مس
مس یکی از فلزهای شناخته‌شده و پرکاربرد در جدول تناوبی است؛ فلزی که هم در شیمی و هم در صنعت جایگاه ویژه‌ای دارد. این عنصر به دلیل خواص الکتریکی، حرارتی و قابلیت آلیاژسازی، از گذشته‌های بسیار دور تا امروز در زندگی انسان نقش مهمی داشته است.
اطلاعات اولیه
مس (Cu) از فلزات واسطه به شمار می‌آید. این عنصر در بیشتر ترکیب‌های خود عدد اکسایش ۱+ دارد، اما در شرایط مناسب و با از دست دادن الکترون‌هایش می‌تواند عددهای اکسایش ۲+ و ۳+ را هم نشان دهد. با این حال، در مهم‌ترین ترکیب‌های مس، حالت ۲+ رایج‌تر است.
شیمی مس
مس فلزی نسبتاً نرم و به رنگ قرمز است و به‌راحتی می‌توان آن را به ورق و مفتول تبدیل کرد. رسانایی الکتریکی و گرمایی آن بسیار بالاست و از نظر رسانایی الکتریکی فقط نقره از آن بهتر است. سطح مس در هوای مرطوب به‌تدریج با لایه‌ای سبزرنگ از کربنات بازی پوشیده می‌شود.
لایه کربنات بازی سبز ۲Cu+O2+Co2+H2O = Cu(OH)2.CuCo3
یکی از ویژگی‌های مهم مس این است که هم رسانایی بالایی دارد و هم در برابر بسیاری از شرایط محیطی پایدار می‌ماند. همین ترکیبِ رسانایی و دوام، آن را برای سیم‌کشی، تجهیزات صنعتی و ساخت قطعات مختلف بسیار ارزشمند کرده است.
اثر اسیدها بر روی مس
محلول‌های رقیق «اسید هیدروکلریک» و «اسید سولفوریک» بر مس اثر نمی‌گذارند، زیرا مس در سری الکتروشیمیایی زیر هیدروژن قرار دارد. با این حال، مس در «اسید نیتریک» رقیق و غلیظ، و نیز در «اسید سولفوریک» غلیظ حل می‌شود؛ علت این رفتار، خاصیت اکسیدکنندگی این اسیدها است.
نکته جالب دیگر این است که مس می‌تواند از «اسید هیدروسیانیک» غلیظ، HCN، هیدروژن آزاد کند. احتمال داده می‌شود که عامل این واکنش، تمایل زیاد مس (I) برای تشکیل کمپلکس با یون سیانید باشد.
آلیاژهای مس
مس به‌آسانی با فلزهای دیگر آلیاژ می‌سازد و همین ویژگی دامنه کاربرد آن را بسیار گسترده کرده است. از این فلز در ظروف آشپزی، تجهیزات الکتریکی، ماشین‌آلات صنعتی و حتی سکه‌سازی استفاده می‌شود. مهم‌ترین 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.
آلیاژ شدن مس تنها برای تغییر رنگ یا سختی نیست، بلکه برای تنظیم استحکام، مقاومت سایشی و قابلیت شکل‌دهی نیز به کار می‌رود. به همین دلیل در بسیاری از قطعاتی که باید هم بادوام باشند و هم به‌خوبی شکل بگیرند، از ترکیب‌های مبتنی بر مس استفاده می‌شود.
وجود در طبیعت
مس در طبیعت هم به صورت آزاد و هم به شکل سولفید، اکسید و کربنات یافت می‌شود. کانی‌های اصلی آن عبارتند 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
مس از نظر فراوانی، پنجمین عنصر پوسته زمین است. هرچند ذخایر آن در نقاط مختلف جهان پراکنده‌اند، اما همین گستردگی باعث شده است که از هزاران سال پیش در دسترس انسان قرار داشته باشد.
استخراج مس
برای استخراج مس از کانی‌های سولفیدی، ابتدا پس از تغلیظ فیزیکی، آن‌ها را تا دمای بالا در جریان هوا حرارت می‌دهند. در این مرحله، بخشی از سولفیدها به اکسید تبدیل می‌شود.
