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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(xué)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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性。延展性好，可進(jìn)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(fù)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(luò)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(yīng)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(yīng)。

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(yīng)用于電子、電氣、交通、機械制造、國防工業(yè)等領(lǐng)域，在食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有應(yīng)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(shù)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(jìn)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(jì)下半葉到前二千紀(jì)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(jì)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(jì)至一千紀(jì)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(shù)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(jìn)入青銅時代的時期大約在公元前兩千紀(jì)左右。中國經(jīng)夏商周三代到公元5世紀(jì)，發(fā)展出加入熟料和草灰控制制泥范性能的鑄造技術(shù)，達(dá)到了青銅鑄造技術(shù)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(jì)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(jì)產(chǎn)業(yè)革命及法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)現(xiàn)以來，銅和銅合金因具有優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、電器、化工等領(lǐng)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(shù)水平的標(biāo)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?jǐn)?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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性。延展性好，可進(jìn)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(xué)性質(zhì)

與氧反應(yīng)

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(yīng)

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

與氨氣、氨水反應(yīng)

銅紅熱狀態(tài)與氨氣反應(yīng)生成氮化物。

在碳酸鹽參與的條件下，銅能與氨水反應(yīng)生成配鹽。

與氰化物反應(yīng)

銅能與氰化物的水溶液反應(yīng)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(yīng)

銅與硫化物反應(yīng)會生成硫化銅。

與氯化鐵反應(yīng)

銅與氯化鐵的反應(yīng)是無線電工業(yè)制印刷電路板的重要反應(yīng)。

與二氧化氮反應(yīng)

常溫下銅能與二氧化氮反應(yīng)。

化學(xué)結(jié)構(gòu)

純銅的晶體結(jié)構(gòu)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(lán)礬或膽礬，加熱至250 ℃會失去結(jié)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)該存在一個較輕的端元使得現(xiàn)在的遠(yuǎn)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(shù)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(shù)》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(yīng)。這是中國最早的金屬置換反應(yīng)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(gòu)成三個循環(huán)，如下圖：第一步，先將銅礦石與酸反應(yīng)，將銅轉(zhuǎn)化為可溶性鹽，然后進(jìn)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(jìn)入有機相和水溶液中，萃余液酸度將增加，然后再返回進(jìn)行重新的萃取浸取，有機相中負(fù)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(fù)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(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域

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

電氣工業(yè)

電氣工業(yè)中，大量高導(dǎo)電性的銅被用來制作動力電機、開關(guān)、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(dǎo)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(dǎo)線。

電子工業(yè)

銅在電子工業(yè)中的應(yīng)用包括印刷電路、制作微電子和半導(dǎo)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(dǎo)電性和導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dǎo)線就需要使用2噸以上的異型銅線。

食品領(lǐng)域

長期以來，銅也一直是改善人類生活條件的關(guān)鍵所在，是與人類關(guān)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(chǔ)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(jìn)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(lǐng)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(yīng)用

銅的耐蝕性能好，在化學(xué)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(yīng)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(guān)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(jìn)人體的許多功能。如人體內(nèi)氧化還原反應(yīng)、組織呼吸、細(xì)胞生成、維持骨骼以及膠原組織結(jié)構(gòu)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(yán)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(lán)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行廣泛研究，但現(xiàn)有研究表明，慢性銅暴露會導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)為在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起到關(guān)鍵作用，有推測顯示銅誘導(dǎo)產(chǎn)生的羥基自由基可導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)與銅含量有關(guān)。目前人群流行病學(xué)研究也尚不能得出銅攝入量是否對認(rèn)知減退有影響的結(jié)論。