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/copper/
条目作者王秀丽 彭军撰师唯修订
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师唯修订

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最后更新 2023-04-29
浏览 604
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化学元素,元素符号Cu,原子序数29,原子量63.546,属周期系ⅠB族。

英文名称
copper
元素符号
Cu
原子序数
29
原子量
63.546
所属学科
化学

铜是人类最早发现和使用的元素之一。墓葬考古发现,埃及人早在公元前5000年就使用铜器,中国约在公元前3000年新石器时代(见史前考古学)晚期开始使用铜。铜的英文名由aes cyprium演变而来,意思是“塞浦路斯的金属”。

铜在自然界的分布极广,在地壳中的含量约为6.0×10-3%,在陨石中的含量(对金属相而言)为(1.0~4.0)×10-2%。自然界中的铜矿主要有三种存在形式:自然铜(见图)、硫化矿和氧化矿,如辉铜矿(Cu2S)、靛铜矿(CuS)、黄铜矿(CuFeS2)、赤铜矿(Cu2O)、黑铜矿(CuO)、孔雀石[Cu(OH)2·CuCO3]、蓝铜矿[2CuCO3·Cu(OH)2]和斑铜矿(Cu3FeS4)等,大都是含铜1%的低品位矿,少数品位较高。此外,铜也存在于海洋中的锰铁结核中。世界上的主要产铜国有美国、智利、秘鲁、赞比亚等。天然铜有两种稳定同位素,它们是铜-63和铜-65,还有26种放射性同位素和异构体。

自然铜——自然界存在的金属铜自然铜——自然界存在的金属铜

铜呈微红色,有明亮的金属光泽,熔点1084.62℃,沸点2560℃,密度8.96克/厘米3。具有延展性和柔韧性,是热和电的良导体,导电性仅次于,居第二位。在20℃时,铜的热导率是银的73.2%,电导率是银的94%。固态铜为面心立方晶系,配位数为12。铜的机械性能不仅与物理状态有关,也受温度和晶粒大小的影响。铜可与锌、锡、镍、铁、铝、硅、铬和铍等许多金属形成不同性能的合金。依照传统的分类方法,铜合金可分为紫铜、黄铜(铜锌合金)、白铜(铜钴镍合金)和青铜(铜锡合金和铜铝合金)4类。

铜原子的电子组态为(Ar)3d104s1,氧化态有0、+1、+2、+3、+4,常见氧化态为+1、+2。高温和固态时,一价铜化合物稳定,但在水溶液中发生歧化反应生成二价铜和铜。铜是中等活泼的金属,常温下在干燥空气中稳定,加热时与氧作用生成黑色氧化铜,氧气不足时形成红色氧化亚铜Cu2O;在潮湿的空气中,可与水和二氧化碳反应在其表面生成铜绿(主要成分碱式碳酸铜),可在一定程度上阻止铜继续被腐蚀:

2Cu+O2+CO2+H2O→Cu(OH)2·CuCO3

常温下,铜与硫、卤素作用缓慢,但加热时反应剧烈;铜与碘作用生成碘化亚铜CuI。铜与氮不能直接作用。若将氮气通过红热的铜时,则生成氮化亚铜。铜不能置换出酸中的氢,但浓盐酸在加热时能与铜反应,因为Cu+和Cl-形成了较稳定的配离子[CuCl4]3-

2Cu+8HCl(浓)→2H3[CuCl4]+H2

当有氧气存在时铜易溶于硝酸和热浓硫酸。铜能很好地溶于Fe2(SO4)3、FeCl3溶液:

2Fe3++Cu→2Fe2++Cu2+

在有氧气或过氧化氢存在下铜溶于氨水和浓的碱金属氰化物(如KCN)溶液中形成配合物:

重要的一价和二价化合物有氧化亚铜、卤化亚铜、氧化铜、氯化铜、硫酸铜、叠氮化铜、硫化铜、碱式碳酸铜、氢氧化铜和硝酸铜。三价铜化合物有红色的粉状Cu2O3,它具有强氧化性,也具有酸性,能和碱形成各种铜酸盐:KCuO2、Ba(CuO2)、K3[CuFe]6。四价铜的化合物极少。不同氧化态的铜还可以形成各种配合物及簇合物。

铜的冶炼方法随矿石的性质而不同,主要有火法和湿法两种。氧化矿可直接用碳热还原法,也可用湿法冶炼,即用稀硫酸或络合剂浸出,然后进行电解;硫化矿可用冰铜熔炼法冶炼。传统的炼铜方法通常分为焙烧、熔炼、吹炼和精炼几个步骤,但该法成本高、能耗多,二氧化硫的回收困难,污染较严重。因此,需要改进技术,实现粗铜的连续生产,即将焙烧、熔炼和转化合并为一个操作。20世纪80年代中国已经开始用自己创造的白银炼铜法冶炼,它是熔池熔炼法的一种。

铜及铜合金具有优良的导电、导热性、延展性和可塑性,广泛应用于工业各个部门,据统计,铜、黄铜、青铜主要有五大应用市场:①房屋建筑业。主要包括管道设备、加热器、空调、冰箱和建筑物料。②电子电器产品。主要用于制造导线电缆、无线电通信和照明设备等。③工业机器和设备。用于制造近距离设备、非电子仪器、工业阀门和热交换器。④交通车辆。⑤日常和军用品。有电器、硬币和军火。铜在自动化电器和电子产品中的使用飞速增长,在热交换器市场中则有所下降。铜具有耐腐蚀性,可用于电镀,作外镀层或作镀层衬底,还可用作金属的包层。

铜还以各种化合物的形式应用于农药、轻工、化工及医疗方面:如铬酸铜CuCrO4·2CuO是种子的杀菌剂;氟硅酸铜CuSiF6用于葡萄的杀菌剂;五水合硫酸铜CuSO4·5H2O俗称胆矾,广泛地用于农药及净水中的灭藻剂;铜氨配离子[Cu(NH3)4]2+可用于制造铜铵纤维。氧化亚铜Cu2O掺入船底漆中,其毒性可防止藻类和贝壳动物的生长。碱式碳酸铜Cu2(OH)2CO3和氧化铜可用作颜料,前者还是一种杀虫灭菌剂;氯化亚铜CuCl和氯化铜CuCl2是化学工业和石油工业常用的催化剂。费林试剂(硫酸铜和酒石酸钾钠的碱性溶液)在分析化学中用于检验糖。见单糖

铜不仅是正常新陈代谢所必需的,同时也是治疗某些疾病的重要元素。人体内的铜与某些蛋白质结合成蛋白酶,有的酶参与皮肤脱色素的生成,另外酶也能帮助形成胶原蛋白与弹性蛋白之间的交联。经由食物摄入的铜约有50%被人体吸收,偶尔摄入大量的铜盐可引起胃肠紊乱,出现溶血,肝、肾损害,及时治疗可痊愈。另外,铜烟及铜尘可引起金属烟雾热的综合症状。在铜提炼过程中,工人接触到各种粉尘(如SiO2、砷化物)、烟雾(如SO2和SO3等)、酸碱溶液等可能对人体健康和安全造成损害,因此必须建立卫生和安全保障制度。

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