What is 铜?
铜 (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a 过渡金属 in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示铜在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 128 pm — that is 0.128 nm, so about 3906 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
铜 is liquid over a 1477 K window, from 1358 K to 2835 K.
故事
人类最早使用的金属。优异的导电性。
铜代表了人类有意使用金属的开端,大约始于公元前9000年的肥沃新月地带。来自土耳其 Çayönü Tepesi 的考古证据显示,当地存在早于农业出现的铜珠和铜制工具。不同于铁或铝,自然铜以金属形式天然存在,因此早期人类无需复杂的冶炼技术就能加工它。
大约在公元前5000年,巴尔干地区和中东的文明发现,将某些绿色和蓝色岩石(碳酸铜)与木炭一起加热,可以制得纯铜。这一突破开启了铜石并用时代(铜器时代),从根本上改变了人类技术。冰人(Ötzi)在阿尔卑斯山被发现,年代可追溯至公元前3300年;他携带的一把铜斧展现了先进的冶金技术。
青铜——铜和锡的合金——大约在公元前3500年于近东出现,开启了持续到公元前1200年的青铜时代。这一发现很可能源于含锡铜矿石被一起冶炼时的偶然结果。事实证明,青铜在武器、工具和艺术品制造方面优于纯铜,推动了国际贸易网络的发展,因为各文明都在寻找锡的来源。
公元前2500年的苏美尔文献记载了复杂的铜加工技术,包括失蜡铸造和合金成分控制。乌尔军旗以及无数文物展现了他们在铜和青铜冶金方面的精湛技艺。美索不达米亚商人建立了从阿富汗(锡)到塞浦路斯(铜)的贸易路线。
在古代世界,塞浦路斯岛成为铜的代名词,并赋予这种金属拉丁名称“cuprum”(源自“aes cyprium”,意为塞浦路斯的金属)。塞浦路斯的罗马矿山运营了1500多年,生产的铜助力罗马帝国的建立。罗马工程将铜用于铸币、管道、屋顶和艺术作品,这些遗迹至今仍保存下来。
埃及冶金工匠达到了非凡的技术水平,制造出用于神庙排水系统的铜管和精美的青铜器。Edwin Smith 纸草文稿(公元前1600年)记载了使用铜化合物治疗感染的医学用途,比现代抗菌应用早了3600年。
欧洲的探索活动部分受到寻找铜和其他金属的驱动。西班牙征服者在美洲遇到了先进的铜冶金技术,当地原住民独立发展出了复杂的工艺。密歇根州上半岛的铜矿区在美国南北战争期间为联邦军提供了铜。
电的发现使铜从有用的金属转变为必不可少的材料。Michael Faraday的电磁感应实验(1831年)展示了电力的潜力,而Thomas Edison的配电系统使铜线成为必需品。贝塞麦炼钢法(1856年)实现了大规模钢铁生产,推动了蒸汽机和工业机械对铜的需求。
Antoine Lavoisier在其开创性著作《化学元素》(1789年)中列入了铜,确立了铜作为基本元素的地位。John Dalton的原子理论(1803年)为理解铜的性质提供了理论框架。X射线晶体学揭示了铜的面心立方结构,解释了它出色的电导率和热导率。
电气时代创造了前所未有的铜需求。Westinghouse和General Electric竞相开发需要大量铜线的交流电力系统。第一次世界大战和第二次世界大战证明了铜的战略重要性,促使各国政府建立储备和回收计划。制冷、空调和电子技术的发展进一步扩大了铜的应用范围。
应用
铜卓越的导电性(仅次于银)使其成为全球电力系统不可或缺的材料。输电线路利用铜的59.6 MS/m电导率,将电力从发电站输送到城市。从冰箱到工业泵,各种设备中的电动机都依赖铜绕组,以95%+的效率将电能转换为机械运动。电气行业消耗了全球铜产量的65%。
