مس
اطلاعات اولیه
مس (Cu) از فلزات واسطه در جدول تناوبی به حساب می آید. مس در ترکیبات خود ، دارای عدد اکسایش ۱+ است. افزون بر این ، اتم مس تحت شرایط مناسبی با از دست دادن الکترونهای خود ، عددهای اکسایش ۲+ و ۳+ هم بدست آورد. در هر حال ، مس در مهمترین ترکیبهای خود ، عدد اکسایش ۲+ 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 ۲Cu+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 (۱۴ و ۱۸ 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 ۵۰ 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 ۹/۹۹ درصد بیشتر است که «شمش کاتدی» نامیده می شود.
تاريخچه‌ي كاربرد مس :
تاريخ استفاده از مس حداقل به ۱۰۰۰۰ سال پيش مي‌رسد. در طول دوره‌ي ماقبل تاريخ كالكوليتيك Chalcolithic انسان دريافت كه چگونه مس را استخراج كند و از آن تزئينات و ابزارآلات بسازد. ابزارآلات مسي كشف‌شده قدمتي در حدود ۵۰۰۰ سال پيش از ميلاد مسيح را نشان مي‌دهند. مشاهدات باستان‌شناسي نشان‌مي‌دهد كه قدمت استفاده از مس به‌عنوان وسيله‌اي زينتي در غرب آسيا مربوط به ده هزار سال قبل مي‌باشد. آويزه‌ي مسي متعلق به سال ۸۷۰۰ قبل از ميلاد يكي از قديمي‌ترين موارد مصرف مس در زيورآلات است كه در شمال عراق کنوني پيدا شده است.
در يکي از اهرام مصر يک سيستم لوله‌کشي با مس پيدا شده که مربوط به۵۰۰۰ سال پيش است. مرد يخي Oetzi، که در اروپا به دقت نگهداري مي‌شود و متعلق به۳۲۰۰ سال قبل از ميلاد است، تبري با نوک مسي در دست دارد که درجه خلوص فلز آن ۷/۹۹% مي‌باشد. مس به خاطر زيبايي درخشانش در باستان براي ساخت آئينه استفاده مي‌شده است.
از مهم‌ترين حوادث تاريخي تعيين‌كننده در مسير تكامل دانش بشر در زمينه‌ي استفاده از مس، كشف چگونگي توليد آلياژ برنز مي‌باشد.اكتشافات باستان‌شناسي نشان مي‌دهد كه در ايران از هزاره‌ي پنجم پيش از ميلاد، استفاده از مس رونق داشته است. اشياي مفرغي به دست آمده از هزاره‌هاي بعد، گوياي پيشرفت استفاده از مس مي‌باشد.
وجود مس به صورت طبيعي و ويژگي مطلوب سهولت شكل‌پذيري يا چكش‌خواري اين فلز با ابزار ابتدائي كه امكان ساخت ابزار صنعتي، زيورآلات، لوله و مخازن آب، سكه، شمشير، مجسمه و مانند آن را در دوران باستان فراهم مي‌نمود، اين فلز را به صورت مهم‌ترين ماده در توسعه‌ي تمدن بشر درآورد. مدارك موجود نشان مي‌دهد، تا اواخر سال‌هاي ۱۸۰۰ ميلادي كاربرد مس به‌طور نسبي محدود بوده است. با اختراع داينامو، تلگراف، تلفن، برق و خطوط انتقال نيرو در اواخر قرن نوزدهم، سيم به يك محصول نهايي بسيار با اهميت تبديل شد و فلز مس به عنوان يك هادي صنعتي مهم از توجه بسيار برخوردار شد.
اكتشافات و اختراعات مرتبط با برق و مغناطيس در اواخر قرن هجدهم و اوايل قرن نوزدهم كه توسط دانشمنداني چون آمپر، فارادي و اهم صورت گرفت، و محصولات ساخته شده از مس به آغاز انقلاب صنعتي و سوق‌دادن مس به عصري جديد كمك كرد.
