铜的发展及应用

铜的发展及应用

11化艺2班 20111305231 方时

摘要：铜是一种化学元素，它的化学符号是Cu（拉丁语：Cuprum），它的原子序数是29，是一种过渡金属。铜是人类发现最早的金属之一，也是人类广泛使用的第一种金属。铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，又因为有光泽，容易加工，因此被用于制造货币。铜也被用于制造武器、器皿以及电缆。在潮湿的空气里，铜的表面会生成一层绿色的铜绿（主要成分碱式碳酸铜Cu₂(OH)₂CO₃）。

铜是人类最早使用的金属。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。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为0.01%，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3%～5%。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。是唯一的能大量天然产出的金属，也存在于各种矿石（例如黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石）中，能以金属状态及黄铜、青铜和其他合金的形态用于工业、工程技术和工艺上。

关键词：铜的发展铜的制备铜文化纳米铜的发展

一.材料背景

铜是古代就已经知道的金属之一。随着生产的发展，只是使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了，生产的发展促使人们找到了从铜矿中取得铜的方法。含铜的矿物比较多见，大多具有鲜艳而引人注目的颜色。

例如：金黄色的黄铜矿CuFeS₂，鲜绿色的孔雀石CuCO₃·Cu(OH)₂或者Cu₂(OH)₂CO₃，深蓝色的石青2CuCO₃Cu(OH)₂等，把这些矿石在空气中焙烧后形成氧化铜CuO，再用碳还原，就得到金属铜。纯铜制成的器物太软，易弯曲。人们发现把锡掺到铜里去，可以制成铜锡合金──青铜。铜，COPPER，源自Cuprum，是以产铜闻名的塞浦路斯岛的古名，早为人类所熟知。它和金是仅有的两种带有除灰白黑以外颜色的金属。铜与金的合金，可制成各种饰物和器具。加入锌则为黄铜；加入锡即成青铜。

二.材料的结构及性能

铜的化学性质

1. 与氧的反应

铜是不太活泼的重金属，在常温下不与干燥空气中的氧化合，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，铜绿可防止金属进一步腐蚀，其组成是可变的。

2. 与卤素的反应

铜在常温下就能与卤素直接化合，加热时还能与硫直接化合生成Cu2S：

此外，铜还能与FeCl3作用，在电子工业中常用FeCl3溶液来刻蚀铜，以制造印刷线路。

3. 与酸的反应

在电位序中，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，铜可缓慢溶于这些稀酸中

浓盐酸在加热时也能与铜反应，这是因为Cl和Cu形成了较稳定的配离子

[CuCl4]，使Cu=Cu + e的平衡向右移动

铜易为HNO3、热浓硫酸等氧化性酸氧化而溶解

Cu元素的焰色反应为：绿色。

铜的物理性质

铜还具有良好的导热，导电性，很高的延展性，耐腐蚀。

三.材料的合成及制备方法

从铜矿石冶炼铜的过程比较复杂。以黄铜矿为例，首先把精矿砂、熔剂（石灰石、砂等）和燃料（焦炭、木炭或无烟煤）混合，投入“密闭”鼓风炉中，在1000℃左右进行熔炼。于是矿石中一部分硫成为SO₂（用于制硫酸），大部分的砷、锑等杂质成为As₂O₃、Sb₂O₃等挥发性物质而被除去：2CuFeS₂+O₂=Cu₂S+2FeS+SO₂↑。一部分铁的硫化物转变为氧化物：2FeS+3O₂=2FeO+2SO₂↑。Cu₂S跟剩余的FeS等便熔融在一起而形成“冰铜”（主要由Cu₂S和FeS互相溶解形成的，它的含铜率在20%～50%之间，含硫率在23%～27%之间），FeO跟SiO₂形成熔渣：FeO+SiO₂=FeSiO₃。熔渣浮在熔融冰铜的上面，容易分离，借以除去一部分杂质。然后把冰铜移入转炉中，加入熔剂（石英砂）后鼓入空气进行吹炼（1100～1300℃）。由于铁比铜对氧有较大的亲和力，而铜比铁对硫有较大的亲和力，因此冰铜中的FeS先转变为FeO，跟熔剂结合成渣，而后Cu₂S才转变为Cu₂O，Cu ₂O跟Cu₂S反应生成粗铜（含铜量约为98.5%）。2Cu₂S+3O₂=2Cu₂O+2SO₂↑，2Cu ₂O+Cu₂S=6Cu+SO₂↑，再把粗铜移入反射炉，加入熔剂（石英砂），通入空气，使粗铜中的杂质氧化，跟熔剂形成炉渣而除去。在杂质除到一定程度后，再喷入重油，由重油燃烧产生的一氧化碳等还原性气体使氧化亚铜在高温下还原为铜。得到的精铜约含铜99.7%。

火法炼铜：

通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。火法冶炼一般是先将含铜百分之几或千分之几的原矿石，通过选矿提高到20～30%，作为铜精矿，在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉进行造锍熔炼，产出的熔锍（冰铜）接着送入转炉进行吹炼成粗铜，再在另一种反射炉内经过氧化精炼脱杂，或铸成阳极板进行电解，获得品位高达99.9%的电解铜。该流程简短、适应性强，铜的回收率可达95%，但因矿石中的硫在造锍和吹炼两阶段作为二氧化硫废气排出，不易回收，易造成污染。90年代出现如白银法、诺兰达法等熔池熔炼以及日本的三菱法等、火法冶炼逐渐向连续化、自动化发展。

湿法炼铜：

一船适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。现代湿法冶炼有硫酸化焙烧－浸出－电积，浸出－萃取－电积，细菌浸出等法，适于低品位复杂矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用或就地浸出。湿法冶炼技术正在逐步推广，预计本世纪末可达总产量的20%，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。

四.纳米铜的应用

用纳米材料制成的用品具有很多奇特的性质。例如，纳米铜具有超塑延展性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。最近，法国国家科研中心研究人员发现，平均体积仅为80纳米的铜纳米结晶体机械特性惊人，强度不仅比普通铜高3倍，且形变非常均匀，没有明显的区域性变窄现象。这是科学家首次观察到物质如此完美的弹塑性行为。铜纳米晶体的这种机械特性为制造常温下的弹性物质开辟了光明前景。

纳米铜的物理制备方法