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銅（過渡金屬元素）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-22

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銅

過渡金屬元素

銅（英文：Copper）是一種化學元素，元素符號Cu，原子序數(shù)為29，位于元素周期表中第四周期IB族，是一個重要的過渡金屬元素。純銅常溫常壓下是外觀呈玫瑰紅色、有光澤、有延展性、無氣味的金屬，表面氧化時呈紫紅色，其密度為8.89 g/cm3（20 ℃），熔點為1083 ℃，具有優(yōu)良的導電性、導熱性、耐腐蝕性。延展性好，可進行各種冷、熱加工。

基本信息

中文名

銅

英文名

Copper

拼音

tóng

元素符號

原子序數(shù)

29[

原子質(zhì)量

63.546

元素類別

過渡金屬

族

IB族

周期

第四周期

區(qū)

電子排布

[Ar] 3d1? 4s1

CAS編號

7440-50-8

物理性質(zhì)

物態(tài)

固態(tài)（常溫常壓）

密度

8.89 g/cm3（20 ℃）

熔點

1083 ℃

沸點

2595 ℃（101.325 kPa）

熔化熱

48.9 cal/g

汽化熱

1150 cal/g

原子性質(zhì)

氧化態(tài)

-2,+1,+2,+3,+4

電負性

1.9

原子半徑

135 pm

銅在自然界中主要存在三種價態(tài)，分別是：Cu?、Cu2?和Cu3?。其中Cu?的化合物一般為白色或無色，固態(tài)銅的熱穩(wěn)定性較高，但在溶液中極其不穩(wěn)定，易被氧化或還原，且其絡合物溶解度較低。自然界中銅的主要存在形式是Cu2?，其在強氧化作用條件下可以穩(wěn)定存在。Cu3?的化合物有較強氧化性，但穩(wěn)定性較差。銅單質(zhì)屬于活性小的金屬，常溫下在干燥的空氣中比較穩(wěn)定，但若在潮濕的空氣中，銅會與二氧化碳及水反應生成有毒的銅銹，即銅綠

。銅在一定條件下能與氧氣、酸、氨氣、氰化物、硫化物等發(fā)生反應。

銅是有史以來最古老的金屬之一，也是文明發(fā)展的重要材料之一。銅被廣泛應用于電子、電氣、交通、機械制造、國防工業(yè)等領域，在食品、農(nóng)業(yè)等領域也有應用。

發(fā)現(xiàn)歷史

經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)和研究證明，早在公元前六千年，安納托利亞地區(qū)的人就開始使用銅了。金屬冶煉技術從安納托利亞向世界各地傳播的時間大約在公元前兩千年左右。在進入青銅時代前，人們使用過很長一段時間的紅銅和坤銅合金。

大約公元前三千紀下半葉到前二千紀初，分布于南西伯利亞葉尼尼賽河中游米奴辛斯克盆地和阿爾泰地區(qū)的阿凡納謝沃文化使用紅銅打造耳環(huán)、手鐲等飾品以及針、小刀等工具。公元前二千紀上半葉，葉尼塞河中游米奴辛斯克盆地盆地的奧庫涅夫青銅文化，出土有較多的紅銅以及青銅器，該文化可能源于阿凡納謝沃文化。之后公元前兩千紀至一千紀初，南西伯利亞出現(xiàn)了著名的安德羅諾沃文化，該文化的青銅制造技術較為成熟，出土了不少青銅鍛造或鑄造的武器、工具及其他日用品。在奧庫涅夫文化尤其是安德羅諾沃文化時期，中國與南西伯利亞聯(lián)系密切。中國進入青銅時代的時期大約在公元前兩千紀左右。中國經(jīng)夏商周三代到公元5世紀，發(fā)展出加入熟料和草灰控制制泥范性能的鑄造技術，達到了青銅鑄造技術的頂峰。

