銅(過渡金屬元素)

銅(過渡金屬元素)

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銅是一種過渡元素化學符號Cu,英文copper,原子序數29。純銅是柔軟的金屬,表面剛切開時為紅橙色帶金屬光澤,單質呈紫紅色。延展性好,導熱性和導電性高,因此在電纜和電氣、電子元件是最常用的材料,也可用作建築材料,可以組成眾多種合金。銅合金機械性能優異,電阻率很低,其中最重要的數青銅和黃銅。此外,銅也是耐用的金屬,可以多次回收而無損其機械性能。

二價銅鹽是最常見的銅化合物,其水合離子常呈藍色,而氯做配體則顯綠色,是藍銅礦和綠松石等礦物顏色的來源,歷史上曾廣泛用作顏料。銅質建築結構受腐蝕後會產生銅綠(鹼式碳酸銅)。裝飾藝術主要使用金屬銅和含銅的顏料。

銅是人類最早使用的金屬之一。早在史前時代,人們就開始採掘露天銅礦,並用獲取的銅製造武器、工具和其他器皿,銅的使用對早期人類文明的進步影響深遠。銅是一種存在於地殼和海洋中的金屬。銅在地殼中的含量約為0.01%,在個別銅礦床中,銅的含量可以達到3%~5%。自然界中的銅,多數以化合物即銅礦石存在。

銅的活動性較弱,鐵單質與硫酸銅反應可以置換出銅單質。銅單質不溶於非氧化性酸

基本介绍

  • 中文名:銅
  • 英文名:copper(cuprum)
  • 別稱:紫銅
  • 分子量:63.546
  • CAS登錄號:7440-50-8
  • 熔點:單質1357.77K(1083.4℃)
  • 沸點:單質2835K(2562℃)
  • 水溶性:不溶於水
  • 密度:8.960g/cm3(固態)8.920g/cm3(熔融液態)
  • 外觀:常溫下為(紫)紅色固體
  • 套用:製作導線、器皿、藝術品等
  • 莫氏硬度:3
  • 原子半徑:145pm
  • 化合價:0、+1、+2、+3、+4
  • 原子序數:29
  • 所屬周期:4
  • 所屬族數:IB
  • 元素類別:過渡金屬
  • 元素分區:ds
  • 元素符號:Cu
研究歷史,形成期,鼎盛期,轉變期,理化性質,物理性質,化學性質,同位素,製備,銅化合物,銅(I),銅(II),常見銅化合物,用途,電器和電子市場,交通設備,工業機器和設備,醫學,有機化學,合金,銅冶煉與生產消費,礦石的加工,礦石的冶煉過程,國內現狀,世界分布,消費國,十大產國,銅元素與人體健康,簡介,人體的需求量,銅的吸收與排泄,在人體的作用,銅的食物來源,

研究歷史

人類使用銅及其合金已有數千年歷史。古羅馬時期銅的主要開採地是賽普勒斯,因此最初得名cyprium(意為賽普勒斯的金屬),後來變為cuprum,這是其英語(copper)、法語(cuivre)和德語(Kupfer)的來源。
銅是人類最早使用的金屬之一。早在史前時代,人們就開始採掘露天銅礦,並用獲取的銅製造武器、式具和其他器皿,銅的使用對早期人類文明的進步影響深遠。
中國使用銅的歷史年代久遠。大約在六七千年以前中國人的祖先就發現並開始使用銅。1973年陝西臨潼姜寨遺址曾出土一件半圓形殘銅片,經鑑定為黃銅。1975年甘肅東鄉林家馬家窯文化遺址(約公元前3000左右)出土一件青銅刀,這是目前在中國發現的最早的青銅器,是中國進入青銅時代的證明。相對西亞、南亞及北非於距今約6500年前先後進入青銅時代而言,中國青銅時代的到來較晚。中國存在一個銅器與石器並用時代,年代距今約為5500—4500年。中國在此基礎上發明青銅合金,與世界青銅器發展模式相同。
“國之大事,在祀及戎。”對於中國先秦中原各國而言,最大的事情莫過於祭祀和對外戰爭。作為代表當時最先進的金屬冶煉、鑄造技術的青銅,也主要用在祭祀禮儀和戰爭上。夏、商、周三代所發現的青銅器,其功能(用)均為禮儀用具和武器以及圍繞二者的附屬用具,這一點與世界各國青銅器有區別,形成了具有中國傳統特色的青銅器文化體系。
一般把中國青銅器文化的發展劃分為三大階段,即形成期、鼎盛時期和轉變期。形成期是指龍山時代,距今4500—4000年;鼎盛期即中國青銅器時代,時代包括西周、春秋及戰國早期,延續時間約一千六百餘年,也就是中國傳統體系的青銅器文化時代;轉變時期指戰國末期—秦漢時期,青銅器已逐步被鐵器取代,不僅數量上大減,而且也由原來禮樂兵器及使用在禮儀祭祀,戰爭活動等等重要場合變成日常用具,其相應的器別種類、構造特徵、裝飾藝術也發生了轉折性的變化。

