تحقیق مقاله آشنایی با فلز مس ،خواص مکانیکی ، شیمیایی و فیزیکی

اطلاعات اولیه

مس (Cu) از فلزات واسطه در جدول تناوبی به حساب می آید. مس در ترکیبات خود ، دارای عدد اکسایش 1+ است. افزون بر این ، اتم مس تحت شرایط مناسبی با از دست دادن الکترونهای خود ، عددهای اکسایش 2+ و 3+ هم بدست آورد. در هر حال ، مس در مهمترین ترکیبهای خود ، عدد اکسایش 2+ دارد.

شیمی مس

مس فلزی است نسبتا نرم و قرمز رنگ. و می توان آنرا به صورت ورق و مفتول در آورد. رسانایی الکتریکی و گرمایی آن زیاد است و از نظر رسانایی الکتریکی ، بعد از نقره قرار دارد. (رسانایی الکتریکی نقره از تمام فلزها بیشتراست). سطح مس در هوای مرطوب از یک لایه کربنات بازی سبز رنگ پوشیده می شود.
لایه کربنات بازی سبز 2Cu+O2+Co2+H2O = Cu(OH)2.CuCo3

اثر اسیدها بر روی مس

محلولهای رقیق «اسید هیدرو کلریک» و «اسید سولفوریک» بر مس که در سری الکتروشیمیایی در زیر هیدروژن قرار دارد ، اثر نمی کنند ، اما مس در «اسید نیتریک» رقیق و غلیظ و همچنین «اسید سولفوریک» غلیظ به واسطه اثر اکسید کنندگی آنها حل می شود. یک نکته جالب توجه این است که مس می تواند از «اسید هیدرو سیانیک» غلیظ ، HCN ، هیدروژن آزاد می کند و احتمالا عامل انجام این واکنش ، تمایل زیاد مس (I) برای تشکیل کمپلکس با یون سیانید است.

آلیاژهای مس

مس به سهولت با پاره ای از فلزهای دیگر ، آلیاژ تشکیل می دهد. مس در ظروف پخت و پز ، وسایل الکتریکی ، ماشین آلات صنعتی و سکه به کار می رود ، آلیاژهای مس عبارتند از:

برنج: مس ، روی ، قلع ، سرب و منگنز.

برنز: مس ، روی ، قلع ، سرب و فسفر

مفرغ: مس و قلع.

نقره آلمانی: مس ، روی و نیکل.

سکه نیکلی: مس و نیکل.

نقره استرلینگ: مس و نقره.

طلا (14 و 18 عیار): مس ، طلا و نقره.

وجود در طبیعت

مس در طبیعت به حالت آزاد و به صورت سولفید ، اکسید و کربنات یافت می شود. کانیهای اصلی آن عبارتند از:

«پیریت مس» یا «کالکو پیریت» CuFeS2 که 50 درصد ذخایر طبیعی مس را تشکیل می دهد.

«کالکوسیت» Cu2S

«کوپریت» Cu2O

«مالاخیت» Cu(OH)3.CuCO3

مس از نظر فراوانی ، لبیت و پنجمین عنصر پوسته زمین است.

استخراج مس

کانیهای سولفید را پس از تغلیظ به روشهای فیزیکی تا دمای زیاد در جریان هوا حرارت می دهند. در این عمل قسمتی از سولفید به اکسید تبدیل می شود:

اکسید مس (I) با سولفید مس(I) ترکیب و فلز مس آزاد می شود:

سولفید آهن موجود در کانی نیز به اکسید تبدیل می شود که بلافاصله با دی اکسید سیلیسیوم که همراه کانی است ، سیلیکات آهن ( ) تشکیل می دهد که سبکتر است و در بالای مس مذاب قرار می گیرد.

مضرات گاز دی اکسید گوگرد حاصل از استخراج مس:

چنانچه دی اکسید گوگرد تولید شده در فضا رها شود (و معمولا چنین است) ، علاوه بر بوی نامطبوعی که دارد ، تنفس آن هم برای سلامت انسان مضر است و چنانچه غلظت آن زیاد باشد ، گیاهان اطراف محل کارخانه را تا شعاع چند کیلومتر خشک می کند. دی اکسید گوگرد همچنین در هوا به کندی به «تری اکسید گوگرد» SO3 تبدیل می شود که به نوبه خود با رطوبت هوا ترکیب شده ، اسید سولفوریک تولید می کند. گاز دی اکسید گوگرد را می توان به کمک کاتالیزگر (از طریق SO3) به اسید سولفوریک تبدیل کرد یا اینکه آن را به وسیله کربن گداخته کاهش داد و به گوگرد تبدیل نمود و به این ترتیب به حفظ محیط زیست ، کمک کرد.