除青銅外，還有黃銅，中國仰韶文化（約公元前5000-3000年）晚期，已經(jīng)從銅鋅礦中制取銅鋅合金即黃銅。公元前170年，羅馬人利用碳酸鋅礦石煉制黃銅。公元10世紀后，中國通過向爐甘石或氧化鋅中加入銅制取黃銅。

到近現(xiàn)代，尤其是17世紀產(chǎn)業(yè)革命及法拉第電磁感應定律發(fā)現(xiàn)以來，銅和銅合金因具有優(yōu)良導電、導熱、耐蝕性能，被廣泛應用于機械、電子、電器、化工等領域。銅以及銅合金的品種和消費量，已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)技術水平的標志之一。

分布情況

根據(jù)2016年美國資源調(diào)查局發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球銅資源總量約有56億噸，包括已探明資源21億噸，待探測資源35億噸。銅資源總儲量的97%以上為斑巖型銅礦、砂頁巖型銅礦、黃鐵礦型銅礦、銅鎳硫化物型銅礦。其中斑巖型銅礦約占銅資源總儲量的55%，主要分布于美國智利、秘魯、加拿大、伊朗、中國、巴基斯坦、蒙古、烏茲別克斯坦等國家；砂頁巖型銅礦約占銅資源總儲量的29%，主要分布于剛果、智利、俄羅斯、德國、波蘭等國家；黃鐵礦型銅礦約占銅資源總儲量的9%，集中分布在中國、美國、俄羅斯、西班牙等國；銅鎳硫化物型銅礦約占銅總儲量的4%，該類型銅礦由多種貴金屬共生、品位高，主要分布在西伯利亞和北美。

2016年美國資源調(diào)查局數(shù)據(jù)顯示，全球銅礦儲量（金屬量）為7.2噸，其中北美地區(qū)占60%以上，亞洲和非洲各占約15%。全球銅儲量最高的是智利，占全球銅儲量的29.2%；澳大利亞占總儲量12.4%；秘魯占總儲量11.3%；墨西哥占總儲量的6.4%；美國占總儲量的4.9%；俄羅斯占總儲量的4.2%；中國占總儲量的3.9%；剛果（金）和贊比亞各占總儲量的2.8%。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

純銅是外觀呈玫瑰紅色、有光澤、有延展性、無氣味的金屬，表面氧化時呈紫紅色，常溫下為固體，其密度為8.89 g/cm3（20 ℃），熔點為1083 ℃，具有優(yōu)良的導電性、導熱性、耐腐蝕性。延展性好，可進行各種冷、熱加工。液態(tài)的銅密度為7.81 g/cm3（1200 ℃），并且液態(tài)銅能夠吸收H?、O?、SO?、CO?、CO等氣體。

化學性質(zhì)

與氧反應

銅在常溫、干燥的空氣中不發(fā)生變化，溫度高于185 ℃時開始氧化，350 ℃以下生成紅色的氧化亞銅，350-1500 ℃生成黑色氧化銅。

銅在潮濕的空氣中會生成銅綠（CuCO?·Cu(OH)?）。

與酸反應

銅不與單獨的鹽酸、稀硫酸反應，能與硝酸、濃硫酸等氧化性的酸反應生成相應的銅鹽和水。

與氨氣、氨水反應

銅紅熱狀態(tài)與氨氣反應生成氮化物。

在碳酸鹽參與的條件下，銅能與氨水反應生成配鹽。

與氰化物反應

銅能與氰化物的水溶液反應生成二氰合銅酸鈉和強堿，砷、銻、鉍的氧化物作氧化劑會被還原為單質(zhì)。

與硫化物反應

銅與硫化物反應會生成硫化銅。

與氯化鐵反應

銅與氯化鐵的反應是無線電工業(yè)制印刷電路板的重要反應。

與二氧化氮反應

常溫下銅能與二氧化氮反應。

化學結構

純銅的晶體結構為面心立方晶格，銅原子成立方最緊密堆積。空間群為

，晶胞參數(shù)a?=0.3608nm，原子配位數(shù)CN=12。

化合物

銅的化合物有許多，主要包括銅的氧化物（CuO、Cu?O）、銅的氫氧化物［Cu(OH)?］和銅鹽［CuCl、CuSO?·5H?O、Cu(NO?)?］。下面介紹幾類常見的銅的化合物和銅礦物。