形成期

距今4500—4000年龍山時代,相當於堯舜禹傳說時代。古文獻上記載當時人們已開始冶鑄青銅器。黃河、長江中下游地區的龍山時代遺址里,經考古發掘,在幾十處遺址里發現了青銅器製品。從現有的材料來看,形成期的銅器有以下特點:
1、紅銅與青銅器並存,並出現黃銅。甘肅省東鄉林家遺址,出土一件范鑄的青銅刀;河北省唐山大城山遺址發現兩件帶孔紅銅牌飾;河南省登封王城崗龍山城內出土一件含錫7%的青銅容器殘片;山西省襄汾陶寺墓地內出土一件完整銅鈴,系紅銅;山東膠縣三里河遺址出土兩件黃銅錐;山東省棲霞楊家圈出土黃銅殘片。發現銅質製品數量最多的是甘肅、青海、寧夏一帶的齊家文化,有好幾處墓地出土刀、錐、鑽、環和銅鏡,有些是青銅,有些是紅銅。製作技術方面,有的是鍛打的,有的是用范鑄造的,比較先進。
2、青銅器品種較少,多屬於日常工具和生活類,如刀、錐、鑽、環、銅鏡、裝飾品等。但是應當承認當時人們已能夠製造容器。此外,在龍山文化中常見紅色或黃色陶鬹,且流口,腹襠部常有模仿的金屬鉚釘,如果認為這時的銅鬹容器與夏商銅鬹,爵、斝容器功能一樣的話,當時的青銅器已經在或開始轉向禮器了。
3、一般小遺址也出土銅製品,一般居民也擁青銅製品。此外,這個時期的青銅製品多樸實無飾,就是有紋飾的銅鏡也僅為星條紋、三角紋等等的幾何文飾,絕無三代青銅器紋飾的神秘感。

鼎盛期

鼎盛期即中國青銅器時代,包括夏、商、西周、春秋及戰國早期,延續時間約一千六百餘年。這個時期的青銅器主要分為禮樂器、兵器及雜器。樂器也主要用在宗廟祭祀活動中。禮器是古代繁文縟節的禮儀中使用的,或陳於廟堂,或用於宴飲、盥洗,還有一些是專門做殉葬的明器。青銅禮器帶有一定的神聖性,是不能在一般生活場合使用的。所有青銅器中,禮器數量最多,製作也最精美。禮樂器可以代表中國青銅器製作工藝的最高水平。禮器種類包括烹炊器、食器、酒器、水器和神像類。這一時期的青銅器裝飾最為精美,文飾種類也較多。
青銅器的裝飾
青銅器最常見花紋之一,是饕餮紋,也叫獸面紋。這種紋飾最早出現在距今五千年前長江下游地區的良渚文化玉器上,山東龍山文化繼承了這種紋飾。饕餮紋,本身就有濃厚的神秘色彩。《呂氏春秋·先識》篇內云:“周鼎著饕餮,有首無身,食人未咽,害及其身。”故此,一般把這種獸面紋稱之為饕餮紋。饕餮紋在二里頭夏文化中青銅器上已有了。商周兩代的饕餮紋類型很多,有的像龍、像虎、像牛、像羊、像鹿;還有像鳥、像鳳、像人的。西周時代,青銅器紋飾的神秘色彩逐漸減退。龍和鳳,仍然是許多青銅器花紋的母題。可以說許多圖案化的花紋,實際是從龍蛇、鳳鳥兩大類紋飾衍變而來的。
蟬紋,是商代、西周常見的花紋,到了春秋,還有變形的蟬紋。春秋時代,螭龍紋盛行,逐漸占據了統治地位,把其他花紋差不多都擠掉了。中國青銅器還有一特點,就是迄今為止沒有發現過任何肖像。不少的青銅器用人的面形作為裝飾品,如人面方鼎、人面鉞等,但這些人面都不是什麼特定人物的面容。更多的器物是人的整體形象,如人形的燈或器座;或者以人的整體作為器物的一部分,如鐘架有佩劍人形舉手托住橫樑,銅盤下有幾個人形器足之類,這些人形大部分是男女侍從的裝束,而且也不是特定婢奴的肖像。四川廣漢三星堆出土的立體像、人頭像,大小均超過正常人,均長耳突目,高鼻闊口,富於神秘色彩,應是神話人物。
商周青銅器中數以萬計的銅器留有銘文,這些文字,一般叫金文。對於歷史學者而言起著證史、補史的作用。
中國青銅器的銘文,文字以鑄成者為多。凹入的字樣,稱為陰文,少數文字凸起,稱陽文。商代和西周,可以說銘文都是鑄成的,只有極個別用鋒利的工具刻字的例子。
西周晚期,開始出現完全是刻成的銘文。戰國中期,大多數銘文已經是刻制的,連河北省平山中山王漢墓的三件極為典重的禮器,都是契刻而成,其刀法異常圓熟,有很高的藝術價值。
中國古代青銅器的另一個突出特徵是製作工藝的精巧絕倫,顯示出古代匠師們巧奪天工的創造才能。用陶質的複合范澆鑄製作青銅器的和范法,在中國古代得到充分的發展。陶范的選料塑模翻范,花紋刻制均極為考究,渾鑄、分鑄、鑄接、疊鑄技術非常成熟。隨後發展出來無須分鑄的失蠟法工藝技術,無疑是青銅鑄造工藝的一大進步。古人認為青銅器極其牢固,銘文可以流傳不朽,因此要長期流傳的事項必須鑄在青銅物之上。因此,銘文已成為今天研究古代歷史的重要材料。
在青銅器上加以鑲嵌以增加美觀,這種技術很早就出現了。鑲嵌的材料,第一種是綠松石,這種綠色的寶石,至今仍套用在首飾上。第二種是玉,有玉援戈,玉葉的矛,玉刃的斧鉞等。第三種隕鐵,如鐵刃銅鉞,鐵援銅刃,經鑑定,鐵刃均為碩鐵。第四種是嵌紅銅,用紅銅來組成獸形花紋。春秋戰國時也有用金、銀來鑲嵌裝飾的青銅器。
青銅器的冶煉
東周時代,冶鑄技術發展較高,出現了製造青銅器的技術總結性文獻《考工記》。書中對製作鐘鼎、斧斤、弋戟等各種器物所用青銅中銅錫的比例做了詳細的規定。由於戰爭頻繁,兵器鑄造得到了迅速發展。特別是吳、越的寶劍,異常鋒利,名聞天下,出現了一些著名的鑄劍的匠師,如干將,歐治子等人。有的寶劍雖已在地下埋藏兩千多年,但仍然可以切開成疊的紙張。越王勾踐劍等一些劍,其表面經過一定的化學處理,形成防鏽的菱形、鱗片形或火焰形的花紋,異常華麗。

