با فلز مس، قدیمی ‌ترین فلز مورد استفاده انسان آشنا شوید

خیلی از افراد فلز مس را از رنگ و ظاهر آن می‌شناسند. فلز مس عنوان یکی از پُرکاربردترین فلزات در صنعت، نسبتا قرمر زنگ است و قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارد. مس نام یک عنصر جدول تناوبی با نماد شیمیایی Cu (برگرفته از واژهٔ لاتین cuprum) است. این ماده عنصری جامد، غیرقابل احتراق بوده و به‌ صورت خالص در طبیعت وجود دارد. در این مطلب قرار است به طور کامل در مورد فلز مس، تاریخچه آن، انواع و آلیاژهای آن صحبت کنیم.

برای آشنایی با سایر فلزات به بخش آشنایی با فلزات دانشنامه اصفهان آهن مراجعه نمایید.

تاریخچه مس

مس علاوه بر این‌که در سنگ‌های معدنی گوناگون وجود دارد، به حالت فلزی نیز یافت می‌شود. فلز مس به‌صورت سنگ‌های اکسیدِ، سنگ‌های سولفورِ و مس طبیعی در طبیعت قرار دارد.  مس یکی از عناصر رایج در طبیعت است که بر اثر پدیده‌های طبیعی در محیط زیست به مقدار فراوان یافت می‌شود. ترکیبات مس به رنگ سبز – آبی بوده و دارای دو ایزوتوپ است.

تاریخچه مس

مس قدیمی‌ترین فلز مورد استفاده انسان است که بیش از 10،000 است که قدمت دارد. مصریان باستان از مس برای نماد حکمرانی خود استفاده می‌کردند و این فلز برای آن‌ها نشانه زندگی ابدی بود. محورهای مسی توسط ریخته گری در بالکان در هزاره چهارم پیش از میلاد ساخته شده است.

رومیان باستان هم اولین بار سنگ‌های مس را در قبرس استخراج کردند. توانایی مقاومت در برابر خوردگی این اطمینان را ایجاد کرد که مس، برنز و برنج در طول قرون وسطی و قرن‌های بعد از انقلاب صنعتی تا امروز به‌عنوان فلزی کاربردی و تزئینی کاربرد داشته است.

فرمول شیمایی مس

فرمول شیمایی مس

مس (Cu) از فلزات واسطه در جدول تناوبی به‌حساب می‌آید و در ترکیبات خود، دارای عدد اکسایش ۱+ است. افزون بر این، اتم این عنصر تحت شرایط مناسبی با از دست دادن الکترون‌های خود، عددهای اکسایش ۲+ و ۳+ هم به دست می‌آورد.

از آنجایی که مس فلزی نسبتاً نرم و قرمز رنگ است، می‌توان آن را به‌صورت ورق و مفتول در آورد که همین امر باعث طیف گسترده کاربردهای آن شده است. رسانایی الکتریکی و گرمایی بالایی دارد تا جایی که از نظر رسانایی الکتریکی، بعد از نقره قرار دارد.

سطح مس در هوای مرطوب اکسید شده و از یک لایه کربنات بازی سبز رنگ  با ترکیب شیمیایی ۲Cu+O2+Co2+H2O = Cu(OH)2.CuCo3 پوشیده می‌شود.

حالات مختلف عنصر مس در طبیعت

مس از نظر فراوانی پنجمین عنصر پیوسته زمین است و در طبیعت به حالت آزاد و به‌صورت سولفید، اکسید و کربنات یافت می‌شود. کانی‌های اصلی این عنصر عبارت‌اند از:

  • «پیریت مس» یا «کالکو پیریت» CuFeS2 (که ۵۰ درصد ذخایر طبیعی مس را تشکیل می‌دهد.)
  • «کالکوسیت» Cu2S
  • «کوپریت» Cu2O
  • «مالاخیت» Cu(OH)3.CuCO3

استخراج مس از معدن

معدن مس

کانی‌های سولفید را پس از تغلیظ (سفت شدن)، در جریان هوا به روش‌های فیزیکی تا دمای زیاد، حرارت می‌دهند. در این فرآیند، قسمتی از سولفید به اکسید تبدیل می‌شود. پس از آن، به دلیل ترکیب اکسید مس با سولفید مس، فلز مس آزاد می‌شود. سولفید آهن موجود در کانی نیز به اکسید تبدیل شده و به دلیل ترکیبش با دی اکسید سیلیسیوم، سیلیکات آهن تشکیل داده که سبک‌تر است و در بالای مس مذاب قرار می‌گیرد.