氧化銅（CuO），一種堿性氧化物，不溶于水，但溶于酸，具有較好的熱穩(wěn)定性。大于1273 K時，可以被分解成Cu?O和O?。同時，在高溫中也容易被H?、C、NH?等還原劑還原成銅。

CuSO?·5H?O常被稱為藍礬或膽礬，加熱至250 ℃會失去結晶水變?yōu)榘咨臒o水CuSO?粉末。

氯化銅（CuCl）是最重要的亞銅鹽，難溶于水，能溶于氨水、NaCl、KCl以及濃HCl溶液并生成對應配合物，在潮濕空氣中會被氧化并由白色變綠色。CuCl是共價化合物，熔體導電性差，能吸收CO生成CuCl·CO。

同位素

銅是一種重要的過渡金屬元素，有兩種穩(wěn)定同位素，分別是?3Cu和??Cu，其含量分別為69.2%和30.8%。

有研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代河流平均銅同位素含量約0.7%，現(xiàn)今海洋的平均銅同位素含量為0.7%~0.9%，根據(jù)質(zhì)量守恒，自然界應該存在一個較輕的端元使得現(xiàn)在的遠洋沉積物和靜海沉積物能夠穩(wěn)定在0.3%。

生產(chǎn)方式

銅冶煉技術的發(fā)展經(jīng)過了漫長的過程，現(xiàn)行的煉銅方法分為火法煉銅和濕法煉銅。其中，世界上80%以上的銅都采用火法煉銅技術生產(chǎn)。

火法煉銅

火法煉銅的原料主要是硫化銅精礦。首先熔煉銅精礦，這也是火法煉銅中最重要的冶煉過程，即在高溫下氧化焙燒礦（礦物原料進行熱化加工后的產(chǎn)物）所含的部分鐵或銅精礦，并與脈石、熔劑等形成熔渣再將其除去，從而產(chǎn)出銅硫或粗銅。然后，為了將熔煉所產(chǎn)出的含銅50%的冰銅轉(zhuǎn)變成含銅98%左右的粗銅，可以再將熔煉所得冰銅吹入轉(zhuǎn)爐。最終粗銅精煉有高溫精煉和電解精煉兩種方法，圖中使用的是火法精煉，可通過精煉吹煉得到的產(chǎn)品最終得到純銅，同時還能回收金銀等貴金屬。火法煉銅流程如下圖：

火法工藝具有能耗低、產(chǎn)率高、電銅質(zhì)量好、利于回收稀有、貴重金屬等優(yōu)點。但在生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1 t的銅將產(chǎn)出2-3 t銅渣，其中還含有Fe、Cu、Zn、Pb、Co、Ni等以及少量貴金屬Au、Ag等，然而大多數(shù)銅渣都是露天堆放，若不合理利用，不僅會浪費資源還會占用土地，甚至污染土壤和地下水，進而將會危害人類的健康。因此，雖然火法煉銅產(chǎn)率較高，但也要注意余渣的回收利用。

濕法煉銅

世界冶金史上第一個使用濕法煉銅工藝的國家是中國。“膽水煉銅”是中國古代流傳下來的一種銅濕法冶金工藝。它不僅是現(xiàn)代銅濕法冶金的先驅(qū)，也是世界濕法冶金歷史的開端。早在西漢時期（公元前206年-公元25年），淮南劉所著的《淮南萬畢術》就記載了用苦膽水冶煉銅的過程：“白青得鐵,即化為銅。”白青是指含有硫酸銅的水溶液。這句話的意思是，將鐵器置于該溶液中，然后鐵溶解，銅沉淀，這就是置換反應。這是中國最早的金屬置換反應記載，也濕法煉銅的起源。