轉變期

轉變時期一般指戰國末年至秦漢末年這一時期。經過幾百年的兼併戰爭及以富國、強兵為目的的政治、經濟、文化改革,以郡縣製取代分封制,具有中央集權性質的封建社會最終建立,傳統的禮儀制度已徹底瓦解,鐵製品已廣泛使用。社會各領域均發生了翻天覆地的變化。
青銅器在社會生活中的地位逐漸下降,器物大多日用化,但是具體到某些青銅器,精美的作品還是不少的。如在陝西臨潼秦始皇陵掘獲的兩乘銅車馬。第一乘駕四馬,車上有棚,御者為坐狀。這兩乘車馬均為青銅器鑄件構成,大小與實際合乎比例,極其精巧。車馬上還有不少金銀飾件,通體施以彩繪。第二乘馬,長3.17、高1.06米,可以說是迄今發掘到的形制巨大、結構又最複雜的青銅器。
到了東漢末年,陶瓷器得到較大發展,在社會生活中的作用日益重要,從而把日用青銅器皿進一步從生活中排擠出去。至於兵器,工具等方面,這時鐵器早已占了主導地位。隋唐時期的銅器主要是各類精美的銅鏡,一般均有各種銘文。自此以後,青銅器除了銅鏡外,可以說不再有什麼發展了。

理化性質

物理性質

銅呈紫紅色光澤的金屬,密度8.92克/立方厘米。熔點1083.4±0.2℃,沸點2567℃。有很好的延展性。導熱和導電性能較好。
磁性:抗磁性
晶體類型:面心立方結構
電阻率:1.75×10-8Ω·m
聲速(室溫)3810(m/s)
楊氏模量:110-128 GPa
剪下模量:48 GPa
泊松比:0.34
維氏硬度:343–369 MPa
布氏硬度:235–878 MPa
固態密度 8.960 g/cm3
熔融液態密度 8.920 g/cm3
比熱容:24.440 J/(mol·K)
汽化熱:300.4kJ/mol
融化熱:13.26kJ/mol
熱導率:401 W/m.K
膨脹係數:(25 °C)16.5 µm/m·K
化合價通常為+2,也有+1(3價銅僅在少數不穩定的化合物中出現,例如銅酸鉀KCuO2
在地殼中的含量(ppm):50
在太陽中的含量(ppm):0.7
電離能:7.726電子伏特
焰色為:綠色

化學性質

銅原子結構示意圖銅原子結構示意圖
原子大小與結構
電子層:K-L-M-N
電子層分布:2-8-18-1
電子排布式:1s22s22p63s23p63d104s1
與氧氣的反應
銅是不太活潑的重金屬,在常溫下不與乾燥空氣中的氧氣化合,加熱時能產生黑色的氧化銅:
如果繼續在很高溫度下燃燒,就生成紅色的Cu2O:
與空氣的反應(與O2、H2O、CO2反應)
在潮濕的空氣中放久後,銅表面會慢慢生成一層銅綠鹼式碳酸銅),銅綠可防止金屬進一步腐蝕,其組成是可變的。
或:
與鹵素的反應
銅可與氯氣在點燃條件下化合。
與硫的反應
加熱時,銅與硫直接化合生成硫化亞銅(Cu2S):
與氯化鐵溶液反應
在電子工業中,常用FeCl3溶液來刻蝕銅,以製造印刷線路。方程式:
(或
與酸的反應
與空氣和稀酸反應
在電位序(金屬活動性順序)中,銅族元素都在氫以後,所以不能置換稀酸中的氫。但當有空氣存在時,銅可先被氧化成氧化銅,然後再與酸作用然後緩慢溶於這些稀酸中。方程式見下:
與濃鹽酸反應
concentrated代表濃)該反應符合置換反應。
與氧化性酸反應
銅會被硝酸、濃硫酸(需加熱)等氧化性酸氧化而溶解:
dilute代表稀)
催化劑
銅能充當一些有機反應的催化劑,如酒精的催化氧化

同位素

銅有29個同位素。Cu63和Cu65很穩定,它們的自旋量子數都為3/2。
同位素豐度半衰期方式能量(MeV)產物
63Cu
69.15%
穩定,帶34個中子
64Cu
12.700小時
-
-
65Cu
30.85%
穩定,帶36個中子
67Cu
61.83小時
-

製備

實驗室常用還原劑(如氫氣)還原氧化銅製得金屬。如:

銅化合物

銅常見的價態是+1和+2。

銅(I)

銅(I)通常稱為亞銅,氯化亞銅(CuCl)、氧化亞銅(Cu2O)、硫化亞銅(Cu2S)都是常見的一價銅化合物。[Cu(NH3)2]2-是亞銅和氨的配離子,無色,易被氧化,在酸性溶液中自行歧化,生成Cu(II)和Cu。

銅(II)

銅(II)是銅最常見的價態,它可以和絕大部分常見的陰離子形成鹽,如眾所周知的硫酸銅,存在白色的無水物和藍色的五水合物。鹼式碳酸銅,又稱銅綠,有好幾種組成形式。氯化銅和硝酸銅也是重要的銅鹽。
銅(II)可以形成一系列的配離子,如Cu(H2O)4(藍色)、CuCl4(黃綠)、Cu(NH3)4(深藍)等,它們的顏色也不盡相同。

常見銅化合物

硫酸銅(五水、一水和無水)、醋酸銅((CH3COO)2Cu·H2O)、氧化銅(CuO)和氧化亞銅(Cu2O)、氯化銅 (CuCl2)和氯化亞銅(CuCl) 、硝酸銅(Cu(NO3)2)、氰化銅(Cu(CN)2)、脂肪酸銅、環烷酸銅(C22H14CuO4)等 。