مضرات گاز دی اکسید گوگرد حاصل از استخراج مس

اگر دی اکسید گوگرد تولید شده در فضا رها شود (و معمولاً چنین است)، علاوه بر بوی نامطبوعی که دارد، تنفس آن هم برای سلامت انسان مضر است. علاوه بر این، در صورتی که غلظت آن زیاد باشد، گیاهان اطراف محل کارخانه را تا شعاع چند کیلومتر خشک می‌کند.

در هوا، دی اکسید گوگرد به صورت آهسته، به SO3 «تری اکسید گوگرد» تبدیل می‌شود و با رطوبت هوا ترکیب می‌شود و باعث تولید اسید سولفیک می‌شود. گاز دی اکسید گوگرد را می‌توان به کمک کاتالیزگر (از طریق SO3) به اسید سولفوریک تبدیل کرد یا اینکه آن را به‌وسیله کربن گداخته کاهش داد و به گوگرد تبدیل نمود. با این کار می‌توان به حفظ محیط زیست کمک کرد.

تصفیه مس

مس حاصل از کانی سولفید، کاملاً ناخالص است. این ناخالصی‌ها شامل نقره، طلا، آهن، روی، سرب، آرسنیک، گوگرد، اکسید مس و تکه‌هایی از سیلیکات آهن است. از آنجا که حتی مقادیر کم این ناخالصی‌ها، رسانایی الکتریکی مس را به میزان قابل توجهی کم می‌کند، لازم است که مس تصفیه شود.

برای خالص کردن مس، فلز مذاب را در جریان هوا حرارت می‌دهند. «آرسنیک» و «گوگرد» به اکسیدهای گوگرد فرار تبدیل شده و از فلز مذاب خارج می‌شوند. ناخالصی‌های دیگر را از راه تصفیه الکتروشیمیایی جدا می‌شوند. تیغه‌های مس خالص به‌عنوان کاتد به کار برده می‌شوند و به‌عنوان الکترولیت هم از مخلوط «اسید سولفوریک» رقیق، «کلرید مس» و «سولفات مس استفاده می‌کنند.

لجن آندی و شمش کاتدی

به‌وسیله تنظیم دقیق ولتاژ در تصفیه مس، در طول الکترولیز فقط مس و ناخالصی‌های فلزی الکتروپوزیتویته (مثل آهن، روی و سرب) در آند به یون تبدیل می‌شوند 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 می‌کنند و «لجن آندی» را تشکیل می‌دهند.

برای جدا کردن فلزهای پرارزش، این لجن آندی بعداً مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنظیم ولتاژ طوری است که در کاتد، فقط یون مس به‌صورت مس فلزی کاسته شده، بر روی کاتد خالص می‌نشیند. درجه خلوص مس حاصل، از ۹/۹۹ درصد بیشتر است که «شمش کاتدی» نامیده می‌شود.

انواع مس و آلیاژ های مختلف آن

۱-مس خالص: که حاوی ۹۹.۳% و یا درصد بیشتری از عنصر مس هست (کارخانه مس سرچشمه ایران توانایی تولید این فلز تا درصد خلوص 99.9 درصد را دارد).

۲-آلیاژهایی با درصد مس بالا: دارای درصد مس بین ۹۶% تا ۹۹.۳% می‌باشند و برای دستیابی به خواص ویژه ممکن است نقره نیز افزوده شود.

۳-فلز برنج‌ : از ترکیب روی و مس به وجود آمده که ممکن است در ترکیبات خود به‌عنوان عنصر آلیاژی، عناصر دیگری مانند آهن، آلومینیوم، نیکل و سیلیسیوم برای بهبود خواص آلیاژ، افزوده شوند. به طور کلی فلز برنج‌ دارای مقاومت به خوردگی و استحکام کششی بالایی است.