铜管输送清洁水已有4000多年,其可通过寡动力效应自然杀灭细菌和病毒。现代住宅使用铜制管道,是因为它可靠、耐腐蚀,并具有抗菌性质。医院供水系统越来越多地采用铜,以防止Legionella和其他水传播病原体。铜银离子化系统可净化游泳池水和航天器供水。
铜的热导率(401 W/m·K)可使空调、汽车散热器和工业流程中的热交换器高效运行。铜制炊具为专业厨房提供无与伦比的均匀传热。发电厂冷凝器使用铜镍合金,将蒸汽轮机的废热传递给冷却水,从而最大限度提高发电效率。
青铜(铜锡合金)在5000年前开启了人类文明的青铜时代,如今仍是轴承、船舶螺旋桨和建筑构件的重要材料。黄铜(铜锌合金)可制造音响效果出色的乐器,以及耐盐水腐蚀的船用五金件。铍铜可制成适用于爆炸性环境的防火花工具,以及数十年保持张力的弹簧。
EPA认可铜是唯一能够持续杀灭细菌、病毒和真菌的固态表面。医院门把手、扶手和床架使用铜合金,可将医疗保健相关感染减少最多58%。COVID-19研究表明,铜表面可在4小时内使该病毒失活,因此铜在公共场所的应用日益增多。
铜的天然铜绿形成了自由女神像、众多教堂穹顶和现代建筑特征鲜明的绿色。立边咬合铜屋面的使用寿命超过100年,并会逐渐形成美丽的蓝绿色氧化层。Frank Lloyd Wright和其他建筑师因铜的耐久性、可加工性及不断变化的美学魅力而选用铜。
铜催化剂可用于甲醇合成、药品生产和石化加工。Ullmann反应利用铜在药物制造中形成碳—碳键。硫酸铜可在水处理中控制藻类,并在农业中为植物生长提供必需的微量营养素。
来源
60 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 79% of elements
铜是地壳中丰度排名第25位的元素,含量为每百万份中60份,但形成具有经济价值的富集矿床,需要地质过程使局部丰度提高100倍。Chile拥有全球储量的28%,主要位于Atacama Desert,那里干旱的气候条件有利于硫化矿石保存。Peru、China和Democratic Republic of Congo还拥有由多种地质过程形成的其他大型矿床。
斑岩矿床供应全球铜产量的75%,形成于与俯冲带火山活动相关的大型热液系统。Chile的Chuquicamata mine——世界上最大的露天铜矿——展现了这类规模巨大的系统,其中岩浆流体在数百万年间输送铜。钼、金和银常与铜共同存在于这些矿床中,形成多金属矿体。
俯冲的洋板块产生富铜岩浆,并以斑状岩株的形式侵入上覆地壳。在300-600°C下,热液流体以氯化物络合物的形式输送铜,并在裂隙网络中沉淀形成黄铜矿(CuFeS₂)和斑铜矿(Cu₅FeS₄)。这一过程需要精确的温度、压力和化学条件,主要发生在汇聚型板块边界。
位于Zambia和Democratic Republic of Congo的Copper Belt含有形成于古老裂谷盆地中的层状铜矿床。含铜流体穿过沉积岩迁移,在还原环境中沉淀形成辉铜矿(Cu₂S)和孔雀石 [Cu₂CO₃(OH)₂]。数千年前,这些矿床为非洲文明提供了铜。
Cyprus-type deposits形成于洋中脊,热液喷口在那里将硫化铜沉淀在海底。由于对这些矿床进行了大规模古代开采,Cyprus岛赋予了铜的名称(拉丁语“cuprum”)。现代对应物包括黑烟囱喷口,它们在多金属硫化物中富集铜、锌和铅。
Michigan的Keweenaw Peninsula含有世界上最大的自然铜矿床,金属铜以未经化学结合的天然形式存在。前寒武纪洪流玄武岩形成了还原条件,使纯铜沉积在杏仁状空洞和裂隙中。Native Americans开采这些铜已有7000年,并将其制成工具和装饰品,在北美各地进行贸易。
铜通过渐近巨星分支恒星中的慢中子俘获(s过程)以及II型超新星中的爆发性核合成形成。Cu-63/Cu-65同位素比为研究银河系化学演化和恒星加工过程提供了线索。陨石中含有处于硫化物状态的铜,表明在46亿年前太阳系形成期间铜已经存在。
海水中含有每十亿份0.25份铜,这对海洋生物必不可少,但浓度较高时会产生毒性。深海海底的多金属结核在数百万年间不断积累铜,因为金属会从海水中沉淀出来。洋中脊热液系统持续在地幔与海洋之间循环铜,维持全球地球化学平衡。