用途

銅是與人類關係非常密切的有色金屬,被廣泛地套用於電氣、輕工、機械製造、建築工業國防工業等領域,在中國有色金屬材料的消費中僅次於鋁。銅是一種紅色金屬,同時也是一種綠色金屬。說它是綠色金屬,主要是因為它熔點較低,容易再熔化、再冶煉,因而回收利用相當地便宜。古代主要用於器皿、藝術品及武器鑄造,比較有名的器皿及藝術品如后母戊鼎、四羊方尊。
銅作為內芯的導線銅作為內芯的導線

電器和電子市場

電器和電子市場約占總數的28%。1997年,這兩個市場成為銅消耗的第二大終端用戶,擁有25%的市場份額。在許多電器產品中,(例如:電線、母線、變壓器繞組、重型馬達、電話線和電話電纜)銅的使用壽命都相當地長,只有經過20到50年以後,裡面的銅才可以進行回收利用。其他含銅的電器和電子產品(比如:小型電器和消費電子產品)使用壽命則比較短,一般是5~10年。商業性電子產品和大型電器產品通常要回收的,因為它們除含有銅以外,還有其他珍貴的金屬。儘管如此,小型的電子消費產品的回收率還是相當低的,因為它們裡面幾乎沒有多少銅元素。
隨著電子領域科學技術的快速發展,一些陳舊的含銅產品越來越過時了。比如,在二十世紀80年代,電話轉換站和中央營業所是銅和銅合金碎屑的主要來源,但是數字轉換的出現使得這些笨重的、金屬密集的東西變得越來越過時了。

交通設備

交通設備是銅的第三大市場,約占總數的13%,與二十世紀60年代基本相同。儘管交通的重要性沒有改變,但是銅的使用形式卻發生了很大的變化。許多年來,自動散熱器是這方面最重要的終端用戶;然而,銅在自動電器和電子產品中的使用飛速增長,而在熱交換器市場中的使用則有所下降。小轎車的平均使用壽命是10-15年,幾乎所有的銅(包括散熱器和配線)都是在它的整體拆卸和回收前來進行回收的。

工業機器和設備

工業機器和設備是另外一個主要的套用市場,在當中銅往往有比較長的使用壽命。硬幣和軍火是這方面主要的終端用戶。子彈很少回收,一些硬幣可以熔化,而還有許多則由收藏者或儲蓄者保存,不可以進行回收。在機械和運輸車輛製造中,用於製造工業閥門和配件、儀表、滑動軸承、模具、熱交換器和泵等。
在化學工業中廣泛套用於製造真空器、蒸餾鍋、釀造鍋等。
在國防工業中用以製造子彈、炮彈、槍炮零件等,每生產300萬發子彈,需用銅13~14噸。
在建築工業中,用作各種管道、管道配件、裝飾器件等。

醫學

醫學中,銅的殺菌作用很早就被認知。自20世紀50年代以來,人們還發現銅有非常好的醫學用途。後來,墨西哥科學家也發現銅有抗癌功能。新世紀,英國研究人員又發現,銅元素有很強的殺菌作用。相信不久的將來,銅元素將為提高人類健康水平做出巨大貢獻。

有機化學

有機化學中,有機銅鋰化合物是一類重要的金屬有機化合物。

合金

而銅可用於製造多種合金,銅的重要合金有以下幾種:
  • 黃銅
    黃銅是銅與鋅的合金,因色黃而得名。黃銅的機械性能和耐磨性能都很好,可用於製造精密儀器、船舶的零件、槍炮的彈殼等。黃銅敲起來聲音好聽,因此、鈸、鈴、號等樂器都是用黃銅製作的。
  • 航海黃銅
    銅與鋅、的合金,抗海水侵蝕,可用來製作船的零件、平衡器。
  • 青銅
    銅與錫的合金叫青銅,因色青而得名。在古代為常用合金(如中國的青銅時代)。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優良的機械性能。用於製造精密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件以及各種板材、管材、棒材等。青銅還有一個反常的特性——“熱縮冷脹”,用來鑄造塑像,冷卻後膨脹,可以使眉目更清楚。
  • 磷青銅
    銅與錫、磷的合金,堅硬,可制彈簧。
  • 白銅
    白銅是銅與的合金,其色澤和銀一樣,銀光閃閃,不易生鏽。常用於製造硬幣、電器、儀表和裝飾品。
  • 十八開金(18K金或稱玫瑰金
    6/24的銅與18/24的金的合金。紅黃色,硬度大,可用來製作首飾、裝飾品。

銅冶煉與生產消費

從銅礦中開採出來的銅礦石,經過選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說是銅礦砂,銅精礦需要經過冶煉提成,才能成為精銅及銅製品。最早的銅礦石來源是孔雀石。
銅礦石銅礦石

礦石的加工

銅礦石的分類及屬性:
煉銅的原料是銅礦石。銅礦石可分為三類:
⑴硫化礦,如黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)和輝銅礦(Cu2S)等。
⑵氧化礦,如赤銅礦(Cu2O)、孔雀石[Cu2(OH)2CO3]、藍銅礦[2CuCO3·Cu(OH)2]、矽孔雀石(CuSiO3·2H2O)等。
⑶自然銅。銅礦石中銅的含量在1%左右(0.5%~3%)的便有開採價值,因為採用浮選法可以把礦石中一部分脈石等雜質除去,而得到含銅量較高(8%~35%)的精礦砂。