تصفیه مس

مس حاصل از کانی سولفید ، کاملا ناخالص است و ناخالصیهای عمده آن ، نقره ، طلا ، آهن ، روی ، سرب ، ارسنیک ، گوگرد ، اکسید مس (I) و تکه هایی از سیلیکات آهن ( ) است. از آنجا که حتی مقادیر کم این ناخالصیها ، رسانایی الکتریکی مس را به میزان قابل توجهی کم می کند ، لازم است که مس تصفیه شود. برای این منظور فلز مذاب را در جریان هوا حرارت می دهند. «ارسنیک» و «گوگرد» به اکسیدهای گوگرد فرار تبدیل شده ، از فلز مذاب خارج می شوند. ناخالصیهای دیگر را از راه تصفیه الکتروشیمایی جدا می سازند. تیغه های مس خالص به عنوان کاتد به کار برده می شوند و به عنوان الکترولیت هم از مخلوط «اسید سولفوریک» رقیق ، «کلرید مس» و «سولفات مس ( ) استفاده می کنند.

لجن آندی و شمش کاتدی

به وسیله تنظیم دقیق ولتاژ در تصفیه مس ، در سول الکترولیز فقط مس و ناخالصیهای فلزی الکتروپوزیتویته (مثل آهن ، روی و سرب) در آند به یون تبدیل می شوند و ناخالصیهای فلزی (مثل نقره و طلا ) که الکتروپوزیتوی آنها از مس کمتر است ، تغییر نکرده ، با خورده شدن تدریجی آند به ته ظرف الکترولیز سقوط می کنند و «لجن آندی» را تشکیل می دهند. برای جدا کردن فلزهای پرارزش ، این لجن آندی بعدا مورد استفاده قرار می گیرد. تنظیم ولتاژ طوری است که در کاتد ، فقط یون مس ( ) به صورت مس فلزی کاسته شده ، بر روی کاتد خالص می نشیند. درجه خلوص مس حاصل ، از 9/99 درصد بیشتر است که «شمش کاتدی» نامیده می شود.

تاریخچه‌ی کاربرد مس :

تاریخ استفاده از مس حداقل به 10000 سال پیش می‌رسد. در طول دوره‌ی ماقبل تاریخ کالکولیتیک Chalcolithic انسان دریافت که چگونه مس را استخراج کند و از آن تزئینات و ابزارآلات بسازد (www.icsg.org). ابزارآلات مسی کشف‌شده قدمتی در حدود 5000 سال پیش از میلاد مسیح را نشان می‌دهند (www.usgs.gov). مشاهدات باستان‌شناسی نشان‌می‌دهد که قدمت استفاده از مس به‌عنوان وسیله‌ای زینتی در غرب آسیا مربوط به ده هزار سال قبل می‌باشد. آویزه‌ی مسی متعلق به سال 8700 قبل از میلاد یکی از قدیمی‌ترین موارد مصرف مس در زیورآلات است که در شمال عراق کنونی پیدا شده است (minerals.er.usgs.gov). در یکی از اهرام مصر یک سیستم لوله‌کشی با مس پیدا شده که مربوط به5000 سال پیش است. مرد یخی Oetzi، که در اروپا به دقت نگهداری می‌شود و متعلق به3200 سال قبل از میلاد است، تبری با نوک مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن 7/99% می‌باشد. مس به خاطر زیبایی درخشانش در باستان برای ساخت آئینه استفاده می‌شده است (www.icsg.org).

