铜：历史，性质，结构，用途，生物学作用 - 化学 - 2025

的铜是一种属于周期表的第11族的过渡金属，并通过化学符号的Cu表示。它的特征和特点是橘红色金属，非常易延展和可延展，也是电和热的重要导体。

它以金属形式被发现是玄武岩中的主要矿物。同时，它被氧化成含硫化合物（开采量更大的化合物），砷化物，氯化物和碳酸盐。也就是说，矿物种类繁多。

闹钟由铜制成。资料来源：

在包含它的矿物质中，我们可以提及的有方晶石，黄铜矿，斑铜矿，铜矿，孔雀石和石青石。铜还存在于藻类的灰分，海洋珊瑚和节肢动物中。

这种金属在地壳中的含量为80 ppm，在海水中的平均浓度为2.5∙10 ^-4 mg /L。在自然界中，它以两种天然同位素的形式出现：⁶³ Cu（具有69.15％的丰度）和⁶⁵ Cu（具有30.85％的丰度）。

有证据表明铜是在公元前8000年冶炼的。C.并与锡合金化，在公元前4000年形成青铜。C.人们认为，只有铁和金才是人类使用的第一批金属。因此，它同时是古老和橙色的光辉的代名词。

铜主要用于制造用于在电动机中导电的电缆。这种大小的电缆构成了工业和日常生活中的机械或设备。

铜参与了允许ATP合成的电子运输链。生物的主要能量成分。它是超氧化物歧化酶的辅助因子：一种降解超氧化物离子的酶，对人体具有高毒性。

另外，铜在某些蜘蛛，甲壳类和软体动物的血红蛋白中的氧转运中也起作用，这与铁在血红蛋白中的作用相似。

尽管铜对人体具有有益作用，但当铜在人体中积聚时（例如威尔逊氏病），它可能导致肝硬化，脑部疾病和眼睛受损等其他症状。

历史

铜时代

在新石器时代，可能是在公元前9000年至8000年之间，天然铜被用来制造人工制品以代替石材。C.铜是继陨石和金中存在的铁之后，人类最早使用的金属之一。

有证据表明在公元前5000年使用采矿来获取铜。C.已经有一个日期制造了铜制品；例如，伊拉克制造的耳环大约是公元前8700年。C。

反过来，据信冶金学是在公元前4000年诞生于美索不达米亚（现为伊拉克）的。C.可以通过使用火和煤减少矿物金属的含量。后来，有意将铜与锡合金化以生产青铜（公元前4000年）。

一些历史学家指出，铜时代将在时间上位于新石器时代和青铜时代之间。后来，铁器时代取代了公元前2000年至1000年的青铜时代。C。

青铜时代

铜冶炼后的4000年开始了青铜时代。长春花文化中的青铜器可以追溯到公元前4500年。C 。; 而在Sumeria和埃及，有公元前3000年的青铜器。C。

在公元前2280年至1890年之间，放射性碳的使用已在Alderley Edge，柴郡和英国建立了铜矿开采。C。

值得注意的是，Ötzi，“冰人”，估计年代介于公元前3300年至3200年之间。C.，斧头带有纯铜头。

来自公元前6世纪的罗马人。他们用铜片作为货币。朱利叶斯·凯撒（Julius Caesar）使用的硬币是黄铜，铜和锌合金。此外，Octavian的硬币是用铜，铅和锡的合金制成的。

生产和名称

罗马帝国的铜产量达到每年15万吨，仅在工业革命期间就超过了。罗马人从塞浦路斯带来铜，知道它是aes Cyprium（“塞浦路斯的金属”）。

后来，该术语退化为铜：该名称用于指定铜，直到1530年，当时引入了英文根词“ copper”来表示金属。

从10世纪到1992年运营的瑞典大铜山覆盖了17世纪欧洲60％的消费量。汉堡的La Norddeutsche Affinerie工厂（1876年）是第一家使用铜的现代化电镀工厂。

物理和化学特性

出现

铜是有光泽的橙红色金属，而大多数天然金属是灰色或银色。

原子序数（Z）

29

原子重量

63,546你

熔点

1,084.62摄氏度

诸如氧气，氮气，二氧化碳和二氧化硫之类的常见气体可溶于熔融铜中，并在固化时影响金属的机械和电气性能。

沸点

2,562摄氏度

密度

-在室温下为8.96 g / mL。

-熔点（液体）：8.02 g / mL。

注意，固相和液相之间的密度没有显着降低。两者都代表非常致密的材料。

熔化热

13.26 kJ /摩尔

汽化热

300 kJ /摩尔

摩尔热容量

24.44 J /（mol * K）。

热膨胀

在25°C下为16.5 µm /（m * K）。

导热系数

401 W /（m∙K）。

电阻率

在20°C下为16.78Ω∙m

电导率

59.6∙10 ⁶ S /米

铜具有很高的导电性，仅次于银。

莫氏硬度

3.0。

因此，它是一种柔软的金属，而且韧性也很高。通过冷加工可提高强度和韧性，这是由于存在于铜中的同一面心立方结构的细长晶体形成所致。

化学反应

铜焰测试，通过其蓝绿色火焰的颜色来识别。来源：Swn（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg）