礦石的冶煉過程

火法煉銅
通過熔融冶煉和電解精火煉生產出陰極銅,也即電解銅,一般適於高品位的硫化銅礦。火法冶煉一般是先將含銅百分之幾或千分之幾的原礦石,通過選礦提高到20%~30%,作為銅精礦,在密閉鼓風爐、反射爐、電爐或閃速爐進行造鋶熔煉,產出的熔鋶(冰銅)接著送入轉爐進行吹煉成粗銅,再在另一種反射爐內經過氧化精煉脫雜,或鑄成陽極板進行電解,獲得品位高達99.9%的電解銅。該流程簡短、適應性強,銅的回收率可達95%,但因礦石中的硫在造鋶和吹煉兩階段作為二氧化硫廢氣排出,不易回收,易造成污染。90年代出現如白銀法、諾蘭達法等熔池熔煉以及日本的三菱法等、火法冶煉逐漸向連續化、自動化發展。
從銅礦石冶煉銅 :以黃銅礦為例,首先把精礦砂、熔劑(石灰石、砂等)和燃料(焦炭、木炭或無煙煤)混合,投入“密閉”鼓風爐中,在1000℃左右進行熔煉。於是礦石中一部分硫成為SO2(用於制硫酸),大部分的砷、銻等雜質成為As2O3、Sb2O3等揮發性物質而被除去:2CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2↑。一部分鐵的硫化物轉變為氧化物:2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑。Cu2S跟剩餘的FeS等便熔融在一起而形成“冰銅”(主要由Cu2S和FeS互相溶解形成的,它的含銅率在20%~50%之間,含硫率在23%~27%之間),FeO跟SiO2形成熔渣:FeO+SiO2=FeSiO3。熔渣浮在熔融冰銅的上面,容易分離,藉以除去一部分雜質。然後把冰銅移入轉爐中,加入熔劑(石英砂)後鼓入空氣進行吹煉(1100~1300℃)。由於鐵比銅對氧有較大的親和力,而銅比鐵對硫有較大的親和力,因此冰銅中的FeS先轉變為FeO,跟熔劑結合成渣,而後Cu2S才轉變為Cu2O,Cu2O跟Cu2S反應生成粗銅(含銅量約為98.5%)。2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2↑,2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2↑,再把粗銅移入反射爐,加入熔劑(石英砂),通入空氣,使粗銅中的雜質氧化,跟熔劑形成爐渣而除去。在雜質除到一定程度後,再噴入重油,由重油燃燒產生的一氧化碳等還原性氣體使氧化亞銅在高溫下還原為銅。得到的精銅約含銅99.7%。
除了銅精礦之外,廢銅作為精煉銅的主要原料之一,包括舊廢銅和新廢銅,舊廢銅來自舊設備和舊機器,廢棄的樓房和地下管道;新廢銅來自加工廠棄掉的銅屑(銅材的產出比為50%左右),一般廢銅供應較穩定,廢銅可以分為:裸雜銅:品位在90%以上;黃雜銅(電線):含銅物料(舊馬達、電路板);由廢銅和其他類似材料生產出的銅,也稱為再生銅。
濕法煉銅
一船適於低品位的氧化銅,生產出的精銅稱為電積銅。現代濕法冶煉有硫酸化焙燒—浸出—電積,浸出—萃取—電積,細菌浸出等法,適於低品位複雜礦、氧化銅礦、含銅廢礦石的堆浸、槽浸選用或就地浸出。濕法冶煉技術正在逐步推廣,預計本世紀末可達總產量的20%,濕法冶煉的推出使銅的冶煉成本大大降低。

國內現狀

銅冶煉行業是國民經濟中的基礎性行業,特別是我國正處於工業化階段,對銅的需求保持高速增長,銅冶煉行業在國民經濟中的地位將不斷提高。

世界分布

世界銅礦資源比較豐富。銅不難從它的礦石中提取,但可開採的礦藏相對稀少。有些,如在瑞典法倫的銅礦,從13世紀開始,曾是巨大財富的來源。一種提取這種金屬的方法是烘烤硫化礦石,然後用水分離出其形成的硫酸銅。之後流淌過鐵屑表面銅就會沉澱,形成的薄層很容易分離。世界上已探明的銅約為3.5~5.7億噸,其中斑岩銅礦約占全部總量的76%。從地區分布看,全球銅蘊藏量最豐富的地區共有五個:
非洲 :剛果盧伊盧(科盧韋齊)、希圖魯、尚比亞盧安夏和巴利巴、穆富利拉、恩昌加 TLP 、恩卡納(羅卡納)。
亞洲:中國 白銀(金川)/甘肅、山東/陽穀祥光銅業大冶、貴溪、葫蘆島、金昌、上海、天津、雲南、印度 伯爾拉銅(代海伊)、杜蒂戈林、伊朗薩爾 切什梅、日本 別子/愛媛(東予冶煉廠)。小坂(秋田) 直島(香川)、小名濱(福島) 、佐賀關(大分)、玉野(岡山)、哈薩克斯坦巴爾卡什米斯、傑茲卡茲甘冶煉廠、韓國 溫山冶煉廠Ⅰ、溫山冶煉廠Ⅱ、菲律賓伊莎貝爾/萊特(菲律賓熔煉與精煉協會)、烏茲別克斯坦阿爾馬雷克冶煉廠。
歐洲:奧地利布里克斯萊格比利時貝爾瑟;霍博肯、 UM 皮爾多普芬蘭哈爾亞瓦爾塔德國漢堡、黑特施泰、呂嫩Lunen 170 、義大利 波代 馬格拉、波蘭格沃古夫Ⅰ、格沃古夫Ⅱ 、萊格尼察冶煉廠、羅馬尼亞茲拉特納冶煉廠、俄羅斯基洛夫格拉德(卡拉塔)、克拉斯諾烏拉爾斯克冶煉廠、 納傑日金斯基、諾里爾斯克冶煉廠、中烏拉爾斯克冶煉廠、西班牙韋爾瓦、瑞典倫島、英國 沃爾索爾、南斯拉夫博爾。