از مهم‌ترین حوادث تاریخی تعیین‌کننده در مسیر تکامل دانش بشر در زمینه‌ی استفاده از مس، کشف چگونگی تولید آلیاژ برنز می‌باشد.اکتشافات باستان‌شناسی نشان می‌دهد که در ایران از هزاره‌ی پنجم پیش از میلاد، استفاده از مس رونق داشته است. اشیای مفرغی به دست آمده از هزاره‌های بعد، گویای پیشرفت استفاده از مس می‌باشد.
وجود مس به صورت طبیعی و ویژگی مطلوب سهولت شکل‌پذیری یا چکش‌خواری این فلز با ابزار ابتدائی که امکان ساخت ابزار صنعتی، زیور‌آلات، لوله و مخازن آب، سکه، شمشیر، مجسمه و مانند آن را در دوران باستان فراهم می‌نمود، این فلز را به صورت مهم‌ترین ماده در توسعه‌ی تمدن بشر درآورد. مدارک موجود نشان می‌دهد، تا اواخر سال‌های 1800 میلادی کاربرد مس به‌طور نسبی محدود بوده است. با اختراع داینامو، تلگراف، تلفن، برق و خطوط انتقال نیرو در اواخر قرن نوزدهم، سیم به یک محصول نهایی بسیار با اهمیت تبدیل شد و فلز مس به عنوان یک هادی صنعتی مهم از توجه بسیار برخوردار شد (www.icsg.org).اکتشافات و اختراعات مرتبط با برق و مغناطیس در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم که توسط دانشمندانی چون آمپر، فارادی و اهم صورت گرفت، و محصولات ساخته شده از مس به آغاز انقلاب صنعتی و سوق‌دادن مس به عصری جدید کمک کرد (www.icsg.org).
از اواخر قرن نوزدهم در اثر ارتباطی که فلز مس با الکتریسته پیدا نمود، هم کاربرد این فلز از تنوع بسیار برخوردار گردید و هم به‌دلیل ارتباط مصرف الکتریسته با سطح زندگی مقدار مصرف مس به یکی از شاخص‌های تعیین سطح زندگی در جوامع مختلف جهان مبدل شد. اگرچه در قرن اخیر مس، به عنوان دومین فلز پرمصرف، پس از فولاد، مکان خود را به فلز آلومینیم واگذار نموده و به سومین فلز تنزل یافته است، با این وجود مس و آلیاژهای آن در بسیاری از کاربردهایی که طی دورانی طولانی، شاخص آن‌ها است، کماکان بی‌رقیب مانده است. به‌طور کلی در مواردی که خواص انتقال الکتریکی و حرارتی زیاد با طول عمر و مقاومت قابل توجه نسبت به فرسودگی مورد نیاز است، مس و آلیاژهای آن کاربرد دارند. این کاربردها مرهون حداقل چهار ویژگی فیزیکی شیمیایی برتر مس است که به تنهایی و یا به صورت مجموع در انتخاب این فلز نقش دارد. مس در میان فلزاتی که کاربردهای وسیع صنعتی دارند، هادی‌ترین فلز هم از نظر هدایت الکتریکی و هم انتقال حرارتی است و نزدیک‌ترین فلز هادی به مس، آلومینیم است که از نظر الکتریکی کمی بیش از نصف و از نظر حرارتی نصف مس، خاصیت هادی بودن را دارد.
ثبات شیمیایی مس و تشکیل سریع غشاء نازکی از اکسید بر سطح آن، چنان مقاومتی نسبت به زنگ‌زدگی و آلودگی‌های بیولوژیک در آن ایجاد می‌کند که از نظر کار در آب و بخصوص آب شور دریا، هیچ فلز یا آلیاژ دیگری نمی‌تواند با آن رقابت کند. سهولت کاربرد، یکی دیگر از ویژگی‌های مهم مس و آلیاژهای آن است. مس و آلیاژهای آن در صورت‌های مناسب به خوبی کشیده شده و به ورق تبدیل می‌شوند. مس ضمن آنکه از خاصیت نرمی و شکل‌پذیری خوبی برخوردار است، قابل آلیاژ شدن با درجات مختلف سختی می‌باشد. ویژگی‌های مذکور آنچنان دامنه وسیعی از کاربرد برای مس و آلیاژهای آن ایجاد کرده است که در کلیه‌ی ماشین‌آلات و تجهیزات صنعتی و خانگی، وسایل حمل و نقل، صنایع نظامی به نوعی حضور یافته و مقدار مصرف آن طی کمتر از یک قرن در حدود 20 برابر افزایش یافته است (فرشچی منفرد، 1374).