از اواخر قرن نوزدهم در اثر ارتباطي كه فلز مس با الكتريسته پيدا نمود، هم كاربرد اين فلز از تنوع بسيار برخوردار گرديد و هم به‌دليل ارتباط مصرف الكتريسته با سطح زندگي مقدار مصرف مس به يكي از شاخص‌هاي تعيين سطح زندگي در جوامع مختلف جهان مبدل شد. اگرچه در قرن اخير مس، به عنوان دومين فلز پرمصرف، پس از فولاد، مكان خود را به فلز آلومينيم واگذار نموده و به سومين فلز تنزل يافته است، با اين وجود مس و آلياژهاي آن در بسياري از كاربردهايي كه
طي دوراني طولاني، شاخص آنها است، كماكان بي‌رقيب مانده است. به‌طور كلي در مواردي كه خواص انتقال الكتريكي و حرارتي زياد با طول عمر و مقاومت قابل توجه نسبت به فرسودگي مورد نياز است، مس و آلياژهاي آن كاربرد دارند. اين كاربردها مرهون حداقل چهار ويژگي فيزيكي ـ شيميايي برتر مس است كه به تنهايي و يا به صورت مجموع در انتخاب اين فلز نقش دارد. مس در ميان فلزاتي كه كاربردهاي وسيع صنعتي دارند، هادي‌ترين فلز هم از نظر هدايت الكتريكي و هم انتقال حرارتي است و نزديك‌ترين فلز هادي به مس، آلومينيم است كه از نظر الكتريكي كمي بيش از نصف و از نظر حرارتي نصف مس، خاصيت هادي بودن را دارد.
ثبات شيميايي مس و تشكيل سريع غشاء نازكي از اكسيد بر سطح آن، چنان مقاومتي نسبت به زنگ‌زدگي و آلودگي‌هاي بيولوژيك در آن ايجاد مي‌كند كه از نظر كار در آب و بخصوص آب شور دريا، هيچ فلز يا آلياژ ديگري نمي‌تواند با آن رقابت كند. سهولت كاربرد، يكي ديگر از ويژگي‌هاي مهم مس و آلياژهاي آن است. مس و آلياژهاي آن در صورت‌هاي مناسب به خوبي كشيده شده و به ورق تبديل مي‌شوند. مس ضمن آنكه از خاصيت نرمي و شكل‌پذيري خوبي برخوردار است، قابل آلياژ شدن با درجات مختلف سختي مي‌باشد. ويژگي‌هاي مذكور آنچنان دامنه وسيعي از كاربرد براي مس و آلياژهاي آن ايجاد كرده است كه در كليه‌ي ماشين‌آلات و تجهيزات صنعتي و خانگي، وسايل حمل و نقل، صنايع نظامي به نوعي حضور يافته و مقدار مصرف آن طي كمتر از يك قرن در حدود ۲۰ برابر افزايش يافته است (فرشچي منفرد، ۱۳۷۴).
بيش از ۷۰% مس توليدشده‌ي جهان در صنعت الكتريسيته و الكترونيك مورد استفاده قرار مي‌گيرد. علاوه بر اين مس در كشاورزي و زيست‌شناسي كاربرد فراواني دارد. مس يكي از تشكيل‌دهنده‌هاي همه‌ي بافت‌هاي زيستي است كه براي رشد عادي و مناسب گياهان و جانوران نياز است. نبود آن مضر بوده و مقدار كم آن براي سلامتي انسان لازم است كه اين مقدار از طريق آب و غذا جذب بدن مي‌شود.مس و تركيبات آن مانند فلزات ديگر (جيوه و سرب) خطرناك
نبوده و تاكنون هيچ نوع بيماري در اثر مس از انسان‌هايي كه ساليان دراز با مس و تركيبات آن كار مي‌كنند، گزارش نشده است. در عوض گاهي گفته مي‌شود كه بعضي از مردم سالم‌تر شده و در برابر سرماخوردگي و ديگر بيماري‌ها مقاومت پيداكرده‌اند. تاريخ استفاده از تركيبات مس به ۴۰۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح برمي‌گردد، جايي كه در آن مصريان از سولفات مس به عنوان نگهدارنده، در فرآيند رنگ‌سازي استفاده مي‌كردند. امروزه بعد از گذشت ۶۰۰۰ سال سولفات مس هنوز هم در صنعت رنگ كاربرد دارد. كاربرد ديگر تركيبات مس در قديم براي ساختن پمادهاي دارويي بوده است. ۴۰۰ سال قبل از ميلاد، يونانيان سولفات مس را
در درمان بيماري‌هاي ريوي تجويز مي‌كردند. در قرن ۱۸ اين ماده كاربرد وسيعي در پزشكي، براي مداواي نارسايي‌هاي ذهني و ريوي، نزد پزشكان دنياي غرب پيدا كرد. جالب اينجاست كه سولفات مس هيچكدام از اثرات خود را در طي قرن‌ها از دست نداده و هيچ نوع ضرري از آن گزارش نشده است. اين تركيب در حال حاضر نيز در قبايل بدوي آفريقا براي درمان بيماري‌هاي پوستي استفاده مي‌شود. كاربرد ديگر مس به‌عنوان عامل ضد انگل‌هاي زيستي مانند قارچ و حشرات
است. از سال ۱۸۳۸ سولفات مس براي حفظ الوارهاي چوب استفاده مي‌شد و هم اكنون نيز جزء مواد اصلي نگهدارنده‌هاي چوب است.۸۰ سال پيش مشخص شد كه بسياري از جلبك‌ها در برابر مس بسيار حساسند، بنابراين نمك‌هاي مس توسط مهندسين آب براي جلوگيري از گسترش جلبك‌ها در ذخيره‌هاي آبي مورد استفاده قرار گرفت. كمتر از ppm 2 مس در آب مي‌تواند بيماري‌هايي كه توسط كرم‌هاي آبزي (مانند كرم شيستوزوما در كشورهاي استوايي) منتقل مي‌شود را كنترل كند.