消費國

單位:千噸
美國
1986.6
1664.2
1276.7
2057.8
日本
1127.1
1243.0
1276.6
1613.2
德國
894.9
847.8
970.1
994.8
1290.0
1320.0
1270.0
880.0
中國
346.0
398.0
470.0
590.0
法國
326.1
419.0
399.0
481.2
義大利
326.0
342.0
420.0
470.7
295.4
277.1
291.8
372.0
韓國
53.2
131.9
259.0
343.2
英國
512.2
355.4
327.7
269.4
十大國消費量
7157.5
6998.4
7810.9
8072.3
全球消費量
9059.9
9033.1
10413.6
10714.0

十大產國

年產量(千噸)
銅礦場銅礦場
國名1977198219871992
智利
1056.5
1242.2
1412.9
1940.0
美國
1346.8
1147.0
1243.6
1760.5
加拿大
780.9
612.4
794.1
764.2
656.2
574.5
463.2
440.0
波蘭
284.8
376.0
438.0
387.0
中國
99.8
175.0
250.0
375.0
俄羅斯
853.0
560.0
630.0
375.0
秘魯
350.1
353.8
417.6
368.1
-
-
-
350.0
220.0
245.3
232.7
326.0
十國小計
5666.1
5286.2
5882.1
7085.8
全球總計
7716.4
7622.3
8306.3
9289.6

銅元素與人體健康

簡介

銅的離子(銅質)對生物而言,不論是動物或植物,是必需的元素。人體缺乏銅會引起貧血毛髮異常,骨和動脈異常,以至腦障礙。但如過剩,會引起肝硬化、腹瀉、嘔吐、運動障礙和知覺神經障礙。一般來說,牛肉、葵花籽、可可、黑椒、羊肝等等都有豐富的銅質。
銅是人體必需的微量礦物質,在攝入後15分鐘即可進入血液中,同時存在於紅血球內外,可幫助鐵質傳遞蛋白,在血紅素形成過程中扮演催化的重要角色。而且在食物烹飪過程中,銅元素不易被破壞掉。
銅廣泛分布於生物組織中,大部分以有機複合物存在,很多是金屬蛋白,以酶的形式起著功能作用。每個含銅蛋白的酶都有它清楚的生理生化作用,生物系統中許多涉及的電子傳遞和氧化還原反應都是由含銅酶催化的,這些酶對生命過程都是至關重要的。
當然,銅作為重金屬,攝入過量也會有危害。銅離子會使蛋白質變性。如硫酸銅對胃腸道有刺激作用,誤服引起噁心、嘔吐、口內有銅性味、胃燒灼感。嚴重者有腹絞痛、嘔血、黑便。可造成嚴重腎損害和溶血,出現黃疸、貧血、肝大、血紅蛋白尿、急性腎功能衰竭和尿毒症。對眼和皮膚有刺激性。長期接觸可發生接觸性皮炎和鼻、眼黏膜刺激並出現胃腸道症狀。

人體的需求量

成年人每天需要銅0.05~2毫克,孕、產婦和青、少年(少年食品)的需要量還要多些。足月生下的嬰兒體內含銅量約為16毫克,按單位體重比成年人要高得多,其中約70%集中在肝中,由此可見,胎兒的肝是含銅量極高的器官。從妊娠開始,胎兒體內的含銅量就急劇增加,約從妊娠的第200天到出生,銅含量約增加4倍。因此,妊娠後期是胎兒吸收銅最多的時期,早產兒易患缺銅症就是這個原因。孕婦體內銅的濃度在妊娠過程中逐漸上升,這可能與胎兒長大體內雌激素水平增加有關。正常情況下,孕婦不需要額外補充銅劑,銅過量可產生致畸作用。
中國營養學會沒有制定每日膳食中銅的需要量,但制定了每日銅的“安全和適宜的攝入量”,半歲前嬰兒每天需0.5~0.7毫克,半歲至1歲每天0.7~1.0毫克,1歲以上每天1.0~1.5毫克,4歲以上每天1.5~2.0毫克,7歲以上每天2.0~2.5毫克,11歲以上至青年、成年,均為每天2.0~3.0毫克。這個攝入量與美國科學研究委員會制定的“估計每日飲食中安全充足的銅攝取量”相當。
銅與人體健康關係密切。人體每天都要攝入各種微量元素,銅是人體不能缺少的金屬元素之一。成年人體內,1千克體重中,銅含量大約為1.4 mg~2.1 mg;血液中銅的含量約為1.0 mg~1.5 mg。這一數量雖小,但它對於維持身體健康和器官的正常運行卻不可缺少。這是因為銅元素在機體運行中具有特殊的作用。銅是機體內蛋白質和酶的重要組成部分,許多重要的酶需要微量銅的參與和活化。例如,銅可以催化血紅蛋白的合成。研究表明,缺銅會導致血漿膽固醇升高,增加動脈粥樣硬化的危險,因而是引發冠狀動脈心臟病的重要因素。科學家還發現,營養性貧血、白癜風、骨質疏鬆症、胃癌及食道癌等疾病的產生也都與人體缺銅有關。嚴重缺銅和長期邊緣性缺銅,還會引發小兒發育不良和一些地方病。

銅的吸收與排泄

吸收
吸收率30%~40%。胃、十二指腸和小腸上部是銅的主要吸收部位,其腸吸收是主動吸收過程。膜內外銅離子的轉運體為ATP酶,依靠天冬氨酸殘基磷酸化供能,能將主動吸收的銅與門靜脈側支循環中的白蛋白結合,運至肝臟進一步參與代謝。
排泄
銅主要通過膽汁排泄,膽汁中含有低分子和高分子量的銅結合化合物,前者多存在肝膽汁中,後者則多在膽囊膽汁中。銅可以通過溶酶體的胞吐作用或ATP酶的銅轉移作用而進入膽汁內,膽汁中的銅也可以是肝細胞溶酶體對存在於膽汁中銅結合蛋白分解的結果。血漿中銅大多與銅藍蛋白結合或存在於腎細胞內,很少濾過腎小球,正常情況下尿液中含銅量甚微。當銅的排泄、存儲和銅藍蛋白合成失衡時會出現銅尿。