現(xiàn)代濕法煉銅工藝主要是從火法中難以利用的低品位礦石中回收銅，如氧化礦、難選硫化礦、剝離的表外礦、浮選尾礦以及廢棄的礦山等。現(xiàn)代的銅濕法冶金流程主要分為L-SX-EW（浸出-萃取反萃取-電積）三部分，構成三個循環(huán)，如下圖：第一步，先將銅礦石與酸反應，將銅轉(zhuǎn)化為可溶性鹽，然后進入溶液，完成浸出；第二步，將銅離子和萃取劑中的質(zhì)子發(fā)生交換，再分別進入有機相和水溶液中，萃余液酸度將增加，然后再返回進行重新的萃取浸取，有機相中負載的電積殘渣將被反萃取以獲得富電解質(zhì)，并且電解質(zhì)的酸性將降低。萃取劑恢復至酸的形態(tài)，返回萃取；最后一步，通過電解，銅在陰極析出，其他產(chǎn)物則在陽極析出，最后浸出得到最終產(chǎn)品銅。

應用領域

工業(yè)領域

銅被廣泛應用于電子、電氣、交通、機械制造、國防工業(yè)等領域，其中在電氣、電子工業(yè)中應用最廣、用量最大。

電氣工業(yè)

電氣工業(yè)中，大量高導電性的銅被用來制作動力電機、開關、電纜、變壓器、聯(lián)接器等。電機的定子、轉(zhuǎn)子和軸頭等部件的制作都需要用到大量具有高導電、高強度的銅合金；大型電機如雙水內(nèi)冷或氫氣冷卻機繞組要使用水或氫氣冷卻，需要用到大長度的中空銅導線。

電子工業(yè)

銅在電子工業(yè)中的應用包括印刷電路、制作微電子和半導體集成電路等。銅印刷電路即將銅箔粘貼在支撐的塑料板上，使用照相的方法把電路布線圖印制在銅板上；另外在電路的連接中也需要用到各種便宜、熔點低、流動性好的銅基釬焊材料；銅合金具有強度高、導電性和導熱性好的優(yōu)點，并且成本低，符合微電子器件引線框架的性能要求，是引線框架的重要材料。

交通工業(yè)

銅具有良好的耐海水腐蝕性能，鋁青銅、錳青銅、炮銅、白銅、鋁黃銅等銅合金已成為造船的標準材料，一般銅和銅合金能占軍艦和商船自重的2-3%。汽車制造也需要用到銅和銅合金，主要應用于散熱器、齒輪、軸承、制動系統(tǒng)管路、電力系統(tǒng)等，用銅量比較大的是散熱器；鐵路的電氣化同樣也需要大量的銅和銅合金，每公里的鐵路架空導線就需要使用2噸以上的異型銅線。

食品領域

長期以來，銅也一直是改善人類生活條件的關鍵所在，是與人類關系非常密切的金屬之一，也是可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展過程中必不可少的基礎原材料。銅存在于一些食物中，如海鮮、堅果、種子、谷物、肉類等。銅也是一種天然存在于整個環(huán)境中的金屬，比如巖石、土壤、水和空氣。銅也是植物和動物（包括人類）中必不可少的元素，這意味著它是我們生存的必要條件。因此，植物和動物必須從進食，飲水和呼吸中吸收一些銅。