سپس اکسید مس (I) با سولفید مس(I) واکنش می‌دهد و فلز مس آزاد می‌شود. از سوی دیگر، سولفید آهن موجود در کانی نیز به اکسید تبدیل شده و بلافاصله با دی‌اکسید سیلیسیوم همراه کانی، سیلیکات آهن تشکیل می‌دهد؛ این ماده سبک‌تر است و روی مس مذاب قرار می‌گیرد.
در عمل، این جداسازی به خالص‌تر شدن فلز کمک می‌کند و امکان می‌دهد مس خام برای مراحل بعدی تصفیه آماده شود. این فرایندها از مهم‌ترین گام‌ها در زنجیره تولید مس صنعتی هستند.
مضرات گاز دی اکسید گوگرد حاصل از استخراج مس
اگر دی‌اکسید گوگرد تولیدشده در فضا رها شود، افزون بر بوی ناخوشایند، برای تنفس انسان نیز زیان‌آور است. در صورت زیاد بودن غلظت آن، ممکن است گیاهان اطراف کارخانه را تا چند کیلومتر دچار خشکی کند. این گاز در هوا به‌تدریج به «تری اکسید گوگرد» SO3 تبدیل می‌شود و سپس با رطوبت هوا واکنش داده، اسید سولفوریک تولید می‌کند.
برای کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی، می‌توان دی‌اکسید گوگرد را با کمک کاتالیزگر به اسید سولفوریک تبدیل کرد یا آن را به وسیله کربن گداخته کاهش داد و به گوگرد تبدیل نمود. چنین روش‌هایی به حفظ محیط زیست کمک می‌کنند.
تصفیه مس
مس به‌دست‌آمده از کانی‌های سولفیدی کاملاً خالص نیست و معمولاً ناخالصی‌هایی مانند نقره، طلا، آهن، روی، سرب، ارسنیک، گوگرد، اکسید مس (I) و ذرات سیلیکات آهن در آن وجود دارد. چون حتی مقدارهای کم این ناخالصی‌ها می‌تواند رسانایی الکتریکی مس را به‌شدت کاهش دهد، تصفیه آن ضروری است.
برای این کار، فلز مذاب را در جریان هوا حرارت می‌دهند تا «ارسنیک» و «گوگرد» به ترکیب‌های فرار تبدیل شده و از مذاب خارج شوند. سپس ناخالصی‌های دیگر با تصفیه الکتروشیمیایی جدا می‌شوند. در این روش، تیغه‌های مس خالص به عنوان کاتد و مخلوط «اسید سولفوریک» رقیق، «کلرید مس» و «سولفات مس ( ) به عنوان الکترولیت به کار می‌رود.
لجن آندی و شمش کاتدی
در تصفیه الکترولیتی مس، با تنظیم دقیق ولتاژ، فقط مس و ناخالصی‌های فلزی الکتروپوزیتیوتر مانند آهن، روی و سرب در آند به یون تبدیل می‌شوند. در مقابل، فلزهایی مانند نقره و طلا که از مس الکتروپوزیتیوتر کمتری دارند، تغییر نمی‌کنند و همراه با خورده‌شدن تدریجی آند به ته ظرف الکترولیز می‌افتند و «لجن آندی» را تشکیل می‌دهند.
این لجن بعدها برای بازیابی فلزهای گران‌بها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در کاتد نیز تنها یون مس ( ) کاهش می‌یابد و به صورت لایه‌ای از مس خالص روی کاتد می‌نشیند. خلوص مس حاصل از این روش بیش از ۹/۹۹ درصد است و به آن «شمش کاتدی» گفته می‌شود.
تاريخچه‌ي كاربرد مس
استفاده از مس دست‌کم به ۱۰۰۰۰ سال پیش برمی‌گردد. در دوره‌ي ماقبل تاریخِ کَلكولیتیک Chalcolithic، انسان یاد گرفت که چگونه مس را استخراج کند و از آن برای ساخت زیورآلات و ابزارهای گوناگون استفاده کند. ابزارهای مسی کشف‌شده، قدمتی حدود ۵۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح را نشان می‌دهند.
شواهد باستان‌شناسی نشان می‌دهد که کاربرد مس به‌عنوان وسیله‌ای زینتی در غرب آسیا به ده هزار سال پیش می‌رسد. آویز مسی متعلق به سال ۸۷۰۰ قبل از میلاد، یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های استفاده از این فلز در زیورآلات است که در شمال عراق کنونی پیدا شده است.
