铜的发展及应用

1、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Cu(OH)CO）。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

2、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

3、：金黄色的黄铜矿CuFeS，鲜绿色的孔雀石CuCO·Cu(OH)或者Cu(OH)CO，深蓝色的石青2CuCOCu(OH)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

4、。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：

5、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SO（用于制硫酸），大部分的砷、锑等杂质成为AsO、SbO等挥发性物质而被除去：2CuFeS+O=CuS+2FeS+SO。一部分铁的硫化物转变为氧化物：2FeS+3O=2FeO+2SO。CuS跟剩余的FeS等便熔融在一起而形成“冰铜”（主要由CuS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）

6、，FeO跟SiO形成熔渣：FeO+SiO=FeSiO。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（11001300）。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CuS才转变为CuO，CuO跟CuS反应生成粗铜（含铜量约为98.5%）。2CuS+3O=2CuO+2SO，2CuO+CuS=6Cu+SO，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

7、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2030%，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

8、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

9、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（1） 辐射合成法 早在1985年,法国科学家Belloni等就开始用辐射合成法制备金属纳米粒子,当时他用磁铁从辅照过的胶体溶液中,分离得到Co和Ni的纳米粒子。用辐射合成法合成纳米粒子的基本步骤如下:在金属盐水溶液中加入OH自由基清除剂和表面活性剂后,辐照、洗涤、干燥得到产物。这是一种物理手段与化学反应相结合的方法。用这种方法可制备出Ag(10nm),Pd(10nm),Pt(5nm),Au(10nm)等多种金属纳米粒子。电子衍射及相应的TEM形貌分析表明,所得粒子

10、呈多晶颗粒状。（2） 等离子体法 等离子体温度高、反应速度快,可获得均匀、小颗粒的纳米粉体,易于实现批量生产,几乎可制备任何纳米材料。等离子体法分为直流电弧等离子体(DC)法、高频等离子体(RF)法及混合等离子体(Hybridplasma)法。纳米铜的化学制备方法（1） 均匀沉淀法 该种方法是最常见的一种制备方法,将一定浓度的次亚磷酸钠溶液以一定的速率加入一定浓度的CuSO4溶液中搅拌,使二者发生氧化还原反应,生成单质铜Cu。用该工艺制备的纳米铜粉收率在90%以上。XRD检测结果表明产物为单质铜;TEM检测结果表明这种铜粉的粒径为3050nm。（2）电化

11、学法 电化学方法制备纳米铜粒子,制得的铜纳米粒子粒径约为75nm。电解是在配位剂(EDTA)的存在下,加入一定量的保护剂(十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的混合物)配制电解液,聚乙烯吡烷酮大分子作保护剂较有效地阻止了纳米金属铜粒子的团聚作用。采用紫外-可见光谱、透射电子显微镜(TEM)对反应产物进行了表征。与其它方法相比,电化学方法制备纳米铜粒子,具有反应条件温和、仪器设备简单等优点五.纳米铜粉的发展及应用超细铜粉是导电率好、强度高的纳米铜材不可缺少的基础原料。由于其优异的电气性能,广泛应用于导电胶、导电涂料和电极材料,近年来研究发现可用于制作催化剂、润滑油添加剂,甚至可以用于治疗骨质

12、疏松、骨折等。纳米铜粉的比表面大、表面活性中心数目多,在冶金和石油化工中是优良的催化剂。在高分子聚合物的氢化和脱氢反应中,纳米铜粉催化剂有极高的活性和选择性,在乙炔聚合反应用来制作导电纤维的过程中,纳米铜粉是很有效的催化剂。在汽车尾气净化处理过程中,纳米铜粉作为催化剂可以用来部分地代替贵金属Pt和Ru,使有毒性的CO转化为CO2,使NO转变为NO2。随着电子工业的发展,由纳米铜粉制备的超细厚膜浆料将在大规模集成电路中起着重要的作用,同时价格比贵金属银粉、钯粉低廉,具有广阔的应用前景。参考文献：1 Magnetic susceptibility of the elements and inorg

13、anic compounds in Lide, D. R., CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th, Boca Raton (FL): CRC Press. 2005, ISBN 0-8493-0486-52 Periodic Table of Elements: Los Alamos National Laboratory 洛斯阿拉莫斯国家实验室 2010-11 引用日期2013-08-15 3 薛步高.史料考证与找矿(之三):铜矿J.云南地质，2002,21(3):617.4 AAM Abdullah, JK Abdul-Hassan.J. Basrah Res, 19945 徐绍龄、徐其亨、田应朝、刘松愈 无机化学丛书 第六卷