118個元素的故事 【118個元素的故事 No.029 銅】冶煉技術的開端

歡迎來到我的頻道,我是喵教授。 118個元素的故事,帶你走進奇幻的化學世界。 銅是化學元素,化學符號Cu,原子序數29。 純銅是柔軟的金屬,表面剛切開時爲橙紅色帶金屬光澤。 延展性好,導熱性和導電性高。 因此在電纜,電器和電子元件是最常用的材料。 也可以用作建築材料,以及組成衆多合金。 銅合金機械性能優異,電阻率很低。 其中最重要的是青銅和黃銅。 此外,銅也是耐用的金屬,可以多次回收而無損其機械性能。 人類是從什麼時候開始接觸銅的呢? 可能大多數人認爲,人類開始使用銅是在青銅時期。 其實,這段時間遠比這要遠得很多。 青銅時代的萌芽始於公元前4500年的溫茶文明。 人類使用銅的歷史要再往前推進5000年。 歷史上管這個時期叫做紅銅時代。 它是新石器時代與青銅時代的過渡期。 又稱它爲銅石並用時代或金石並用時代。 其實,這麼說更能體現過渡期這個概念。 公元前9000年的中東出現了迄今爲止發現人類最早使用銅的證據, 一枚在伊拉克北部出土的銅製吊墜。 在此之間,人類所使用的跟金屬有關的材料只有金和隕鐵, 那個時候是沒有冶煉技術的。 銅的冶煉被認爲是最早的一種金屬冶煉技術。 它的出現大致是公元前7500年, 伴隨着人類農業基礎的發展。 一具著名的木乃伊冰人奧茨, 他生活在最近3200年左右的時期, 和他一同被發現的還有一柄99.7%的純銅。 通過屍檢發現他的頭髮中, 腎的含量極高, 這表明他長時間接觸或攝取了腎。 科學家們懷疑他在生前是從事銅的冶煉。 通過銅的冶煉, 人們逐漸掌握開發的其他金屬的冶煉。 這裏要爲美洲文明證明, 他們的文明起源可能比我們想象的早。 至少在冶金方面, 在美國的密歇根和威斯康星都發現了 大型舊紅銅時代的文明群。 時間跨度在公元前6000年至3000年間, 青銅時代的到來無疑是人類文明的巨大進步。 自溫查文明後, 蘇美爾和古埃及都先後出現了青銅, 人類對青銅的使用在那個時期達到了高峯, 同是古代就已經知道的金屬之一。 一般認爲人類知道的第一種金屬是金, 其次是銅。 寒銅的礦物比較多, 大多數具有鮮豔而引人注目的顏色, 例如金黃色的黃銅礦, 鮮綠色的孔雀石, 深藍色的石青, 赤銅礦, 灰銅礦等。 而這些礦是在空氣中被燒後形成氧化銅, 再用碳還原就得到了金屬銅。 銅爲人類服務了近萬年, 如此金久不衰的金屬 一切要歸功於它的物理與化學性質。 銅位於元素週期表第十一組, 銅足的還有銀和金, 這些金屬的共同特點是延展性高, 導電性好。 銅是四種天然色澤不是灰色或銀色的金屬元素之一, 另外三種是色金和鵝。 純金的銅單質呈橙紅色, 接觸空氣以後失去光澤而變紅, 銅的這種特殊顏色是由全滿的3D亞層 和半滿的4S亞層之間的電子躍遷, 這兩個亞層之間的能量差正好對應於橙光, 色和金呈黃色, 也是這個原理。 銅不和水反應, 但和空氣中的氧緩慢反應形成一層棕色的氧化銅, 但和鐵暴露在潮溼空氣中形成鐵鏽不同, 銅鏽能保護下面的銅免受進一步腐蝕。 銅製建築物如自由女神像, 東南大學禮堂頂部上常見一層銅綠, 銅接觸硫後因生成各種硫化物而失去光澤。 銅的氧化態有0,正1,正2,正3,正4, 其中正1和正2是常見氧化態, 正3氧化態的有6符合銅酸甲, 正4氧化態的有6符合銅酸色。 氧化態的二氧基酮可通過氣象反應, 再用機制隔離的方法檢測到, 銅容易被乳素、護乳化物、硫、錫腐蝕。 硫化橡膠可以使銅變黑, 銅在室溫下不和4氧化二氮反應, 但在消極甲烷、乙金、乙米和乙酸乙脂存在時, 則生成硝酸銅, 基礎銅易溶於硝酸等氧化性酸, 若無氧化劑或適宜配位劑存在時, 則不容於非氧化性酸。 和濃硫酸的反應產物還和溫度有一定關係, 反應過程中, 硫酸逐漸變稀直到反應停止。 銅不和錫硫酸反應, 但是有氧氣存在時可以反應。 銅的使用已有1萬年的歷史, 但有95%的銅是在1900年後開採演練的, 超過半數的銅是近24年開採的。 像很多自然資源一樣, 銅在地球上的總儲量十分巨大, 在距離地表1公里以內的地殼中約有10的14次方噸, 以現在的速度可以開採500萬年。 不過以現在的技術、水平和物價, 這些儲量中只有一少部分在經濟上有開採價值, 對現有開採儲量的估計從25到60年不等, 這取決於對增長率等核心指標的假設。 現在也有很大一部分的銅來源於回收, 未來銅的供應狀況是個頗有爭議性的話題, 其中涉及類似於哈布特頂點的產量頂點。 我們暫時不用擔心銅不夠用的問題, 但是節約和回收資源還是必須要做的事情。 銅鹽在食品化學和生命科學上可作爲很好的檢測劑, 銅鹽能用於檢測還原糖, 特別是本內迪克特世紀和非靈世紀, 在有糖的存在情況下會變色, 從藍色的二亞銅變爲紅色的氧化亞銅, 氨基酸能與二亞銅形成熬合物, 有很多液象檢測二亞銅離子的方法, 如亞鐵氰化鉀與二亞銅生成綜合沉澱。 銅離子對生物而言, 不論是動物或植物都是必需元素, 人類缺乏銅會產生貧血、毛髮異常、骨骼和動脈異常, 以致腦障礙, 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、螺旋棗、牡蠣等等都有豐富的銅質, 正常人體內含銅100至200毫克, 一個50%至70%存在於肌肉及骨骼, 20%存在於肝臟, 5%至10%分佈於血液。