بیش از 70% مس تولیدشده‌ی جهان در صنعت الکتریسیته و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این مس در کشاورزی و زیست‌شناسی کاربرد فراوانی دارد. مس یکی از تشکیل‌دهنده‌های همه‌ی بافت‌های زیستی است که برای رشد عادی و مناسب گیاهان و جانوران نیاز است. نبود آن مضر بوده و مقدار کم آن برای سلامتی انسان لازم است که این مقدار از طریق آب و غذا جذب بدن می‌شود.مس و ترکیبات آن مانند فلزات دیگر (جیوه و سرب) خطرناک نبوده و تاکنون هیچ نوع بیماری در اثر مس از انسان‌هایی که سالیان دراز با مس و ترکیبات آن کار می‌کنند، گزارش نشده است. در عوض گاهی گفته می‌شود که بعضی از مردم سالم‌تر شده و در برابر سرماخوردگی و دیگر بیماری‌ها مقاومت پیداکرده‌اند. تاریخ استفاده از ترکیبات مس به 4000 سال قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد، جایی که در آن مصریان از سولفات مس به عنوان نگهدارنده، در فرآیند رنگ‌سازی استفاده می‌کردند. امروزه بعد از گذشت 6000 سال سولفات مس هنوز هم در صنعت رنگ کاربرد دارد. کاربرد دیگر ترکیبات مس در قدیم برای ساختن پمادهای دارویی بوده است. 400 سال قبل از میلاد، یونانیان سولفات مس را در درمان بیماری‌های ریوی تجویز می‌کردند. در قرن 18 این ماده کاربرد وسیعی در پزشکی، برای مداوای نارسایی‌های ذهنی و ریوی، نزد پزشکان دنیای غرب پیدا کرد. جالب اینجاست که سولفات مس هیچکدام از اثرات خود را در طی قرن‌ها از دست نداده و هیچ نوع ضرری از آن گزارش نشده است. این ترکیب در حال حاضر نیز در قبایل بدوی آفریقا برای درمان بیماری‌های پوستی استفاده می‌شود. کاربرد دیگر مس به‌عنوان عامل ضد انگل‌های زیستی مانند قارچ و حشرات است. از سال 1838 سولفات مس برای حفظ الوارهای چوب استفاده می‌شد و هم اکنون نیز جزء مواد اصلی نگهدارنده‌های چوب است.80 سال پیش مشخص شد که بسیاری از جلبک‌ها در برابر مس بسیار حساسند، بنابراین نمک‌های مس توسط مهندسین آب برای جلوگیری از گسترش جلبک‌ها در ذخیره‌های آبی مورد استفاده قرار گرفت. کمتر از ppm 2 مس در آب می‌تواند بیماری‌هایی که توسط کرم‌های آبزی (مانند کرم شیستوزوما در کشورهای استوایی) منتقل می‌شود را کنترل کند (www.icsg.org).

برخی دیگر از کاربردهای مس عبارتند از:

1. سیم‌های مسی.

2. لوله‌های مسی.

3. دستگیره‌های درب و سایر وسایل منزل.

4. مجسمه‌سازی، مثلاً مجسمه آزادی در ایلات متحده شامل 81194.4 کیلوگرم مس می‌باشد.

5. آهنرباهای الکتریکی.

6. موتورها، بخصوص موتورهای الکترومغناطیسی.

7. موتور بخار وات.

8. کلیدها و تقویت‌کننده‌های الکتریکی.

9. لامپ‌های خلاء، لامپ‌های پرتوی کاتدی ومگنترون‌های اجاق‌های مایکرو‌ویو.

10. هدایت‌کننده‌ی موج برای تشعشع مایکروویو.

11. به علت خاصیت هدایت بهتر آن نسبت به آلومینیم، کاربرد مس در ICها به جای آلومینیم روبه افزایش است.

12. به‌عنوان جزئی از سکه‌ها.

13. در ساخت ظروف و وسایل آشپزی، از جمله ماهی‌تابه.

14. بیشتر سرویس‌های قاشق چنگال (flatware) قاشق‌ها،چنگال‌ها و چاقوهای نقره نیکلی دارای مقادیری مس هستند.

15. اگر نقره‌ی استرلینگ در ظروف غذاخوری بکار رفته باشد، حتماً باید دارای درصد کمی مس باشد.

16. به‌عنوان بخشی از لعاب سرامیکی و در رنگ‌آمیزی شیشه.

17. مالاکیت کربنات مس سبزرنگی است که به‌وسیله آن ظاهر منحصر به فرد بام‌ها یا گنبدهای با پوشش مس روی بعضی ساختمان‌ها ساخته می‌شود.

18. وسایل موسیقی، به‌خصوص سازهای بادی و سازهای سیمی.

19. به‌عنوان یک بیواستاتیک در بیمارستان‌ها و پوشاندن قسمت‌های مختلف کشتی برای حفاظت در برابر بارناکل‌ها و ماسل‌ها.