مس چیست؟ آشنایی با ویژگی های فلز مس، قدیمی ترین فلز جهان
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
بسیاری از افراد، فلز مس را از روی رنگ و ظاهر آن می شناسند. مس به عنوان یکی از پرکاربردترین فلزات مورد استفاده صنعت، قرمر زنگ است و قابلیت رسانایی الکتریکی و حرارتی بالایی دارد. این عنصر در جدول تناوبی با نماد شیمیایی Cu (برگرفته از واژه لاتین cuprum) شناخته می شود. این ماده، عنصری جامد و غیرقابل احتراق است. در این مطلب قرار است به طور کامل در مورد فلز مس، تاریخچه آن، انواع و آلیاژهای آن صحبت کنیم.
فایل صوتی
مس چیست؟ بررسی ویژگی های فلز مس
مس فلزی با نماد شیمیایی Cu و عدد اتمی 29 است. این فلز به طور طبیعی در زمین یافت می شود و یکی از اولین فلزاتی است، که توسط انسان مورد استفاده قرار گرفته است. مس ویژگی های منحصر به فردی دارد که آن را برای طیف گسترده ای از کاربردها مفید می کند.
برخی از مهمترین ویژگی های مس عبارتند از:
- هدایت الکتریکی و گرمایی بالا: مس پس از نقره، دومین رسانای الکتریکی و گرمایی بالا در بین فلزات خالص است. این خاصیت مس را برای استفاده در سیم های برق، کابل ها، لوله های آب گرم و سایر کاربردهایی که نیاز به انتقال efficient الکتریسیته یا گرما دارند، ایده آل می کند.
- چکش خواری و شکل پذیری بالا: مس به راحتی خم می شود و به اشکال مختلف در می آید. این خاصیت مس را برای استفاده در تولید لوله، ورق، فویل و سایر محصولات فلزی مناسب می کند.
- مقاومت در برابر خوردگی: مس در برابر خوردگی توسط هوا و آب مقاوم است. این خاصیت مس را برای استفاده در لوله های آب، سقف ها و سایر کاربردهایی که در معرض عناصر هستند، ایده آل می کند.
- ظاهر زیبا: مس دارای رنگ قرمز-نارنجی زیبایی است که به مرور زمان با اکسید شدن به رنگ سبز یا آبی تبدیل می شود. این خاصیت مس را برای استفاده در جواهرات، ظروف و سایر اشیاء تزئینی جذاب می کند.
- قابلیت بازیافت: مس به طور کامل قابل بازیافت است. این خاصیت مس را به یک ماده پایدار و سازگار با محیط زیست تبدیل می کند.
در ادامه ویژگی های بیشتری را در مورد این فلز پرکاربرد و مفید بررسی می کنیم.
تاریخچه مس، قدیمی ترین فلز جهان
فلز مس یکی از قدیمی ترین عناصر شناخته شده توسط بشر است و قدمت آن، به حدود 10 هزار سال قبل باز می گردد. در مصر باستان، مس به عنوان فلز فرعون و سایر حاکمان شناخته می شد. آنها معتقد بودند که استفاده از مس، موجب جاودانگی پادشاهان خواهد شد.
همچنین رومیان باستان اولین بار فلز مس را از معادن و مخازن آن در قبرس استخراج کردند و مورد استفاده قرار دادند. ایرانیان نیز از هزاران سال پیش از مس و انواع آلیاژهای آن برای ساخت ظروف، ابزار و محصولات تزیینی مختلف استفاده می کردند. نمونه هایی از این محصولات را در مناطقی چون شهر سوخته، سیلک و … کشف کرده‌اند. این ظروف و ابزارآلات به دلیل عمر مس در زیر خاک، اکثرا به شکل سالم یافت شده اند.
به دلیل ویژگی های مثبت این فلز و آلیاژهای آن همچون برنز و برنج، استفاده از آن در قرون وسطی و پس از آن هم ادامه یافت؛ تا جایی که در انقلاب صنعتی، مس نقش موثری در پیشرفت صنایع مختلف ایفا کرد.
نماد شیمیایی و عدد اتمی مس
در جدول تناوبی فلزات، بخشی در میان آن قرار گرفته که با عنوان فلزات واسطه شناخته می شوند. فلز مس با نماد (Cu) که از نام لاتین آن (cuprum) گرفته شده است، در این قسمت جدول دیده می شود. عدد اتمی این عنصر 29 بوده که با از دست دادن الکترون، می تواند یون های مس را با بار 1+ تا 3+ ایجاد کند.
این فلز که با رنگ قرمز معروف خود شناخته می شود، ساختار نسبتا نرمی دارد و از خاصیت شکل پذیری بالایی برخوردار است. نکته دیگری که برای شناسایی مس کاربرد زیادی دارد، رنگ شعله آن است. رنگ شعله فلز مس یا ترکیبات مس دار به رنگ سبز مایل به آبی است. از دیگر خواص فلز مس می توان به رسانایی گرمایی و الکتریکی بالای آن اشاره کرد؛ تا جایی که پس از نقره، بیشترین رسانایی الکتریکی را دارد.
مس پس از نقره، دومین رسانای الکتریکی و گرمایی بالا در بین فلزات خالص است. مس به طور کامل قابل بازیافت است، که آن را به یک ماده پایدار و سازگار با محیط زیست تبدیل می کند. اولین شواهد از استفاده انسان از مس به حدود 10000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد. مس یکی از عناصر ضروری برای بدن انسان بوده و برای عملکرد صحیح بسیاری از آنزیم ها حیاتی است.
یون های مس
مس می تواند دو یون پایدار با آرایش الکترونی زیر تشکیل دهد:
- Cu2+: این یون رایج ترین یون مس است و دارای 9 الکترون در پوسته d خود است. یون Cu2+ به راحتی در آب حل می شود و رنگ آبی به محلول می دهد. این یون در بسیاری از واکنش های بیوشیمیایی، به عنوان کوفاکتور برای آنزیم ها عمل می کند. به عنوان ضد قارچ، ضد باکتری، ضد جلبک، رنگ ها و رنگدانه ها، لوله کشی و تصفیه آب استفاده می شود.
- Cu3+: این یون کمتر رایج است و دارای 8 الکترون در پوسته d خود است. یون Cu3+ به طور کلی در آب پایدار نیست و به سرعت به Cu2+ تبدیل می شود. این یون به عنوان کاتالیزور در برخی از واکنش های شیمیایی استفاده می شود.
عوامل موثر بر پایداری یون های مس:
- pH: پایداری یون های مس به pH محلول بستگی دارد. در pH پایین، یون Cu2+ پایدارتر است، در حالی که در pH بالا، یون Cu(OH)2- (هیدروکسید مس) پایدارتر است.
- لیگاندها: لیگاندها مولکول هایی هستند که می توانند به یون های فلزی متصل شوند. برخی از لیگاندها، مانند یون های سیانید (CN-)، می توانند پایداری یون های مس را افزایش دهند.
- حلالیت: حلالیت یون های مس به نوع حلال و شرایط محیطی بستگی دارد. به عنوان مثال، یون Cu2+ در آب و اسیدها محلول است، اما در الکل ها و بازهای قوی نامحلول است.
مس چه رنگی است؟ مقایسه رنگ مس خالص و شعله آن
مس خالص رنگی قرمز-نارنجی دارد. این رنگ به دلیل ساختار اتمی مس و نحوه جذب و بازتاب نور توسط آن است. در حالت عادی، مس خالص دارای سطحی صاف و براق است که نور را به طور یکنواخت بازتاب می دهد. طول موج های کوتاهتر نور، مانند نور آبی و سبز، توسط اتم های مس جذب می شوند، در حالی که طول موج های بلندتر، مانند نور قرمز و نارنجی، بازتاب می شوند. این امر باعث می شود که مس خالص به نظر قرمز-نارنجی برسد.
هنگامی که مس گرم می شود، الکترون های آن به سطوح انرژی بالاتر می پرند. هنگامی که این الکترون ها به سطوح انرژی پایین تر باز می گردند، انرژی به صورت نور آزاد می شود. طول موج نوری که آزاد می شود به دمای مس بستگی دارد. در دمای پایین، مس نوری با طول موج بلندتر (رنگ قرمز) ساطع می کند. اما با افزایش دما، مس نوری با طول موج کوتاهتر (رنگ سبز و سپس آبی) ساطع می کند.
