材、棒材等。此外,青铜还具有一个反常的特性——“热缩冷胀”,用青铜铸造的塑像,冷却后膨胀,眉目会更加清楚。

白铜则是铜与的合金,其色泽和银一样,银光闪闪,不易生锈。常用于制造硬币、电器、仪表和装饰品。[4]

黄铜青铜                                                                                   白铜

波尔多液

波尔多液是一种非常著名的无机铜素杀菌剂。其有效成分的化学组成是CuSO4·xCu(OH)2·yCa(OH)2·zH2O。它是由硫酸铜、熟石灰和水按比例配制成的天蓝色胶状悬浊液,一般呈碱性,具有良好的粘附性能,但久放物理性状破坏,宜现配现用。

波尔多液名称的由来则是源于一个故事:法国波尔多盛产葡萄,并以“波尔多葡萄酒”驰名天下。但是在1878年,名为“霉叶病”的植物病笼罩着波尔多城,许多葡萄园很快变得枝叶凋零,面临危机。园主们心急如焚,却无计可施。一位细心的植物学教授米拉德却发现了怪事,公路旁的葡萄树郁郁葱葱,丝毫未受到霉叶病的伤害。经过观察发现这些葡萄树从叶到茎都洒了一些蓝白相间的东西,经打听,才知是园主为防馋嘴的过路人偷吃而洒的“毒药”,由熟石灰硫酸铜溶液混合配制而成。于是米拉德在杜扎克酒庄进行了试验,发现这的确是对付霉叶病的好农药,并在1885年将他的发现公之于众,并推荐使用波尔多液来对抗“霉叶病”。从此,波尔多地区又变成了“葡萄园世界”。同时这种农药以“波尔多液”命名,广泛流传于世界。

波尔多液本身并没有杀菌作用,当它喷洒在植物表面时,由于其粘着性而被吸附在作物表面。由于植物在新陈代谢过程中会分泌出酸性液体,加上细菌在入侵植物细胞时分泌的酸性物质,使波尔多液中少量的碱式硫酸铜转化为可溶的硫酸铜,这会产生少量铜离子,铜离子进入病菌细胞后,会使细胞中的蛋白质凝固。同时还能破坏其细胞中的,使细菌体中代谢作用不能正常进行。在这两种作用的影响下,细菌就会被杀死。这就是波尔多液发挥作用的原理。[5]

波尔多液

铜的生理功能

铜是生物体必需的元素,无论是动物还是植物。铜广泛分布于生物组织中,大部分以有机复合物存在,很多是金属蛋白,以酶的形式起着功能作用,如铜蓝蛋白、细胞色素、C氧化酶等。每个含铜蛋白的酶都有它清楚的生理生化作用,生物系统中许多涉及的电子传递和氧化还原反应都是由含铜酶催化的,这些酶对生命过程都是至关重要的。在人体中,铜存在于红血球内外,可帮助铁质传递蛋白,在血红素形成过程中扮演催化的重要角色。铜是人体健康不可缺少的微量营养素,对于血液、中枢神经和免疫系统,以及脑、肝和心等内脏的发育和功能有重要影响。

人体缺铜会引起贫血毛发异常,骨和动脉异常等症状。但铜作为重金属,摄入过量也会有危害,因为铜离子会使蛋白质变性。如果铜过剩,会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍等症状。

一般来说,牛肉、葵花籽、可可、黑椒、羊肝等等都有丰富的铜质。而且在食物烹饪过程中,铜元素不易被破坏掉。通过食物,人们很容易获得人体所必须的铜。[6]

富含铜的食物

 

参考文献

[1]《淮南子•万毕术》

[2]http://baike.asianmetal.cn/metal/cu/history.shtml

[3] Joseph, Günter, 1999, Copper: Its Trade, Manufacture, Use, and Environmental Status, edited by Kundig, Konrad J.A., ASM International, pps. 141–192 and pps. 331–375

[4] Seale, Wayne (2007). The role of copper, brass, and bronze in architecture and design; Metal Architecture, May 2007

[5]Wiley-Vch (2 April 2007). “Nonsystematic (Contact) Fungicides”. Ullmann’s Agrochemicals. p. 623. ISBN 978-3-527-31604-5.

[6] Vest, Katherine E.; Hashemi, Hayaa F.; Cobine, Paul A. (2013). “Chapter 13 The Copper Metallome in Eukaryotic Cells”. In Banci, Lucia. Metallomics and the Cell. Metal Ions in Life Sciences. 12. Springer. doi:10.1007/978-94-007-5561-10_12

 

本文版权属于 Chem-Station化学空间 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 铍 Beryllium -翡翠的成分、宇宙望远镜的反射镜材料
  2. 21 钪 带来光明的元素
  3. 30 锌 海洋食物中富含的元素
  4. 13 铝 含量最多的金属元素
  5. 碳元素 Carbon -生物的基本骨架、多样的同素异形体
  6. 氦 Helium -比空气轻! 超导磁体的冷却剂
  7. 22 钛 探索太空的元素
  8. 钠 刺激我们味蕾的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP