铜

铜是元素周期表第4周期1B族元素，一种最重要的重有色金属。元素符号Cu，原子序数29，相对原子质量63.546。铜在常温下为固体，新断面呈紫红色，加热易氧化。铜具有优良的导电和导热性能，较好的耐蚀性，变形阻抗较低，能承受高度的冷变形而不破裂，是一种重要的重有色金属材料，主要用于电子、电工、机械、建筑和运输等工业部门。铜的化合物有数百种，但以工业规模生产的不多，其中最重要的是五水硫酸铜，或称胆矾(CuSO4·5H2O)，其次有波尔多液 (Cu (OH)2·CuSO4)、偏亚砷酸铜 (Cu (AsO2)2)、醋酸铜 [Cu(CH3COO)2] 的复合物、氰化亚铜 (CuCN)、氯化铜(CuCl2)、氧化亚铜 (Cu2O)、氧化铜 (CuO)、碱性碳酸铜和环烷酸铜等。铜盐可用作农业杀霉菌剂。硫酸铜可用作催吐剂和黄磷灼伤的局部解毒剂。

铜是人类最早发现和使用的金属之一。约一万年前，人类就认识了自然铜，并将它锤打成小锥或小钉等。迄今发现人类最早炼制的铜器当推伊朗境内泰佩海亚出土的刮刀、凿子和锥子等，年代约为公元前3800年。1978年在甘肃省东乡马家窑类型遗址中出土的锡青铜小刀，是迄今中国发现的最早青铜器件，其年代约为公元前2750年，这表明中国是世界最早使用铜器的国家之一。中国早在公元前770年就掌握了竖炉炼铜技术，宋元丰元年(1078年)铜产量达到7300t，铜冶金技术已达相当水平。铜是仅次于银的优良的导电和导热体。常温下铜的电导率和热导率分别为银的94%和73.2%。
铜原子的外电子层构型为〔Ar〕3d104s1。铜在形成化合物时可失去4s轨道的1个电子，也可同时失去3d轨道中的1个电子，所以铜主要有+1和+2两种价态。常温下铜的氧化态以+2价为主，高温时低价态化合物稳定。
铜有63Cu和65Cu两个稳定的天然同位素，63Cu含有29个质子和34个中子，65Cu含有29个质子和36个中子。已知铜有9个不稳定的同位素。
铜在室温的干燥空气中能稳定存在，但长期放置在含CO2的潮湿空气中时，会生成绿色的碱性碳酸铜，俗称铜绿。
2价铜的电化当量为0.329mg/C。铜不能置换酸性水溶液中的氢，也不溶于盐酸和没有溶解氧的硫酸中，但可溶于具有氧化作用的硝酸中。铜与碱溶液作用很慢，但易与氨水反应，形成配合物。铜易溶于醋酸等有机酸中。可溶铜盐一般都具有毒性。
铜的晶体结构为面心立方晶格。纯铜具有十分良好的延展性，可加工成很细的丝和很薄的片。铜又是优良的导电和导热体，其导电和导热能力在金属中仅次于银。微量杂质的存在都会使铜的导电能力大为降低。铜是人体必需的微量元素之一，正常人食物中每日进入2～5mg，因铜广泛分布于食物中，膳食的铜含量已足够满足机体需要，故缺铜现象尚属罕见。铜的最丰富来源是肝、肾、牡蛎、坚果(如核桃等)、葡萄干及豆类等。牛乳中含铜很少。食物中的铜由胃肠粘膜吸收20～30%。铜离子与血浆中白蛋白疏松结合，进入肝脏后可与α2球蛋白结合，形成铜蓝蛋白。然后从肝脏进入血液。铜在体内主要贮留于肝、脑、肾等组织。血清铜浓度为0.1mg%。动物实验证明，酸及高钙可分别促进及抑制铜的吸收。许多无机阴离子对铜的吸收影响更大; 食物中过多亚硫酸盐会显著减少铜的吸收。在正常情况下，摄入的铜主要由粪便排出，尿中含量甚少，仅约4～30μg/d。铜代谢障碍所引起的疾病称为肝豆状核变性病，是由于大量铜离子慢性沉积而引起脑基底节的变性和肝硬化，是一种遗传性疾病。由于铜具有许多优异性能，在各工业部门中得到广泛应用。直到20世纪60年代，铜的重要性和消费量仅次于铁。20世纪60年代后，才让位给资源更丰富、价格更便宜的铝，退居第三位。20世纪80年代后期中国铜消费比例列于表2。就世界范围而言，铜产量半数以上用于电力和电子工业，如制造电缆、电线、电机及其他输电和电讯设备。20世纪80年代后，铜在电信上的部分用途被光导纤维所代替。铜也是国防工业的重要材料。
由于铜的导电性很好，广泛应用于电气工业中，制造电线电缆需要纯铜(含量99.95%以上)，是将粗铜用电解法精炼而成。铜能与锌、锡、铝、镍、铍等形成多种重要合金。黄铜(铜锌合金)、青铜(铜锡合金)用于制造轴承、活塞、开关、油管、换热器等。铝青铜(铜铝合金)抗振能力很强，可用以制造需要强度和韧性的铸件。铜镍合金中的蒙奈尔合金以抗蚀性著称，多用于制造阀、泵、高压蒸汽设备。白铜是铜镍合金，有良好的机械性能和耐腐蚀性，用于精密机械制造。铍青铜(含铍铜合金)的力学性能超过高级优质钢，广泛用于制造各种机械部件、工具和无线电设备。
铜的化合物是农药、杀菌剂、颜料、电镀、原电池、染料和触媒的重要原料。
无氧铜由于其纯度高，且无氢脆问题，因而使用在波导、真空管和晶体管部件、玻璃和金属封结、同轴电缆以及超导磁绕组的稳定化处理等方面。韧铜用来制作铜母线、接触器、各种类型的导体、雷达部件、开关和接点等。上述两种铜经加银处理的用于制作需要抗软化器件，如变压器、发电机和大型同步发电机的绕组等。磷脱氧铜主要用于制作电冰箱和空调器用管，整流器和输水管或输气管等(当导电和导热以及焊接性能或钎焊性能需要时)。易切削铜主要用于制造螺纹制品和其他焊嘴、夹具、端子和开关部件等。从铜精矿、铜矿石或其他含铜原料提取铜可用火法炼铜，也可用湿法炼铜，主要取决于原料中铜的矿物类别、含铜量以及当地能源、气候和其他经济条件。湿法炼铜通常适用于处理氧化矿、低品位废矿和复杂难选矿。火法炼铜用于处理各种铜精矿，硫化矿主要用火法冶金处理。铜再生也属铜提取冶金范畴。
火法炼铜具有温度高，反应速度快，中间产物含铜量高，适于大规模工业生产，主金属产物与炉渣容易分离，不需要使用价昂的试剂，原料中金和银的回收率高，总能耗低，最终产品质量高等优点，加上技术进步，SO2烟气的污染问题正在得到解决，故火法生产的铜在世界总产量中的比重上逐年提高，已达90%以上。
在铜冶金中，以硫化矿为主要原料，采用火法炼铜为主的格局在相当长的一段时期不会改变。随着自然界富集的硫化铜矿资源逐日减少，适于处理贫矿和难选复杂矿的湿法炼铜技术将会越来越会受到人们的重视。湿法炼铜的发展趋势是采用先进的浸出技术和富集技术，寻找高效价廉的浸出剂和富集剂，开发应用大型高效冶金设备以提高湿法炼铜的生产率，并降低生产成本。铜的地壳丰度为68×10-4%，海水含铜约3×10-7%。自然界发现的铜矿物约有165种，除少见的自然铜外，主要有原生硫化铜矿物和次要的次生氧化铜矿物(表3)。铜矿物中以黄铜矿为最多，约占铜矿的2/3。世界原生铜产量的90%左右来自硫化矿。硫化矿中铜的含量较低，典型的硫化铜矿含铜由0.5% (露天开采) 到1%～2% (坑下开采)。因此铜矿石必须经过破碎、浮选富集，产出含铜较高的精矿，才能作为冶炼原料。20世纪80年代用于炼铜的铜精矿90%以上粒度小于0.074mm，含铜在20%～30%之间，一般还含有数量与铜大抵相当的硫和铁。典型的铜精矿化学成分变动范围如表4。铜矿物常伴生有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、镍黄铁矿及含钴矿物，贵金属、稀有金属和半金属也是常见的伴生组分。在冶炼时，必须回收铜精矿中的有价组分，以提高资源的综合利用程度和消除对环境的污染; 同时也要注意利用铜精矿的巨大反应表面和熔炼反应热，以强化生产和节约能源。氧化铜矿难于选矿富集，一般用湿法冶金或其他方法处理。
由于铜的自然资源日渐匮乏，能源日趋紧张，并随着世界科学技术的进步和成分、规格都比较均匀的工业杂铜的产量不断增加，杂铜已成为一种十分重要的铜资源。在工业发达国家，以它为原料的产铜量在铜的总产量中占有很大的比重。如20世纪80年代美国再生铜产量占精铜总产量的23%，英国占52%，而法国高达58%。这些国家都非常重视废杂铜的再生和利用。对皮肤有刺激作用。粉尘刺激眼睛，并引起角膜溃疡。生产人员要穿防护工作服，戴口罩、防尘眼镜，生产设备要密闭，车间通风良好，工作下班后要洗淋浴。微红色有光泽具延展性的金属(面心立方晶系)。熔点1083.4℃。沸点2587℃。相对密度8.92。溶于硝酸，热浓硫酸，极缓慢溶于盐酸、氨水、稀硫酸，亦溶于醋酸和其他有机酸，不溶于冷水和热水。露置空气中变暗，在潮湿空气中表面逐渐形成绿色碱式碳酸盐。为电子工业用材料，用作高纯分析试剂。用于粉末冶金零件、金刚石锯片、摩擦材料、电碳制品和化工触媒等用作分析试剂、催化剂、还原剂主要用于炼铜工业的原料主要用于制导电器材和合金(青铜、黄铜、白铜等)用作教学试剂还原剂；铜盐制备；催化剂(粉状)；合金；电镀试剂、合金、电镀。电解法以金属铜为原料，溶解于浓硫酸。配成电解液组成为：含Cu52.3 g/L、H2SO4约200 g/L，电解液温度58.5℃，槽电压0.33 V，阴极电流密度1.82 A/cm²。经电解精炼，制得高纯铜粉成品。有毒物质高毒腹腔-小鼠 LD50: 0.07 毫克/公斤可燃, 火场排出含铜辛辣刺激烟雾库房低温, 通风, 干燥 ; 密闭封存水, 二氧化碳, 干粉, 砂土TWA 1 毫克(铜)/立方米; STEL 2 毫克(铜)/立方米