نکته جالب اینجاست که رنگ مس می تواند با توجه به ناخالصی های موجود در آن کمی متفاوت باشد. به عنوان مثال، مس با ناخالصی های طلا، به رنگ زرد-طلایی به نظر می رسد.
حالات مختلف عنصر مس در طبیعت
فلزات به شکل های مختلفی در طبیعت وجود دارند و به دلیل خاصیت اکسیدشوندگی بالایی که اکثر آن ها دارند، معمولا به صورت خالص یافت نمی شوند. فلز مس نیز در طبیعت معمولا به صورت سنگ های اکسیده، کربناتی یا سولفوره قرار دارد.
این فلز، پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین بوده که بیشتر به صورت پیریت مس یا کالکوپیریت (CuFeS2) در معادن وجود دارد. ایران یکی از بزرگ ترین دارندگان ذخایر مس جهان است. این عنصر به طور طبیعی در کانی های مختلفی مانند کالکوپیریت، مالاکیت و آزوریت یافت می شود. هنگامی که این کانی ها دچار هوازدگی می شوند، مس به درون خاک آزاد می شود.
مس به طور طبیعی در پوسته زمین یافت می شود و در انواع مختلف خاک ها وجود دارد. مقدار عنصر مس در زیر خاک به عوامل مختلفی از جمله نوع سنگ مادر، شرایط آب و هوایی، فعالیت های انسانی و غیره بستگی دارد.
استخراج فلز مس از معدن
برای استخراج مس از کانی های سولفیدی آن، از فرایند تغلیظ استفاده می شود. در این شیوه، کانی های سولفیدی را تا دمای زیاد حرارت می دهند تا بخشی از آن ها به اکسید تبدیل شود. ترکیب اکسید و سولفید مس، موجب آزاد شدن فلز مس خواهد شد. در فرایند تغلیظ مس فلزات و عناصر دیگری نیز به دست می آیند؛ برای مثال، می توان به سیلیکات آهن اشاره کرد که به دلیل وزن سبک، روی مس مذاب قرار می گیرد.
یکی دیگر از موادی که در این روند به وجود می آید، گاز دی اکسید گوگرد است که دارای خاصیت سمی بوده و برای سلامت افراد مضر است.
مضرات گاز دی اکسید گوگرد حاصل از استخراج مس
معمولا یکی از دغدغه های فعالان محیط زیست بابت احداث معادن، آسیب ناشی از دی اکسید گوگرد رها شده در طبیعت است. این گاز بوی نامطبوعی دارد و می تواند به سلامتی افراد آسیب بزند. همچنین اگر غلظت گاز آزاد شده بیشتر شود، موجب خشک شدن گیاهان اطراف معدن تا شعاع چند کیلومتر خواهد شد.
نکته بعد، ایجاد باران های اسیدی ناشی از گاز دی اکسید گوگرد است. این گاز در هوا به SO3 تبدیل می شود. به دلیل میل زیاد این گاز به ترکیب با رطوبت هوا، اسید سولفوریک تولید می شود که در نهایت، موجب بارش باران های اسیدی خواهد شد.
به همین دلیل، برای مهار و خنثی کردن گاز SO2 اقدامات مختلفی صورت می گیرد. از جمله آن ها می توان به استفاده از کربن گداخته برای تبدیل این گاز به گوگرد اشاره کرد.
تصفیه مس
همان طور که گفته شد، در فرایند تغلیظ مس عناصر مختلفی استخراج می شوند. از جمله آن ها می توان به نقره، طلا، آهن، روی، سرب، آرسنیک، گوگرد، اکسید مس و سیلیکات آهن اشاره کرد. با وجود این همه ناخالصی، فلز مس نمی تواند خواص فیزیکی خود را در بالاترین سطح نشان دهد. بنابراین باید مس را خالص کرد.
در این راستا، ابتدا مس مذاب را در جریان هوا قرار می دهند تا آرسنیک و گوگرد آن خارج شود. برای حذف سایر ناخالصی ها، از فرایند تصفیه الکتروشیمیایی استفاده می شود. در این روش، تیغه های مس خالص به عنوان کاتد استفاده می شوند. همچنین مخلوط اسید سولفوریک رقیق، کلرید مس و سولفات مس به عنوان الکترولیت به کار می روند.
لجن آندی و شمش کاتدی
تصفیه مس در فرایند الکتروشیمیایی با استفاده از خاصیت الکتروپوزیتیویته فلزات صورت می گیرد. منظور از الکتروپوزیتیویته، تمایل عنصر فلزی نسبت به از دست دادن الکترون و ایجاد یون با بار مثبت است. هر چه میزان الکتروپوزیتیویته بیشتر باشد، خاصیت فلزی آن بیشتر خواهد بود.
بر همین اساس، فلزاتی همچون آهن، روی و سرب که خاصیت الکتروپوزیتیویته بالاتری دارند، در آند به یون تبدیل می شوند. سایر عناصر همانند نقره و طلا در کف ظرف ته نشین می شوند و «لجن آندی» را ایجاد می کنند. ضمنا منظور از شمش کاتدی، مس خالصی است که بر سطح کاتد شکل می گیرد. خلوص فلز مس ایجاد شده چیزی حدود 99/9 درصد است
آلیاژهای مس
مس به دلیل داشتن خواص منحصر به فرد مانند رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا، چکش خواری و شکل پذیری بالا، مقاومت در برابر خوردگی و ظاهر زیبا، در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود. با این حال، مس خالص برای برخی کاربردها، مانند افزایش استحکام یا تغییر رنگ، مناسب نیست.
در ادامه به طور خلاصه به برخی از آلیاژهای مس و کاربردهای آنها اشاره می‌کنم.
آلیاژ برنج
برنج، آلیاژی از مس و روی (حاوی 60 تا 90 درصد مس و 10 تا 40 درصد روی) است؛ که رایج ترین آلیاژ مس شناخته شده و به دلیل رنگ زرد-طلایی و شکل پذیری بالا محبوب است. این فلز در صنایع لوله کشی (شیرآلات، لوله ها، اتصالات)، سخت افزار (دستگیره درب، قفل، لولا)، جواهرات (دستبند، گردنبند، انگشتر)، ظروف و پوکه گلوله کاربرد دارد.
شکل پذیری بالا، استحکام متوسط، مقاومت در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی و گرمایی بالا از مشخصات مهم این آلیاژ است. برنج می تواند با عناصر دیگری مانند سرب، قلع و آلومینیوم نیز آلیاژ شود تا خواص آن را بیشتر تغییر دهد.
آلیاژ برنز
برنز، آلیاژی از مس و قلع است؛ که به طور کلی 85 تا 95 درصد مس و 5 تا 15 درصد قلع دارد. این آلیاژ به دلیل استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالا شناخته شده است. رنگ طلایی، استحکام بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی و گرمایی از مشخصات اصلی آلیاژ برنز هستند.
این آلیاژ در صنعت مجسمه سازی و تندیس، یراق آلات (دستگیره درب، قفل، لولا)، زنگ ها، بلبرینگ ها و شیرآلات کاربرد زیادی دارد. همچنین برنز از دوران باستان برای ساخت ابزار، سلاح و زره استفاده می شده است.
مس، برنج و برنز هر سه آلیاژ هستند که کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. با این حال، تفاوت‌های اساسی در ترکیب، خواص و کاربردهای آنها وجود دارد. تفاوت مس، برنج و برنز در مواردی مانند ترکیبات، خواص و کاربردها خلاصه می شود.
آلیاژ نیکل نقره
نیکل نقره آلیاژی از مس، نیکل و روی است، ظاهری شبیه به نقره دارد اما ارزان تر است. کاربردهای نیکل نقره در جواهرات، ظروف، لوازم جانبی و آلات موسیقی خلاصه می شود.
سایر آلیاژهای مس که کاربرد چندان متداولی ندارند عبارتند از:
- مس آلومینیوم: کاربرد در مبدل های حرارتی و رادیاتورها، خطوط برق (سیم ها، کابل ها)، قطعات هوافضا
- مس بریلیوم: کاربرد در ابزارهای اندازه گیری، ابزارهای ماشینکاری، فنرهای ساعت و سوپاپ، سلاح گرم
- مس سیلیکون: کاربرد در لوله های آب (لوله کشی، لوله های زهکشی)، شیرآلات (شیرهای توپی، شیرهای پروانه ای)، قطعات دریایی (پره های پروانه، بدنه کشتی)، تجهیزات الکتریکی (ترانسفورماتورها، کلیدهای برق)
- مس سرب: کاربرد در یاتاقان ها، واشرها و عایق بندی
کاربرد مس در صنایع مختلف
مس به دلیل خواص منحصر به فرد خود مانند رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا، چکش خواری و شکل پذیری بالا، مقاومت در برابر خوردگی و ظاهر زیبا، در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردها استفاده می شود. در ادامه به برخی از مهم ترین کاربردهای مس در صنایع مختلف اشاره می کنیم.
| کاربرد در صنعت | مثال |
|---|---|
| صنعت برق و الکترونیک | ساخت سیم و کابل، بردهای مدار چاپی، قطعات الکتریکی |
| صنعت ساختمان | لوله کشی، سقف و نما، دسته ها و یراق آلات |
| صنعت حمل و نقل | خودروسازی، حمل و نقل ریلی و دریایی |
| صنعت تهویه مطبوع | سیستم های تهویه مطبوع و چیلرها |
| صنعت پزشکی | جراحی و دندانپزشکی |
| صنعت کشاورزی | به عنوان سموم قارچ کش و آفت کش |
| صنعت تولید جواهرات | ساخت انواع جواهرات مانند دستبند، گردنبند، انگشتر و… |
آیا فلز مس در ساخت مقاطع فولادی کاربرد دارد؟
خیر، فلز مس به طور مستقیم در ساخت مقاطع فولادی رایج مانند میلگرد، تیرآهن، نبشی و ناودانی کاربرد ندارد. مقاطع فولادی عمدتاً از آهن به عنوان عنصر اصلی و آلیاژهایی مانند کربن، منگنز، سیلیکون، کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم ساخته می شوند. این عناصر خواص مکانیکی فولاد مانند استحکام، سختی، چقرمگی و جوش پذیری را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می‌دهند و به فولاد اجازه می‌دهند تا در طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند ساخت و ساز، حمل و نقل، ماشین آلات و… مورد استفاده قرار گیرد.
در برخی از فرآیندهای ریخته گری فولاد، از قالب های مسی برای شکل دهی به فولاد مذاب استفاده می شود. مس به دلیل هدایت حرارتی بالا، به خنک شدن سریع و یکنواخت فولاد کمک می کند و از ایجاد ترک و نقص در مقاطع فولادی مانند میلگرد فولادی جلوگیری می کند.
همچنین از پوشش های مسی می توان برای محافظت از سطوح فولادی در برابر خوردگی، به خصوص در محیط های مرطوب یا خورنده، استفاده کرد. مس به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، می تواند از زنگ زدن و فرسایش فولاد جلوگیری کند.
در برخی از آلیاژهای فولادی خاص، مانند فولاد ضد زنگ، از مس به عنوان عنصر آلیاژی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و بهبود قابلیت ماشینکاری استفاده می شود.
در مجموع مس یکی از قدیمی ترین فلزاتی است که بشر از آن برای تولید محصولات و ابزارهای مختلف استفاده می کند. این فلز به صورت خالص یا در ترکیب با سایر عناصر استفاده بالایی در صنایع دارد. برنز و برنج نمونه هایی از ترکیبات مس هستند که در جهت بهبود خواص و کارایی مس به کار می روند. امیدواریم با مطالعه این مطلب از دانشنامه اصفهان آهن، اطلاعات مفیدی راجع به مس و کاربردهای آن، همچنین نحوه استخراج و فرآوری این فلز کسب کرده باشید.