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元素铜简介

铜是一种过渡金属元素,原子序数29,属元素周期表中第11组。核外电子排布,28181。化合价是+1+2+3+4,其中+1+2是常见氧化态。电负性 1.90(鲍林标度)。电离能 ( kJ/mol ):一级,745.5;二级,1 957.9;三级,3 555。原子半径 127 pm,共价半径 132±4 pm,范德华半径 140 pm。铜在巨型恒星中生成,约占地壳总质量的 0.005 %。铜有29种同位素,稳定的是63Cu(丰度 69.15 %)、65Cu(丰度 30.85 %),剩余的都有放射性。铜是4种天然色泽不是灰色或银色的金属元素之一,另外三种是铯、金(黄色)和锇(蓝色)。纯净的铜单质呈橙红色的,接触空气以后失去光泽而变红。铜的这种特殊颜色是由于全满的3d亚层和半满的4s亚层之间的电子跃迁 这两个亚层之间的能量差正好对应于橙光。铯和金呈黄色也是这个原理。

        自然界中存在自然铜,硫化物矿(黄铜矿和辉铜矿),碳酸铜矿(蓝铜矿和孔雀石),还有氧化亚铜矿(赤铜矿)。在1857年于美国密歇根州凯韦诺半岛(Keweenaw Peninsula)发现已知的最大一块单质铜重420吨。铜的使用已有一万年的历史,但有95 %的铜是在1900年后开采冶炼的,超过半数的铜是在近三十多年开采的。像很多自然资源一样,铜在地球中的总储量十分巨大,在距离地表1 000米以内的地壳中约有1014吨,以现在的速度可开采五百万年。不过,以现在的技术水平和物价,这些储量中只有一小部分在经济上有开采价值。铜像铝一样,不管是原材料还是在产品中,都能100 %回收。铜的回收量仅次于铁和铝,排名第三,大概已开采出的铜有80 %现在仍在使用。据估计全球人均拥有35~55千克铜可以使用,其中发达国家人均拥有量较高,140~300千克,而欠发达国家人均拥有量较低,30~40千克。

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。铜重要合金有以下几种:黄铜是铜与锌的合金,因色黄而得名。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好,可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳、水龙头等。黄铜敲起来声音好听,因此锣、钹、铃、号等乐器都用黄铜制作;铜与锡的合金叫青铜,因色青而得名。在古代为常用合金(如中国的青铜时代)。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能,且硬度大,用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。青铜还有一个反常的特性 — “热缩冷胀,用来铸造塑像,冷却后膨胀,可以使眉目更清楚;磷青铜是铜、锡与磷的合金,其中含有锡2~8 %,含有磷2~8 %,其余成分为铜。坚硬,可制弹簧。铸件可用于齿轮、蜗轮、轴承等机械部件;白铜是铜与镍的合金,其色泽和银一样,银光闪闪,不易生锈。常用于制造硬币、电器、仪表和装饰品;18K(玫瑰金),是由6/24的铜与18/24金制成的合金。红黄色,硬度大,可用来制作首饰、装饰品。铜常见化合物有:氢氧化铜、氧化铜和硫酸铜,这些化合物在农业上用于防治作物病害。

对生物而言,不论是动物或植物,铜是必需的微量元素。人体缺乏铜会引起贫血,毛发异常,骨骼和动脉异常,以至于脑障碍。但如过剩,会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍。正常人体内含铜100~200 mg,约50~70 %存在肌肉及骨骼,20 %存在肝脏,5~10 %分布于血液。铜主要从日常饮食中摄取。一般来说,牛肉、葵花籽、可可、黑椒、羊肝、螺旋藻、牡蛎等都有丰富的铜质。世界卫生组织建议,为了维持健康,成人每天应摄入铜 0.03 mg/kg(体重)。

智利是世界上最大的铜生产国,2005年占世界份额的至少三分之一,其次是美国,印度尼西亚和秘鲁。中国是世界第一大铜消费国,而精炼铜产量却只占世界的1/5左右。中国铜资源储量仅为世界储量的5.5 %,随着中国工业化和城镇化进程的不断推进,中国铜资源和铜材供求矛盾将不断加剧。据悉,中国精炼铜所需的原料(铜精矿、粗铜、废铜)基本来自国外。然而近年来各国保护资源力度不断加大,铜矿出口价格逐年上升;废铜方面,中国工业化历史进程比较短,废铜资源比较稀少,目前废铜主要来自欧美日等发达国家,随着铜价不断上升,废铜价格也持续走高。近年来中国铜矿供应依然匮乏,中国铜精矿的供应占比不到30 %,超过70 %的份额依然依靠进口。