در یکی از اهرام مصر نیز سامانه‌ای لوله‌کشی از جنس مس پیدا شده که مربوط به ۵۰۰۰ سال پیش است. مرد یخی Oetzi، که در اروپا به‌دقت نگهداری می‌شود و متعلق به ۳۲۰۰ سال قبل از میلاد است، تبر با نوک مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن ۷/۹۹% می‌باشد. مس به‌دلیل درخشندگی‌اش در گذشته برای ساخت آینه نیز به کار می‌رفت.
یکی از رویدادهای سرنوشت‌ساز در تاریخ استفاده از مس، کشف چگونگی تولید آلیاژ برنز بود. یافته‌های باستان‌شناسی نشان می‌دهد که در ایران از هزاره‌ی پنجم پیش از میلاد، استفاده از مس رواج داشته و اشیای مفرغیِ به‌دست‌آمده از هزاره‌های بعد، نشانه پیشرفت این کاربرد است.
وجود طبیعی مس و خاصیت چکش‌خواری و شکل‌پذیری آن، باعث شد که انسان‌های اولیه بتوانند با ابزارهای ساده از آن برای ساخت ابزار صنعتی، زیورآلات، لوله و مخازن آب، سکه، شمشیر، مجسمه و بسیاری چیزهای دیگر استفاده کنند. به همین دلیل، مس به یکی از پایه‌های مهم توسعه تمدن بشر تبدیل شد.
تا اواخر دهه‌های ۱۸۰۰ میلادی، مصرف مس نسبتاً محدود بود. اما با اختراع دینامو، تلگراف، تلفن، برق و خطوط انتقال نیرو در اواخر قرن نوزدهم، سیم به محصولی بسیار مهم تبدیل شد و مس به عنوان یک هادی صنعتی ارزشمند مورد توجه گسترده قرار گرفت.
کشف‌ها و اختراعات مربوط به برق و مغناطیس در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم، که توسط دانشمندانی مانند آمپر، فارادی و اهم انجام شد، همراه با محصولات مسی، به آغاز انقلاب صنعتی و ورود مس به دوره‌ای تازه کمک کرد.
از اواخر قرن نوزدهم و با پیوندی که مس با صنعت برق پیدا کرد، هم دامنه کاربردهای آن بسیار متنوع شد و هم میزان مصرفش به یکی از شاخص‌های سنجش سطح زندگی در جوامع مختلف تبدیل شد. هرچند در قرن اخیر مس، به‌عنوان دومین فلز پرمصرف پس از فولاد، جای خود را تا حدی به آلومینیوم واگذار کرده و به رتبه سوم رسیده است، اما همچنان در بسیاری از کاربردهای مهم بی‌رقیب مانده است.
به‌طور کلی، هر جا که رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا همراه با عمر طولانی و مقاومت مناسب در برابر فرسودگی لازم باشد، مس و آلیاژهای آن انتخابی مناسب هستند. این جایگاه ویژه به حداقل چهار ویژگی فیزیکی و شیمیایی برتر مس مربوط می‌شود که به‌تنهایی یا در کنار هم در انتخاب این فلز نقش دارند.
مس در میان فلزهای پرمصرف صنعتی، رساناترین فلز از نظر انتقال برق و گرما است. نزدیک‌ترین فلز رسانا به آن آلومینیوم است که از نظر الکتریکی اندکی بیش از نصف و از نظر حرارتی حدود نصف مس خاصیت رسانایی دارد.
پایداری شیمیایی مس و تشکیل سریع لایه‌ای نازک از اکسید روی سطح آن، مقاومت خوبی در برابر زنگ‌زدگی و آلودگی‌های زیستی ایجاد می‌کند. به همین دلیل، در کاربری‌های مربوط به آب و به‌ویژه آب شور دریا، کمتر فلزی می‌تواند با آن رقابت کند.
ویژگی مهم دیگر مس و آلیاژهای آن، سهولت شکل‌دهی و استفاده‌پذیری است. این فلز به‌خوبی کشیده می‌شود، به ورق تبدیل می‌شود و در عین نرمی، می‌تواند با آلیاژ شدن به سختی‌های گوناگون برسد. همین خصوصیات باعث شده است که در بسیاری از ماشین‌آلات، تجهیزات صنعتی و خانگی، وسایل حمل‌ونقل و صنایع نظامی حضور داشته باشد و مصرف آن در کمتر از یک قرن حدود ۲۰ برابر افزایش یابد (فرشچی منفرد، ۱۳۷۴).