铜是所有生命形式必需的微量营养素,在细胞色素氧化酶和超氧化物歧化酶等酶中发挥作用。植物需要铜进行光合作用和铁代谢,动物则需要铜形成结缔组织并运输铁。土壤中铜的有效性会影响农业生产力和生态系统健康。
铜硫化物的风化会形成壮观的次生矿物。蓝铜矿 [Cu₃(CO₃)₂(OH)₂]形成鲜艳的蓝色晶体,而孔雀石 [Cu₂CO₃(OH)₂]形成明亮的绿色条带状纹理。硅孔雀石形成蓝绿色的硅酸盐团块,赤铜矿(Cu₂O)则呈现深红色八面体晶体。这些色彩丰富的矿物吸引人类已有数千年。
处理
OSHA PEL:铜烟为 1 mg/m³,铜粉尘和雾滴为 1 mg/m³(8 小时 TWA)。NIOSH REL:铜化合物为 1 mg/m³,铜烟为 0.1 mg/m³,以预防金属烟热。ACGIH TLV:铜烟为 0.2 mg/m³,考虑到焊接和高温作业会增加呼吸道致敏风险。
铜烟热会影响接触氧化铜烟雾的焊工和金属工人,引起包括发热、寒战、肌肉酸痛和金属味在内的流感样症状。症状通常在暴露后 4-12 小时开始,并在 24-48 小时内消退。星期一早晨发热发生在工人经过周末后耐受性下降时。预防措施包括在热作业期间确保充分通风并使用呼吸防护用品。
摄入硫酸铜会引起严重的胃肠道刺激、恶心、呕吐,并且在剂量超过 10-20 克时可能导致致命性肝损伤。威尔逊病是一种影响 30,000 人中 1 人的遗传性疾病,会阻碍铜的正常排泄,导致铜在肝脏和脑部危险性蓄积。症状包括肝病、神经系统问题,以及眼睛中具有特征性的凯泽-弗莱舍环。
吸入:立即转移到空气新鲜处,监测是否出现迟发性呼吸道症状;如持续咳嗽或呼吸困难,应就医。皮肤接触:用肥皂和水清洗,脱去受污染的衣物。眼睛接触:用清水冲洗 15 分钟;如刺激持续,应就医。摄入:不要催吐,饮用水或牛奶,并立即就医。
EPA 饮用水标准:公共供水系统中铜的行动水平为 1.3 mg/L。较高浓度会引起胃肠道不适,也可能表明管道发生腐蚀。水生毒性:铜对鱼类和水生无脊椎动物具有高度毒性,因此必须谨慎处置含铜溶液,并对工业废水进行处理。
在干燥条件下储存铜材料,以防止氧化和粉尘形成。研磨和切割作业需要局部排风,以控制铜粉尘。焊接和钎焊需要专用烟尘抽排系统。定期清洁可防止铜粉尘积聚,从而避免呼吸危害或可燃粉尘环境。
有明显铜暴露的工人需要进行基线和定期的肝功能检查、全血细胞计数和呼吸系统评估。血清铜和铜蓝蛋白水平有助于识别铜吸收过量。及早发现工人中的威尔逊病,有助于进行适当的医学管理并防止严重并发症。
快速回答
铜 (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a 过渡金属 in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 1 electrons respectively.铜 melts at 1357.8 K (1084.6 °C) and boils at 2835 K (2561.9 °C).
The standard atomic weight of 铜 is 63.546 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
铜 has a density of 8.96 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铜 is about 9× heavier.
铜 has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
铜 has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from latin cuprum, from Cyprus.
铜 makes up about 60 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.