افزودنی‌های فلز برنج

افزودن سرب به ترکیبات فلز برنج می‌تواند سبب بهبود خواص ماشین کاری شده، همچنین موجب سایش کمتر ابزار شود. افزودن آلومینیوم، آهن و منگنز به برنج سبب افزایش استحکام، افزودن سیلیسیوم سبب بهبود مقاومت به سایش می‌شود.

طبقه بندی انواع برنج‌

برنج آلفا، با درصد روی کمتر از ۳۷%. این آلیاژها داکتیل بوده و می‌توانند کار سرد شوند. برنج آلفا – بتا یا دوتایی دارای ۳۷-۴۵% روی هستند. این آلیاژها دارای داکتیلیته محدودتری هستند و سخت‌تر و مستحکم‌تر می‌باشند.

پر کاربرد ترین آلیاژهای برنج عبارت اند از:

  • آلیاژهای CU-Zn (برنج ساده)
  • آلیاژهای CU-Zn-Pb (برنج‌های سرب دار)
  • آلیاژهای Cu-Zn-Sn (برنج‌های قلع)

برنز چیست و چه آلیاژ هایی دارد؟

مس و برنز
نمونه مجسمه ساخته شده از برنز مربوط به زمان هخامنشیان که در سال 2013 به ایران بازگردانده شد

فلز برنز آلیاژی است که از ترکیب مس و قلع بدست می‌آید و برخلاف برنج که رنگی زرد و درخشان دارد، دارای رنگی قهوه ای کمی مایل به قرمز است. به خاطر قیمت بالاتر قلع به نسبت روی فلز، برنز از دیرباز گران‌قیمت‌تر از برنج بوده است و در مصارف تزیینی مانند مدال‌های‌های المپیک، دستگیره درب‌ها، مجسمه ها و … بیشترین کاربرد را دارد.

البته بد نیست بدانید که به ترکیب برخی آلیاژهای دیگر با مس نیز اصطلاحا «برنز» گفته می‌شود و برنز محدود به ترکیب مس و قلع است!

آلیاژهای زیر پر مصرف‌ترین آلیاژ های برنز هستند:

  • آلیاژهای Cu-Sn-P (برنزهای فسفر)
  • آلیاژهای CU-Sn-Pb-P (برنزهای فسفر سرب دار)
  • آلیاژهای Cu-Al (برنزهای آلومینیوم)
  • آلیاژهای CU-Si (برنزهای سیلیسیوم)

سایر گروه‌های آلیاژی

  • آلیاژهای CU-Ni: همان‌طور که از نام این آلیاژ مشخص است عنصر آلیاژی اصلی نیکل است. این گروه می‌توانند شامل عناصر آلیاژی دیگر و یا فقط نیکل، به‌تنهایی باشند.
  • آلیاژهای CU-Ni-Zn: این آلیاژها به علت رنگ آلیاژ به‌عنوان نقره‌های نیکل معروف هستند. این گروه حاوی روی و نیکل به‌عنوان عناصر آلیاژی اصلی بوده و حتی ممکن است سایر عناصر آلیاژی نیز به آن افزوده شود.
  • مس‌های سرب دار: مس‌های سرب دار آلیاژهای مس ریختگی هستند که دارای ۲۰% و یا حتی بیشتر افزودنی سرب می‌باشند. همچنین آن‌ها حاوی مقادیر کمی نقره هستند، اما عناصر قلع و یا روی در آن‌ها وجود ندارد.
  •  آلیاژهای خاص: وقتی آلیاژهایی که دارای ترکیبات شیمیایی هستند، در هیچ یک از گروه‌های گفته شده قرار نمی‌گیرد، تحت عنوان آلیاژهای خاص نام‌گذاری می‌شوند.
  • مس‌های اتومات: این خواص با افزودن گوگرد و تلوریم (Tellurium) به مس به دست می‌آید.
  • فلز مس بازیافتی: آلیاژهای مس برای بازیافت بسیار مناسب هستند. حدود ۴۰% مصرف سالیانه آلیاژهای این فلز از مواد مسی بازیافت شده تأمین می‌شود.

