铜的特性

铜(Cuprum)是一种金属元素,化学符号Cu,英文copper,原子序数29,相对原子质量为63.546。铜常见的价态是+1和+2。

铜可以多次回收而无损其机械性能。是人类最早发现并使用的金属之一,它陪伴我们走过的岁月实在是太古老悠长了,一直延续至今。

物理性质:

纯铜是柔软的金属,表面刚切开时为红橙色带金属光泽,单质呈紫红色。铜的熔点约为1083.4℃,沸点约为2567℃。在高温环境下也能保持稳定性。密度约为8.92~8.96克/立方厘米,金属中属于相对较重的一种。导电性高,仅次于银,居第二位。导热性好,仅次于银和金,居第三位。延展性好,它可以被拉伸成非常薄的箔片或细丝,而不断裂。易熔接,具有抗磁性、抗菌性。


化学性质:

铜是不太活泼的重金属,在常温下不与干燥空气中的氧气化合,加热时能产生黑色的氧化铜,如果继续在很高温度下燃烧,就生成红色的Cu2O。在潮湿的空气中放久后,铜表面会慢慢生成一层铜绿(碱式碳酸铜),铜绿可防止金属进一步腐蚀,其组成是可变的。铁单质与硫酸铜反应可以置换出铜单质。铜单质不溶于非氧化性酸。铜可与氯气在点燃条件下化合。铜与硫在加热条件下直接化合生成硫化亚铜(Cu2S)。在电子工业中,常用FeCl3溶液来刻蚀铜,以制造印刷线路。在金属活动性顺序中,铜族元素都在氢以后,所以不能置换稀酸中的氢。但当有空气存在时,铜可先被氧化成氧化铜,然后再与酸作用然后缓慢溶于这些稀酸中。铜会被硝酸、浓硫酸(需加热)等氧化性酸氧化而溶解。铜能充当一些有机反应的催化剂,如酒精的催化氧化。


铜化合物:

铜(I)通常称为亚铜,氯化亚铜(CuCl)、氧化亚铜(Cu2O)、硫化亚铜(Cu2S)都是常见的一价铜化合物。[Cu(NH32]2-是亚铜和氨的配离子,无色,易被氧化,在酸性溶液中自行歧化,生成Cu(II)和Cu。

铜(II)是铜最常见的价态,它可以和绝大部分常见的阴离子形成盐,如众所周知的硫酸铜,存在白色的无水物和蓝色的五水合物。碱式碳酸铜,又称铜绿,有好几种组成形式。氯化铜和硝酸铜也是重要的铜盐。

铜(II)可以形成一系列的配离子,如Cu(H2O)4(蓝色)、CuCl4(黄绿)、Cu(NH34(深蓝)等,它们的颜色也不尽相同。
常见铜化合物

硫酸铜(CuSO4)、醋酸铜((CH3COO)2Cu)、氧化铜(CuO)和氧化亚铜(Cu2O)、氯化铜(CuCl2)和氯化亚铜(CuCl)、硝酸铜(Cu(NO32)、氰化铜(Cu(CN)2)、脂肪酸铜、环烷酸铜(C22H14CuO4)等。

铜的发现和发展

青铜器

铜元素的发现并非是一个单一的、确切可考的时刻,而是一个伴随着人类文明的漫长历程逐渐展现的过程。

铜是人类最早发现和开始使用的金属之一,青铜器是人类最早发明的金属器具之一,青铜时代是人类文明发展的一个重要阶段。考古学家在伊拉克北部发掘的由自然铜制造的铜珠,据推测已超过1万年。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。古埃及人约在公元前5000年开始利用红铜(即自然铜),公元前3500年会制青铜。中国约在公元前3000年开始使用红铜和青铜。

铜之所以能战胜铁成为进入人类发展史中的NO.1,主要是因为铜是少数几个能以金属形式天然存在的元素之一,在自然界中的储量非常丰富,且加工方便。

人类使用铜及其合金历史悠久。古罗马时期铜的主要开采地是塞浦路斯,因此最初得名cyprium(意为塞浦路斯的金属),来源于其英语(copper)、法语(cuivre)和德语(Kupfer),后以拉丁文命名为“Cuprum”,Cu就成为了TA的元素符号。由于外观漂亮,古时还用来制作镜子,希腊神话中,铜成为美丽女神阿芙洛迪特的象征。

青铜是人类历史上一项伟大的发明,它使人类的劳动工具和武器有了很大改进,从此人类结束了新石器时代,进入了一个新的历史阶段一一青铜器时代,世界上最早进入青铜器时代的是亚洲的两河流域和非洲的古埃及等地,开始于公元前3000年。