在人體的作用

銅是人體健康不可缺少的微量營養素,對於血液、中樞神經和免疫系統,頭髮、皮膚和骨骼組織以及腦子和肝、心等內臟的發育和功能有重要影響。銅主要從日常飲食中攝入。世界衛生組織建議,為了維持健康,成人每公斤體重每天應攝入0.03毫克銅。孕婦和嬰幼兒應加倍。缺銅會引起各種疾病,可以服用含銅補劑和藥丸來加以補充。
銅在人體內含量約100~150mg,血清銅正常值100~120μg/dl,是人體中含量位居第二的必需微量元素。含銅的酶有酪氨酸酶、單胺氧化酶、超氧化酶、超氧化物歧化酶、血銅藍蛋白等。銅對血紅蛋白的形成起活化作用,促進鐵的吸收和利用,在傳遞電子、彈性蛋白的合成、結締組織的代謝、嘌呤代謝、磷脂及神經組織形成方面有重要意義。
銅缺乏可引起如下疾病:
1.貧血
一般最常見的臨床表現為頭暈、乏力、易倦、耳鳴、眼花。皮膚黏膜及指甲等顏色蒼白,體力活動後感覺氣促、心悸。嚴重貧血時,即使在休息時也出現氣短和心悸,在心尖和心底部可聽到柔和的收縮期雜音。
2.骨骼改變。
臨床表現為骨質疏鬆,易發生骨折。
3.銅與冠心病。
4.銅與白癜風病。
5.女性不孕症。
  1. 缺銅會使神經系統的抑制過程失調,使神經系統處於興奮狀態而導致失眠,久而久之可發生神經衰弱。
人體缺銅可適量增加攝入含銅較高的食物,如口蘑、海米、紅茶、花茶、磚茶、榛子、葵花子、芝麻醬、西瓜子、綠茶、核桃、黑胡椒、可可、肝、豆製品等。
銅離子可以消毒殺菌、衛生防疫。例如:可以殺滅易於在水中滋生的大腸桿菌和痢疾等病菌,清除水中傳播血吸蟲病的蛞蝓和螺等軟體動物,以及傳播瘧疾的蚊子幼蟲等疾病攜帶體。它還可以套用在游泳池內,防止綠藻污染和通過地板傳染足癬等等。
銅是人體內一種必需的微量元素,在人體的新陳代謝過程中起著重要的作用。
1 大腦的“益友” 銅與鋅、鐵等一樣都是大腦神經遞質的重要成分。如果攝取不足可致神經系統失調,大腦功能會發生障礙。銅缺乏將使腦細胞中的色素氧化酶減少,活力下降,從而使記憶衰退、思維紊亂、反應遲鈍,甚至步態不穩、運動失常等。要有一副健康靈活的大腦,是離不開銅元素這個益友的。
2 心臟的“衛士” 當人們將心臟病的原因單純歸咎於脂肪、高膽固醇飲食時,美國科學家提醒人們:絕對不可忽視銅元素的缺乏。銅元素在人體內參與多種金屬酶的合成,其中的氧化酶是構成心臟血管的基質膠原和彈性蛋白形成過程中必不可少的物質,而膠原又是將心血管的肌細胞牢固地連線起來的纖維成分,彈性蛋白則具有促使心臟和血管壁保持彈性之功能。因此,銅元素一旦缺乏,此類酶的合成減少,心血管就無法維持正常的形態和功能,從而給冠心病入侵以可乘之機。
3 造血的“助手” 眾所周知,鐵是人體造血的重要原料,但鐵元素要成為紅血球中的一部分,必須依靠銅元素的幫忙。奧妙在於血紅蛋白中的鐵是三價鐵離子,而來源於食物中的乃是二價鐵離子,二價鐵離子要轉化成三價鐵離子,有賴於含銅的活性物質——血漿銅藍蛋白的氧化作用。如果體內缺銅,血漿銅藍蛋白的濃度勢必降低,從而導致鐵難以轉化而誘發貧血症。
4 助孕的“新星” 育齡女性要懷孕也離不開銅。據產科醫生研究,婦女缺銅就難以受孕,即使受孕也會因缺銅而削弱羊膜的厚度和韌性,導致羊膜早破,引起流產或胎兒感染。故女性要想出一個健康聰明的小寶貝,也須藉助銅元素的一臂之力。
5 抗衰老的“能手” 人體的衰老是因為體內的自由基的代謝廢物起著相當大的作用,又是多種老年疾病的禍根。其中的羥自由基,毒性最強,不但會通過脂質過氧化反應損害細胞膜,而且會破壞細胞核的遺傳物質,導致細胞死亡。此外,還可使許多重要酶的活性降低甚至消失。研究表明,含銅的金屬硫蛋白、超氧化物歧化酶等具有較強的清掃此種代謝廢物的功能,保護人體細胞不受其害,可見銅元素在抗衰老中有舉足輕重的地位。
即可收到良好的效果。實驗證明,人體攝入足夠的銅,可在侵入人體的流感病毒表面聚集較多的銅離子,從而為維生素攻擊流感病毒提供有效的“靶子”。維生素C與病毒表面的銅離子發生作用,構成一種可以分離的含有活性氧離子的不穩定化合物,促使含有蛋白質的病毒表面發生破裂,進而置病毒於死地。為此,專家將維生素C與銅元素稱為一對防治流感的最佳“搭檔”。
6 防治白髮的“靈丹” 人的頭髮為何早白?體內缺銅是一個重要原因。缺銅可使人體內的酪氨酸酶的形成困難,導致酪氨酸轉變成多巴的過程受阻。多巴為多巴胺的前體,而多巴胺又是黑色素的中間產物,最終妨礙黑色素的合成,遂引起頭髮變白。欲求黑髮不衰,補足銅元素是有效的一招。
如何補銅呢?增加富含銅元素的食物,如動物肝臟、蝦、豆類、鮮肉、果仁等。
銅是人體不可缺少的微量元素。成人體內一般含銅70~100mg,平均每千克體重含銅1.9~2.1mg。銅存在於人們的所有器官和組織中,通常與蛋白質或其他有機物結合,而不以自由銅離子的形式存在。肝臟是儲存銅的倉庫,含銅量最高。腦和心臟也含有較多的銅。健康人血液中的銅含量1.1~1.5mg/L,它隨著年齡、運動和健康而發生變化。
銅是機體內蛋白質和酶的重要組分,如銅藍蛋白、細胞色素、C氧化酶等。許多關鍵的酶,需要鋼的參與和活化,對機體的代謝過程產生作用,促進人體的許多功能。這就是為什麼這么微量的銅,會對生命產生至關重要作用的主要原因。例如:它有助於提供機體生物化學過程所需的能量;幫助形成血液中的血紅素,影響皮膚色素的形成;促進在骨膠原及彈性蛋白中形成交聯,保持和恢復結締組織;參與葡萄糖和膽固醇的代謝過程;影響頭髮、皮膚、骨骼、大腦的發育,以及心臟、肝臟、中樞神經和免疫系統的功能等。
此外,某些含銅的藥劑有消炎和治療關節炎的作用,並已在一些國家得到套用。長期以來人們得出這樣的經驗,配戴銅具有治療關節炎的作用。這可能是由於汗水溶解的微量鋼經皮膚而被人體吸收的結果。銅在放射科和治療痙攣、癲癇和痛風上的套用也正在研究中。
缺銅有礙人體健康,長時間邊緣性缺銅的影響是潛移默化的。它會引起嬰幼兒發育不良。此外,在我國以及印度、坦尚尼亞、南非等地發現了膝蓋彎曲的“膝外翻症”,這是缺銅的一種典型症狀。分析表明畸形骨骼中的銅含量顯著低於正常值。
值得注意的是,最近的研究發現,缺銅是增加冠心病發病率的一個因素!冠心病是由於血液中過高的冠狀動脈管壁上沉積,造成堵塞(動脈粥樣硬化),從而引起心臟供血不足的一種常見的心臟病。脂肪的代謝過程對銅很敏感。對大鼠的試驗表明,缺銅會顯著升高血漿膽固醇,改變膽固醇與脂蛋白的結合形式,增加動脈粥樣硬化的危險。還發現缺銅會引起大鼠的心臟生理髮生異常,它與人類冠心病的某些病症相似,這就更證實了缺銅與冠心病之間的聯繫。
銅對人體的潛在毒性很輕,只有當攝入量大大超過了正常值時,方會引起胃腸紊亂等不良反應。研究結果表明,當成年男子和女子每天攝入量分別超過12mg和10mg時,會對人體生物化學過程產生輕微的影響。
鑒於銅的潛在毒性較低,相反地它卻是人體健康不可缺少的元素,世界衛生組織的專家組已作出結論,缺銅的危害遠比銅的毒性大得多。除了某些罕見的遺傳外,人們主要防止的是缺銅。要充分保證膳食中有足夠的銅,以滿足身體的需要。對歐美已開發國家膳食結構中含銅量的調查結果,已為防止缺銅敲起了警鐘。實際上,許多人已在服用含銅片劑來補充營養。
哪些人應特別注意對銅的攝入:
①孕婦、嬰兒和兒童
他(她)們需要攝入較多的銅。保持體內鋼的平衡是決定胎兒和嬰兒成長快慢的一個主要因素,應特別關注。
②膳食不正常的人群
貧困地區營養不良的居民,生活難以自理(主要是老年人和殘疾人)或有偏食習慣的人群,他們的膳食結構往往不合理容易由於缺銅而影響健康。
③某些病人
慢性肝炎的患者,定期接受血液透析以及長期依賴輸液代替或補充進食的病人,應對他們的銅攝入量進行監測。此外,某些患有代謝異常的病人也應該注意缺銅的潛在影響。
④嚴重銅代謝異常的遺傳病人