铜不会与水反应，但会与大气中的氧气发生反应，被一层黑褐色的氧化物覆盖，为金属的下层提供腐蚀保护：

2Cu（s）+ O ₂（g）→2CuO

铜不溶于稀酸，但会与热的浓硫酸和硝酸反应。它也溶于水溶液中的氨和氰化钾中。

它可以抵抗大气和海水的作用。但是，长时间暴露会导致形成薄的绿色保护层（古铜色）。

前一层是碳酸盐和硫酸铜的混合物，可在旧建筑物或雕塑中看到，例如纽约的自由女神像。

铜与氧气反应加热成红色，生成氧化铜（CuO），在更高的温度下形成氧化亚铜（Cu ₂ O）。它还会与硫热反应生成硫化铜。因此，当暴露于一些硫化合物时，它会变得有雾。

铜I在燃烧测试中以蓝色火焰燃烧；铜II发出绿色火焰。

结构和电子配置

铜晶体在面心立方（fcc）结构中结晶。在这种fcc晶体中，由于金属键，Cu原子保持连接，该金属键比其他过渡金属弱。事实证明，它具有出色的延展性和低熔点（1084ºC）。

根据电子配置：

3d ¹⁰ 4s ¹

所有3d轨道都充满电子，而4s轨道中有一个空位。这意味着3d轨道不会像其他金属那样在金属键中起作用。因此，沿着晶体的Cu原子与它们的4s轨道重叠以形成能带，从而影响了它们相互作用的相对较弱的作用力。

实际上，在3d（满）和4s（半满）轨道电子之间产生的高能差是造成铜晶体吸收可见光谱中的光子的原因，反映了它们独特的橙色。

铜的fcc晶体可以具有不同的大小，它们越小，金属块的强度就越大。当它们非常小时，我们将谈到对氧化敏感且保留用于选择性应用的纳米颗粒。

氧化数

由于电子从其4s轨道损失，可以预期的铜的第一个数或氧化态为+1。当以化合物形式存在时，假定存在Cu ⁺阳离子（通常称为亚铜离子）。

这个和氧化数+2（Cu ²⁺）是最广为人知的，并且对铜最丰富。他们通常是唯一在高中阶段教授的课程。但是，也有+3（Cu ³⁺）和+4（Cu ⁴⁺）的氧化数，乍一看并不罕见。

例如，铜酸盐阴离子的盐，的CuO ₂ ^- ，表示与铜（III）或3的化合物; 铜酸钾KCuO ₂（K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-）就是这种情况。

铜，尽管程度较小且在极少数情况下，也可能具有负氧化数：-2（Cu ^2-）。

如何获得

原材料

最常用于铜提取的矿物是金属硫化物，主要是黄铜矿（CuFeS ₂）和褐铁矿（Cu ₅ FeS ₄）。这些矿物质占提取的铜总量的50％。钙铝石（CuS）和黄铜矿（Cu ₂ S）也用于获得铜。

