一種化學元素,化學符號Cu,原子序數29,原子量63.546,屬週期系IB族。銅為最重要的非鐵金屬之一。

  發現 銅在古代即已發現。埃及在約西元前5000年開始利用紅銅(即自然銅),西元前3500年會制青銅。中國在約西元前3000年的新石器時代晚期開始使用紅銅和青銅。

  存在 銅在自然界中分佈極廣,在地殼中中含量居第22位。自然界存在的銅礦有三種形式:自然銅(見彩圖)、

自然銅——自然界存在的金屬銅 硫化礦和氧化礦。銅的硫化礦有輝銅礦( Cu 2S)、靛銅礦(CuS)、黃銅礦( CuFeS 2)等。氧化礦有赤銅礦( Cu 2O)、黑銅礦(CuO)、孔雀石〔Cu(OH) 2· CuCO 3〕、膽礬( CuSO 4· 5H 2O)和矽孔雀石( CuSiO 3· 2H 2O)等,大都是含銅1%的低品位礦,少數品位較高。硫化礦含鋅、鉛、鐵、銀、硒、碲、金等雜質;氧化礦含矽、鈣、鎂、鋁等雜質。銅有兩種天然 穩定同位素,它們是銅63和銅65。

  物理性質 銅為淡紅色金屬,質地堅韌、有延展性;熱導率和電導率都很高;熔點1083.4±0.2℃,沸點2567℃,密度8.92克/厘米3。在20℃時,銅的熱導率是397瓦/(米·開);電阻率是1.6730×10-6歐·厘米,其電導率是銀的94%;有順磁性。銅的機械性能與物理狀態有關,也受溫度和晶粒大小的影響。熱軋銅抗拉強度為22.5千克力/毫米2,屈服強度為7.03千克力/毫米2,伸長率是45%;冷軋銅的斷面減縮70%後抗拉強度增加到約40.1千克力/毫米2,伸長率降至4%。

  銅能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金。主要分成三類:黃銅是銅鋅合金,青銅是銅錫合金和銅鋁合金,白銅是銅鈷鎳合金。主要成分見表。

銅合金的主要成分

  化學性質 銅的電子構型為(Ar)3d104s1,氧化態+1、+2、+3。銅的化學性質不活潑,在幹燥空氣和水中無反應;與含有二氧化碳濕空氣接觸時表面逐漸形成綠色的銅銹:

銅在空氣中加熱時表面形成黑色氧化銅CuO;在氧氣不足的情況下,形成紅色氧化亞銅Cu2O。銅與硫蒸氣反應,能形成硫化銅CuS、硫化亞銅Cu2S或非化學計量的硫化銅。銅在常溫下與鹵素有反應;與氮氣即使在高溫下也無反應;在加熱情況下與氧化二氮、氧化氮作用形成Cu2O;與二氧化氮作用形成CuO。

  銅與鹽酸或稀硫酸不起作用,遇氧化性強的硝酸或熱濃硫酸有反應:

金屬銅能溶於濃的氰化鉀溶液中,形成 Cu(CN)3-配位化合物:

還能溶於熱的氯化銅鹽酸溶液或氯化鐵溶液中:

  化合物中銅的主要氧化態是+1、+2,極少數是+3。在高溫和幹態時,一價銅化合物是穩定的,許多二價銅化合物加熱能轉變成一價:

但在水溶液中,以二價穩定,一價銅化合物易因歧化反應生成二價銅和金屬銅:

三價銅化合物不重要,已知的K3CuF6為淡綠色結晶。

  制法 銅的冶煉方法隨礦石種類不同而異。氧化礦可直接用碳熱還原法,也可用濕法冶煉,即用稀硫酸或絡合劑浸出,然後進行電解;硫化礦可用冰銅熔煉法冶煉、冰銅熔練法分五個步聚:

  ① 氧化焙燒 將浮選得到的黃銅礦精礦在沸騰爐中進行氧化焙燒,溫度為923~1073K,此時部分硫氧化成SO2,部分FeS氧化成FeO:

Cu2S與FeS的重量比大致相等。

  ② 反射爐熔煉 將焙燒得到的熟精礦在反射爐中於1773~1823K高溫下熔煉。Cu2S和FeS結成熔體,稱冰銅,FeO和CaO、SiO2等雜質結成爐渣除去:

  ③ 冰銅吹煉 在轉爐中將空氣吹入熔融的冰銅內,使 FeS氧化成FeO,部分Cu2S轉化成Cu2O。FeO與加入的SiO2造渣除去,Cu2O與Cu2S反應變成粗銅:

粗銅在澆鑄時有氣體逸出,使銅塊表面粗糙和起泡,所以稱泡銅。

  ④ 氧化精煉 將泡銅在陽極爐中熔化,吹入少量空氣,進行氧化精煉。雜質氧化物造渣除去,或以氣體形式逸出。得到99.4%~99.5%純度的精銅,鑄成陽極銅板。

  ⑤ 電解精煉 將陽極銅板放在以硫酸銅的酸性溶液作電解液的電解槽中進行電解精煉,陰極得到含量為99.95%的高純銅。陽極泥中回收銀、金、鉑、鈀、硒、碲等,電解廢液中回收鎳。電解得到的高純銅中氧含量一般為0.02%。如果要用於電子工業,還必須作脫氧處理,使含氧量低於0.003%。

  應用 銅主要用於電氣工業中。銅具有耐腐蝕性,可用於電鍍,作外鍍層或作鍍層襯底。例如,在鋼鍍鉻前先鍍薄層的銅。銅還用來作金屬的包層,熱壓在鋼或其他金屬的表面上。銅合金中,黃銅具有良好的機械性能和壓力加工性能,可作各種零件和制品。青銅是一種古老的合金,廣泛用作各種壓力加工制品和異形鑄件。白銅有良好的機械性能和耐腐蝕性能,廣泛用於精密機械、化工機械、船舶制造等方面。

  五水合硫酸銅 CuSO4·5H2O(膽礬)加入水中,可防止藻類生長;它同石灰乳混合制成“波爾多液”,可做殺蟲劑; 硫酸銅還可作電解銅的電解液。銅氨配離子[Cu(NH3)4]2+可用於制造銅銨纖維。氧化亞銅 Cu2O摻入船底漆中,其毒性可防止藻類和貝殼動物的生長。堿式碳酸銅Cu2(OH)2CO3和氧化銅可用作顏料,前者還具有殺蟲滅菌性能。偏亞砷酸銅和乙酸銅形成的復鹽Cu(CH3COO)2·3Cu(AsO2)2(巴黎綠)可用作木材防腐劑,以前曾作顏料和殺蟲劑。氯化亞銅CuCl和氯化銅是化學工業和石油工業常用的催化劑。環烷酸銅廣泛用於木材、織物、繩子和漁網的防腐。