由于在潮濕空氣中銅表面形成的銅綠薄膜有毒，所以不能直接用來作為餐具器皿，若要使用銅制器皿，表面必須鍍錫。

農(nóng)業(yè)領域

此外，銅化合物還會用于農(nóng)業(yè)中，用于治療霉菌等植物病害，或作為殺蟲劑和除草劑，也用于水處理，并作為木材、皮革和織物的防腐劑。

其他應用

銅的耐蝕性能好，在化學工業(yè)、制糖、釀酒等行業(yè)可用于制作各種管道、閥門以及反應器；銅制備的某些化合物是電池、電鍍、農(nóng)藥、催化劑、染料等行業(yè)的重要原料。

安全健康

銅對人體健康的好處

成人體內(nèi)一般含銅70-100 mg。銅在人體所有的器官中均有分布，一般來說肝臟的含銅量最高，腦和心臟也含有較多的銅，人體血液中銅含量一般為1.1-1.5 mg/L。

作為人體必需的微量元素之一，銅是人體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的重要組分，許多關鍵酶需要銅的參與和活化，才能在人體代謝過程中發(fā)揮作用，促進人體的許多功能。如人體內(nèi)氧化還原反應、組織呼吸、細胞生成、維持骨骼以及膠原組織結構等。

人體需求量

年齡（歲）/生理狀況	參考攝入量 mg/d
	平均需要量	推薦攝入量	可耐受最高攝入量
1~	0.25	0.3	2.0
4~	0.3	0.4	3.0
7~	0.4	0.5	4.0
11~（男）	0.55	0.7	6.0
11~（女）
14~（男）	0.60	0.8	7.0
14~（女）
18~（男）	0.60	0.8	8.0
18~（女）
50~（男）	0.60	0.8	8.0
50~（女）
孕婦	0.7	0.9	8.0
乳母	1.1	1.4	8.0

銅缺乏的影響

但銅的缺乏或過量都會對人體健康造成影響。

銅缺乏可能來源于遺傳缺陷（如Menke's綜合征）或后天缺乏。Menke's綜合征是一種罕見的X連鎖遺傳的銅代謝紊亂疾病，嚴重影響骨骼、軟組織和神經(jīng)系統(tǒng)。患者血液、肝、腦中銅含量低，但在某些組織器官中由于銅無法正常排出而產(chǎn)生聚集，血清銅和銅藍蛋白含量降低，銅的吸收量減少。

銅的毒性

人體急性銅中毒較罕見，一般是攝入了被含銅容器污染的菜品和飲料所導致的。急性中毒癥狀包括流涎、上腹疼痛、惡心、嘔吐和腹瀉。急性銅中毒可引起肝損傷、高鐵血紅蛋白血癥和溶血性貧血。可能導致急性腎功能衰竭，繼發(fā)于大量血紅蛋白尿。人體慢性銅中毒尚未進行廣泛研究，但現(xiàn)有研究表明，慢性銅暴露會導致兒童腹瀉，長期攝入自來水中含有的銅可引發(fā)胃腸道刺激，慢性銅暴露還可造成急性肝功能衰竭。

除此之外，銅煙還會引起金屬煙霧熱。據(jù)報道，攝入中毒物質(zhì)后會有溶血性貧血。在較高劑量下，攝入的銅煙會引起溶血和對肝臟和腎臟的傷害。吸入銅煙會導致上呼吸道刺激，接觸銅煙也會刺激眼睛、鼻子和喉嚨。另外，銅煙也可能誘發(fā)易感個體的過敏性的接觸性皮炎，體征和癥狀包括瘙癢、發(fā)紅、腫脹、形成囊泡和膿皰。

銅對神經(jīng)系統(tǒng)的作用

另外，銅被認為在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起到關鍵作用，有推測顯示銅誘導產(chǎn)生的羥基自由基可導致阿爾茲海默病中的神經(jīng)退行性病變。也有研究顯示銅可能參與了朊病毒介導的腦病中神經(jīng)元損傷，但該證據(jù)較弱，很大程度上是一種推測，且沒有跡象表明有任何神經(jīng)元損傷效應與銅含量有關。目前人群流行病學研究也尚不能得出銅攝入量是否對認知減退有影響的結論。