粉碎和研磨

最初，将岩石压碎以获得1.2厘米的岩石碎片。然后继续研磨岩石碎片，直到获得0.18毫米的颗粒。添加水和试剂以获得糊状物，然后将其漂浮以获得铜精矿。

浮法

在此阶段，形成气泡，捕获纸浆中存在的铜和硫矿物质。进行了几个过程来收集泡沫，将其干燥以获得继续纯化的浓缩物。

纯化

为了将铜与其他金属和杂质分离，干精矿需要在专用炉中进行高温处理。将火精制铜（RAF）模压成重约225 kg的板，这些板将构成阳极。

电解

电解用于精炼铜。冶炼厂的阳极被送至电解池进行精制。铜到达阴极，杂质沉降到电池的底部。在此过程中，获得了纯度为99.99％的铜阴极。

铜合金

青铜

青铜是铜和锡的合金，其中铜占80％至97％。它被用于制造武器和器皿。目前，它用于制造耐摩擦和腐蚀的机械零件。

此外，它还用于制造乐器，例如铃，锣，，萨克斯管和竖琴，吉他和钢琴等。

黄铜

黄铜是铜和锌的合金。在工业黄铜中，锌的百分比小于50％。它用于细化容器和金属结构。

蒙乃尔

蒙乃尔合金是镍铜合金，镍与铜的比例为2：1。它耐腐蚀，可用于热交换器，杆和透镜拱。

他们确认

Constatán是由55％的铜和45％的镍组成的合金。它用于制造硬币，并且具有恒定的电阻。铜镍合金也用于小面额硬币的外涂层。

铍铜

铜铍合金的铍百分比为2％。这种合金兼具强度，硬度，导电性和耐腐蚀性。该合金通常用于电连接器，电信产品，计算机组件和小型弹簧。

石油钻机和煤矿上使用的扳手，螺丝刀和锤子之类的工具均以BeCu开头，以保证不会产生火花。

其他

硬币中使用了90％的银和10％的铜合金，直到1965年，除半美元硬币外，所有硬币中都不再使用银。

7％的铜铝合金颜色为金色，用于装饰。同时，Shakudo是一种日本的铜和金装饰合金，所占比例较低（4％至10％）。

应用领域

电线和电动机

铜电线。资料来源：Scott Ehardt

铜由于其高导电性和低成本而成为用于电线的首选金属。铜电缆用于电力的各个阶段，例如发电，输电，配电等。

由于其高电导率，易于形成电线（延展性），抗变形和耐腐蚀，世界上生产的铜中有50％用于制造电缆和电线。

铜还用于制造集成电路和印刷电路板。金属由于其高导热性而被用于散热器和热交换器，从而促进了散热。

铜用于微波炉中的电磁体，真空管，阴极射线管和磁控管中。

同样，它也用于建造电动机的线圈和使电动机工作的系统，这些产品约占世界用电量的40％。

建造

铜由于其耐腐蚀和大气的作用而被长期用于房屋，水落管，圆顶，门，窗等的屋顶。

目前，它用于墙面装饰和装饰物品，例如浴室配件，门把手和灯。另外，它还用于抗菌产品中。

生化作用

铜阻止了许多生命形式在其之上生长。它被用于放置在船体底部的薄板中，以防止软体动物（例如贻贝和藤壶）的生长。

当前，铜基涂料被用于前述的船体保护。金属铜可以中和许多细菌。

根据其离子，腐蚀性和物理性质，对其作用机理进行了研究。结论是，铜的氧化行为以及其氧化物的溶解性是导致金属铜具有抗菌性的因素。

金属铜作用于大肠杆菌，金黄色葡萄球菌和艰难梭菌，A组病毒，腺病毒和真菌的某些菌株。因此，已经计划使用在不同的交通工具中与乘客的手接触的铜合金。

纳米粒子

当使用铜纳米颗粒时，铜的抗菌作用会进一步增强，这已被证明可用于牙髓治疗。

同样，铜纳米颗粒也是极好的吸附剂，并且由于它们是橙色，因此它们的颜色变化代表了一种潜在的比色法。例如，开发用于检测二硫代氨基甲酸酯农药。

生物作用

在电子运输链中

铜是生命必不可少的元素。它涉及电子运输链，构成复杂IV的一部分。电子传输链的最后一步发生在这种复合物中：氧分子还原形成水。

复合物IV由两个hae组组成，一个是细胞色素a，一个是细胞色素a ₃，另一个是两个Cu中心。一个叫做CuA，另一个叫做CuB。细胞色素a ₃和CuB形成双核中心​​，在该中心发生氧气还原为水。

在此阶段，Cu从其+1氧化态转变为+2氧化态，将电子提供给氧分子。电子传输链使用克雷布斯循环中的NADH和FADH ₂作为电子给体，并利用它产生电化学氢梯度。

在称为氧化磷酸化的过程中，此梯度可作为产生ATP的能源。因此，最终，铜的存在对于真核细胞中ATP的产生是必需的。

酶中超氧化物歧化酶

铜是超氧化物歧化酶，其催化分解的酶部分超氧离子（O ₂ ^- ），即是有毒的众生的化合物。

超氧化物歧化酶催化超氧化物离子分解为氧气和/或过氧化氢。

超氧化物歧化酶可利用铜的还原将超氧化物氧化成氧气，或者可导致铜氧化，从而由超氧化物形成过氧化氢。

在血蓝蛋白中

血蓝蛋白是一些蜘蛛，甲壳类和软体动物血液中的一种蛋白质。在这些动物中，它具有与血红蛋白类似的功能，但是它不是铜在氧的转运位置，而是铜。

血蓝蛋白在其活性位点具有两个铜原子。因此，血蓝蛋白的颜色为蓝绿色。金属铜中心不直接接触，但位置紧密。氧分子夹在两个铜原子之间。

人体中的浓度

人体含有1.4至2.1 mg铜/ kg体重。铜被小肠吸收，然后与白蛋白一起被带到肝脏。从那里，铜被运输到与血浆蛋白铜蓝蛋白连接的人体其余部分。

多余的铜通过胆汁排出。但是，在某些情况下，例如在威尔逊氏病中，铜会在体内积聚，表现出金属的毒性作用，会影响神经系统，肾脏和眼睛。

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