銅的食物來源

在人的血液中,銅是鐵的“助手”。銅的吸收部位主要是胃和小腸上部。銅在腸中被吸收後進人血液中,80%的結合成血漿銅藍蛋白。銅在血紅蛋白形成中的作用,一般認為是促進對腸道鐵(鐵食品)的吸收和從肝及網狀內皮系統的貯藏中使它釋放出來,故銅對於血紅蛋白的形成起著重要作用。
從食品商品化的角度來看,少量的銅對產品質量的影響主要是在食油(油食品)及含不飽和脂肪的食品中,銅離子實際上起著催化劑的作用,造成食品酸敗、變色和其他一些反應。這些影響儘管使產品在外觀上不受人歡迎,但通常並不會引起中毒和降低食品的營養價值。
食物中銅的豐富來源有口蘑、海米、紅茶、花茶、磚茶、榛子、葵花子、芝麻醬、西瓜子、綠茶、核桃、黑胡椒、可可、肝等。
良好來源有蟹肉、蠶豆、蘑菇(鮮)、青豆、小茴香、黑芝麻、大豆製品、松子、龍蝦、綠豆、花生米、黃豆、土豆粉、紫菜、蓮子、芸豆、香菇(香菇食品)、毛豆、麵筋、果丹皮、茴香、豌豆、黃醬、金鐵菜、燕麥片、栗子、堅果、黃豆粉和小麥胚芽。

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