اثر اسیدها بر روی مس

اثر اسیدها بر روی مس

محلول‌های رقیق «اسید هیدروکلریک» و «اسید سولفوریک» بر مس که در سری الکتروشیمیایی در زیر هیدروژن قرار دارد، اثر نمی‌کنند، اما مس در «اسید نیتریک» رقیق و غلیظ و همچنین «اسید سولفوریک» غلیظ به‌واسطه اثر اکسید کنندگی آن‌ها حل می‌شود.

یک نکته جالب توجه این است که مس می‌تواند از «اسید هیدرو سیانیک» غلیظ، HCN، هیدروژن آزاد کند و احتمالاً عامل انجام این واکنش، تمایل زیاد مس برای تشکیل کمپلکس با یون سیانید است.

برخی از کاربردهای مس و آلیاژهای آن:

  • سیم‌های مسی
  • لوله‌های مسی
  • دستگیره‌های درب و سایر وسایل منزل
  • مجسمه‌سازی (مثلاً مجسمه آزادی در ایلات متحده شامل ۸۱۱۹۴٫۴ کیلوگرم مس است.)
  • آهنرباهای الکتریکی
  • موتورها (بخصوص موتورهای الکترومغناطیسی)
  • کلیدها و تقویت‌کننده‌های الکتریکی
  • لامپ‌های خلأ، لامپ‌های پرتوی کاتدی ومگنترون‌های اجاق‌های مایکروویو
  • هدایت‌کنندهٔ موج برای تشعشع مایکروویو
  • به علت خاصیت هدایت بهتر آن نسبت به آلومینیم، کاربرد مس در IC ها به‌جای آلومینیم روبه افزایش است
  • در ساخت ظروف و وسایل آشپزی، از جمله ماهی‌تابه
  • بیشتر سرویس‌های قاشق چنگال (flatware) (قاشق‌ها، چنگال‌ها و چاقوهای نقره نیکلی دارای مقادیری مس هستند.)
  • اگر نقرهٔ استرلینگ در ظروف غذاخوری بکار رفته باشد، حتماً باید دارای درصد کمی مس باشد.
  • به‌عنوان بخشی از لعاب سرامیکی و در رنگ‌آمیزی شیشه
  • مالاکیت کربنات مس سبزرنگی است که به‌وسیله آن ظاهر منحصر به فرد بام‌ها یا گنبدهای با پوشش مس روی بعضی ساختمان‌ها ساخته می‌شود.
  • وسایل موسیقی، به‌خصوص سازهای بادی و سازهای سیمی
  • در بیمارستان‌ها
  • پوشاندن قسمت‌های مختلف کشتی برای حفاظت در برابر بارناکل‌ها وماسل‌ها
  • سولفات مس به‌عنوان سم کشاورزی و تصفیه‌کنندهٔ آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • ترکیبات مس نظیر محلول فلینگ به‌طور گسترده‌ای در تجزیهٔ شیمیایی و آزمایش کردن شکر به کار می‌روند.

مصارف برقی مس

مصارف برقی مس

صنعت برق یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان مس است، زیرا مس بهترین فلز ارزان برای انتقال برق است. همچنین مس در مقایسه با سایر انتقال‌دهنده‌ها از استاندارد خاصی برخوردار است. علاوه بر این، قدرت استثنایی مس، انعطاف پذیری‌اش و مقاومتش در برابر وادادگی و خوردگی، آن را به ایمن‌ترین انتقال‌دهنده برای ساخت سیم تبدیل کرده است.

مس همچنین در کابل‌های برق، به‌صورت عایق‌بندی شده یا نشده برای کاربردهای ولتاژ پایین، متوسط یا بالا قرار می‌گیرد. ICSG به عنوان گروه بین المللی مطالعات مس، با مشارکت استانداردهای ICA، IIEC و CFC1 در حال حاضر از پروژه‌ای برای افزایش استفاده از محصولات تشدیدکنندهٔ مسی و کارآمد از نظر انرژی در چین و هند حمایت می‌کنند.

معرفی و ارتقاء چنین فن‌آوری‌هایی به بهبود بازدهی انرژی، کاهش اثرات مخرب گازهای گلخانه‌ای و افزایش استاندارهای زندگی در نواحی روستایی منجر خواهد شد. مس بخش اصلی موتورها و تبدیل‌کننده‌های کارآمد است.

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Play All Replay Playlist Replay Track Shuffle Playlist Hide picture