برخي ديگر از كاربردهاي مس عبارتند از:
۱٫ سيم‌هاي مسي.
۲٫ لوله‌هاي مسي.
۳٫ دستگيره‌هاي درب و ساير وسايل منزل.
۴٫ مجسمه‌سازي، مثلاً مجسمه آزادي در ايلات متحده شامل ۸۱۱۹۴٫۴ كيلوگرم مس مي‌باشد.
۵٫ آهنرباهاي الکتريکي.
۶٫ موتورها، بخصوص موتورهاي الکترومغناطيسي.
۷٫ موتور بخار وات.
۸٫ کليدها و تقويت‌کننده‌هاي الکتريکي.
۹٫ لامپ‌هاي خلاء، لامپ‌هاي پرتوي کاتدي ومگنترون‌هاي اجاق‌هاي مايکروويو.
۱۰٫ هدايت‌کننده‌ي موج براي تشعشع مايکروويو.
۱۱٫ به علت خاصيت هدايت بهتر آن نسبت به آلومينيم، کاربرد مس در ICها به جاي آلومينيم روبه افزايش است.
۱۲٫ به‌عنوان جزئي از سکه‌ها.
۱۳٫ در ساخت ظروف و وسايل آشپزي، از جمله ماهي‌تابه.
۱۴٫ بيشتر سرويس‌هاي قاشق چنگال (flatware) قاشق‌ها،چنگال‌ها و چاقوهاي نقره نيکلي داراي مقاديري مس هستند.
۱۵٫ اگر نقره‌ي استرلينگ در ظروف غذاخوري بکار رفته باشد، حتماً بايد داراي درصد کمي مس باشد.
۱۶٫ به‌عنوان بخشي از لعاب سراميکي و در رنگ‌آميزي شيشه.
۱۷٫ مالاكيت کربنات مس سبزرنگي است که به‌وسيله آن ظاهر منحصر به فرد بام‌ها يا گنبدهاي با پوشش مس روي بعضي ساختمان‌ها ساخته مي‌شود.
۱۸٫ وسايل موسيقي، به‌خصوص سازهاي بادي و سازهاي سيمي.
۱۹٫ به‌عنوان يک بيواستاتيک در بيمارستان‌ها و پوشاندن قسمت‌هاي مختلف کشتي براي حفاظت در برابر بارناکل‌ها و ماسل‌ها.
۲۰٫ سولفات مس به عنوان سم كشاورزي و تصفيه‌كننده‌ي آب مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
۲۱٫ تركيبات مس نظير محلول فلينگ به‌طور گسترده‌اي در تجزيه‌ي شيميايي و آزمايش كردن شكر به كار مي‌روند.
مصارف برقي مس:
صنعت برق يكي از بزرگ‌ترين مصرف‌كنندگان مس است زيرا مس بهترين فلز ارزان براي انتقال برق است، همچنين مس در مقايسه با ساير انتقال‌دهنده‌ها از استاندارد خاصي برخوردار است.
علاوه براين، قدرت استثنايي مس، انعطاف پذيري‌اش و مقاومت‌اش در برابر وادادگي و خوردگي، آن را به ارجح‌ترين و ايمن‌ترين انتقال‌دهنده براي ساخت سيم تبديل كرده است. مس همچنين در كابل‌هاي برق، به صورت عايق‌بندي شده يا نشده، و براي كاربردهاي ولتاژ پايين، متوسط يا بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
ICSG با مشاركت ICA، IIEC و CFC1 در حال حاضر از پروژه‌اي براي افزايش استفاده از محصولات تشديدكننده‌ي مسي و كارآمد از نظر انرژي در چين و هند حمايت مي‌كنند. معرفي و ارتقاء چنين فن‌آوري‌هايي به بهبود بازدهي انرژي، كاهش اثرات مخرب گازهاي گلخانه‌اي و افزايش استاندارهاي زندگي در نواحي روستايي منجر خواهد شد. مس بخش اصلي موتورها و تبديل‌كننده‌هاي كارآمد است.