我国是最早使用青铜器的国家之一。目前为止发现的中国最早的青铜器出自新石器时代后期,相当于中国夏代的一些文化遗址中,到商代,先民们已经能够制造出较大型的青铜器,当时的大型青铜器还很粗糙,器壁厚外形多模仿陶器,花纹多为线条的兽面纹。像著名的司母戊鼎、四羊方尊,就是商代青铜器的杰出代表。
我国也是世界上最早使用湿法炼铜的国家。早在西汉,中国就有“曾青得铁化为铜”的记载,这就是所谓的“胆铜法”,将铁置于胆矾(硫酸铜)溶液中,使铜离子为铁所置换,成为单质的铜,然后再收集加以精炼。胆铜法在唐代开始被用于生产,宋代得到广泛的应用。

1965年,在湖北省荆州附近的望山楚墓群里,出土了一把长55.7厘米,宽4.6厘米的宝剑。该剑向外翻卷着圆箍形,内铸有11道圆圈,剑身布满菱形暗纹,剑格两面分别镶嵌有蓝色玻璃和绿松石,剑身刻有两行八字鸟篆铭文“越王鸠浅自用剑”。经专家鉴定,这是传说中春秋时期越王勾践的佩剑(铭文里的“鸠浅“即勾践)。越王勾践剑采用青铜铸造而成,让人惊奇的是,这把青铜宝剑穿越了2000多年的历史长河,但剑身丝毫不见锈斑,而且依然锋利无比,闪烁着炫目的青光,寒气逼人,20多层的复印纸,此剑从中间“唰”的一声就全部划破了,这把被誉为“天下第一剑”的越王勾践剑,表明我国古代的铜冶炼和铸造技术已经达到了相当高的水准。

一般把中国青铜器文化的发展划分为三大阶段,即形成期、鼎盛时期和转变期。形成期是指龙山时代,距今4500~4000年;鼎盛期即中国青铜器时代,时代包括夏、商、西周、春秋及战国早期,延续时间约一千六百余年,也就是中国传统体系的青铜器文化时代;转变时期指战国末期~秦汉时期,青铜器已逐步被铁器取代,不仅数量上大减,而且也由原来礼乐兵器及使用在礼仪祭祀,战争活动等等重要场合变成日常用具,其相应的器别种类、构造特征、装饰艺术也发生了转折性的变化。

随着时间的推移,虽然铜已经不再是我们使用最多的金属,但它依旧有着极其广泛的用途,它被大量地用于电气工业,像各种电线、电缆,几乎都是用铜制成的。

铜的来源

世界铜矿资源比较丰富。存在于地壳和海洋中,铜在地壳中的含量约为0.01%,主要以三种形式存在:自然铜、硫化铜和氧化铜。

全球已探明的铜资源储量达到了8.8亿实物吨。其中,智利的铜储量最为丰富,达到了1.9亿吨。中国在全球铜储量中排名第六,已探明的铜资源储量为3495万吨。尽管中国的铜储量在全球占比不大,但中国的铜矿开采和需求量巨大,每年仍需进口大量铜精矿。此外,全球陆地铜资源量估计为16亿吨,而深海底和海山区的锰结核中的铜资源量为7亿吨。洋底或深海多金属硫化物矿床也含有大量的铜资源。

铜的应用

铜线

铜是与人类关系非常密切的有色金属,被广泛地应用于电力、电子、能源、石化、机械、冶金、交通、轻工、新兴产业等领域,在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。超纯铜纯度可达99.99999%,是一种略带红色的金属(面心立方晶系),富延展性。可以直接作为添加元素应用到航空航天、宇宙原子工业中的超级合金;作为溅射靶材用关键原材料适用于半导体集成电路、平面显示器、海量存储器、太阳能电池等领域。

电器和电子市场:约占总数的28%。1997年,这两个市场成为铜消耗的第二大终端用户,拥有25%的市场份额。在许多电器产品(例如:电线、母线、变压器绕组、重型马达、电话线和电话电缆),铜的使用寿命都相当地长,只有经过20到50年以后,里面的铜才可以进行回收利用。
交通设备:约占总数的13%,与二十世纪60年代基本相同。尽管交通的重要性没有改变,但是铜的使用形式却发生了很大的变化。许多年来,自动散热器是这方面最重要的终端用户;然而,铜在自动电器和电子产品中的使用飞速增长,而在热交换器市场中的使用则有所下降。小轿车的平均使用寿命是10-15年,几乎所有的铜(包括散热器和配线)都是在它的整体拆卸和回收前来进行回收的。

工业机器和设备:是铜另外一个主要的应用市场,在当中铜往往有比较长的使用寿命。硬币和军火是这方面主要的终端用户。子弹很少回收,一些硬币可以熔化,而还有许多则由收藏者或储蓄者保存,不可以进行回收。在机械和运输车辆制造中,用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。
化学工业:广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。

国防工业:用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等,每生产300万发子弹,需用铜13~14吨。

建筑工业:用作各种管道、管道配件、装饰器件等。
医学:铜的杀菌作用很早就被认知。自20世纪50年代以来,人们还发现铜有非常好的医学用途。后来,墨西哥科学家也发现铜有抗癌功能。新世纪,英国研究人员又发现,铜元素有很强的杀菌作用。例如:可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌,清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物,以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。它还可以应用在游泳池内,防止绿藻污染和通过地板传染足癣等等。
有机化学:有机铜锂化合物是一类重要的金属有机化合物。
颜料:二价铜盐是最常见的铜化合物,其水合离子常呈蓝色,而氯做配体则显绿色,是蓝铜矿和绿松石等矿物颜色的来源,历史上曾广泛用作颜料。铜质建筑结构受腐蚀后会产生铜绿(碱式碳酸铜)。装饰艺术主要使用金属铜和含铜的颜料。

其他用途:铜也可用于器皿、艺术品等,如北京铜火锅、后母戊鼎、四羊方尊、自由女神等。

铜与人体健康的关系

铜的离子(铜质)对生物而言,不论是动物或植物,是必需的元素。铜是人体必需的微量元素之一,在人体内的含量排名第三,仅次于铁和锌,主要分布于肌肉和骨骼、肝脏及血液中,成人体内的含量约为50~150mg,其中约50%~70%分布于骨骼和肌肉中,约20%分布于肝脏中,血液中含有5%~10%,其余少量以酶形式存在。

铜对于人体的生长发育、免疫功能和神经系统等方面都有着重要的作用。它参与了人体内许多重要的生物化学反应,如能量代谢、血红蛋白的合成、细胞色素的氧化还原等。含铜的酶有酪氨酸酶、单胺氧化酶、超氧化酶、超氧化物歧化酶、血铜蓝蛋白等。铜具有抗氧化和抗炎作用,可以帮助人体抵抗疾病。铜可以促进胶原蛋白和弹性蛋白的合成,维持皮肤弹性和水分,有助于皮肤健康。铜还可以影响骨胶原的合成和骨基质的代谢,从而促进骨骼发育和维持骨密度。铜元素在生命体中扮演着重要的角色,对于维持人体的健康和功能具有重要意义。
富含铜的食物
富含铜元素的食物有坚果类、海鲜类、豆类及其制品、蘑菇类制品、动物肝脏、贝壳类海产品等,具有有松子、芝麻、花生、龙虾、螃蟹、贻贝、蚝、豆腐、黄豆、蘑菇、香菇、羊肝、猪肝等,其中牡蛎含铜量最多,章鱼及墨鱼的黑囊中不仅酪氨酸含量丰富,而且铜含量也相当高。


铜的吸收和排泄
吸收
吸收率30%~40%。胃、十二指肠和小肠上部是铜的主要吸收部位,其肠吸收是主动吸收过程。膜内外铜离子的转运体为ATP酶,依靠天冬氨酸残基磷酸化供能,能将主动吸收的铜与门静脉侧支循环中的白蛋白结合,运至肝脏进一步参与代谢。

排泄
铜主要通过胆汁排泄,胆汁中含有低分子和高分子量的铜结合化合物,前者多存在肝胆汁中,后者则多在胆囊胆汁中。铜可以通过溶酶体的胞吐作用或ATP酶的铜转移作用而进入胆汁内,胆汁中的铜也可以是肝细胞溶酶体对存在于胆汁中铜结合蛋白分解的结果。血浆中铜大多与铜蓝蛋白结合或存在于肾细胞内,很少滤过肾小球,正常情况下尿液中含铜量甚微。当铜的排泄、存储和铜蓝蛋白合成失衡时会出现铜尿。

不同群体对铜的需求
人体对铜的需求量因年龄、性别和生理状况而异。一般来说,成年人每天需要摄入2至3毫克的铜,孕妇和婴幼儿应加倍。缺铜会引起各种疾病,可以服用含铜补剂和药丸来加以补充。

铜缺乏的危害
缺铜会导致血浆胆固醇升高,增加动脉粥样硬化的危险,因而是引发冠状动脉心脏病的重要因素。科学家还发现,营养性贫血、毛发异常(头发早白和脱落)、白癜风、骨质疏松症、女性不孕症、胃癌及食道癌等疾病的产生也都与人体缺铜有关。严重缺铜和长期边缘性缺铜,还会引发小儿发育不良和一些地方病。缺铜还会使神经系统的抑制过程失调,使神经系统处于兴奋状态而导致失眠,久而久之可发生神经衰弱。

铜元素超标的危害
过量摄入铜会导致恶心、腹痛、腹泻等胃肠道症状,也可能会引发神经系统紊乱,如焦虑、抑郁、失眠等。此外,铜元素过量还可能损害肝脏,引起慢性肝炎、小脑失常、肾损害等疾病。因此,在日常生活中,应该注意控制铜的摄入量,避免过量摄入。


结语

铜在我们的日常生活中发挥着重要作用,对于人体健康和工业应用都具有重要意义。通过适当的食物摄入和科学的工业应用,铜将继续发挥其重要作用,促进人类的健康和科技发展。

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