علاوه بر این، مس یکی از فلزهای قابل بازیافت است و می‌توان آن را بارها بدون افت جدی کیفیت دوباره وارد چرخه مصرف کرد. همین ویژگی، در کنار دوام و رسانایی بالا، باعث شده است که این فلز در بسیاری از طرح‌های صنعتی و ساختمانی همچنان انتخابی اقتصادی و پایدار باشد.
بیش از ۷۰% مس تولیدشده‌ی جهان در صنعت الکتریسیته و الکترونیک مصرف می‌شود. افزون بر این، مس در کشاورزی و زیست‌شناسی نیز کاربردهای فراوانی دارد. این عنصر یکی از اجزای تشکیل‌دهنده‌ی بافت‌های زیستی است و برای رشد طبیعی گیاهان و جانوران لازم است. نبود آن زیان‌آور است و مقدار کم آن برای سلامت انسان ضروری است که از راه آب و غذا وارد بدن می‌شود.
مس و ترکیبات آن، برخلاف فلزهایی مانند جیوه و سرب، خطر مشابهی ندارند و تا امروز هیچ بیماری‌ای که مستقیماً به دلیل کار طولانی‌مدت با مس و ترکیبات آن در انسان گزارش شده باشد، ثبت نشده است. حتی گاهی گفته می‌شود برخی افراد در تماس با مس، مقاومت بیشتری در برابر سرماخوردگی و برخی بیماری‌ها پیدا کرده‌اند.
تاریخ استفاده از ترکیبات مس نیز بسیار کهن است و به ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح بازمی‌گردد؛ زمانی که مصریان از سولفات مس به عنوان نگهدارنده در فرایند رنگ‌سازی استفاده می‌کردند. امروزه نیز پس از گذشت ۶۰۰۰ سال، سولفات مس هنوز در صنعت رنگ به کار می‌رود.
در گذشته، از ترکیبات مس برای تهیه پمادهای دارویی نیز استفاده می‌شد. حدود ۴۰۰ سال قبل از میلاد، یونانیان سولفات مس را برای درمان بیماری‌های ریوی تجویز می‌کردند. در قرن ۱۸ این ماده در پزشکیِ جهان غرب برای مداوای برخی ناراحتی‌های ذهنی و ریوی کاربرد گسترده‌ای پیدا کرد.
جالب آن‌که سولفات مس در طول قرن‌ها اثرات خود را از دست نداده و گزارشی از ضرر آن ارائه نشده است. این ترکیب هنوز هم در برخی قبایل بدوی آفریقا برای درمان بیماری‌های پوستی استفاده می‌شود. همچنین مس به‌عنوان عامل ضد انگل‌های زیستی مانند قارچ و حشرات کاربرد دارد.
از سال ۱۸۳۸، سولفات مس برای حفاظت از الوارهای چوب به کار می‌رفت و امروز نیز یکی از مواد اصلی نگهدارنده‌های چوب است. حدود ۸۰ سال پیش مشخص شد که بسیاری از جلبک‌ها به مس بسیار حساس‌اند، بنابراین نمک‌های مس توسط مهندسان آب برای جلوگیری از رشد جلبک‌ها در مخزن‌های آبی استفاده شدند. کمتر از ppm 2 مس در آب می‌تواند بیماری‌هایی را که توسط کرم‌های آبزی، مانند کرم شیستوزوما در کشورهای استوایی، منتقل می‌شود کنترل کند.
برخی دیگر از کاربردهای مس
- سیم‌های مسی.
- لوله‌های مسی.
- دستگیره‌های درب و سایر وسایل منزل.
- مجسمه‌سازی؛ برای نمونه، مجسمه آزادی در ایالات متحده شامل ۸۱۱۹۴٫۴ کیلوگرم مس می‌باشد.
- آهنرباهای الکتریکی.
- موتورها، به‌ویژه موتورهای الکترومغناطیسی.
- موتور بخار وات.
- کلیدها و تقویت‌کننده‌های الکتریکی.
- لامپ‌های خلاء، لامپ‌های پرتوی کاتدی و مگنترون‌های اجاق‌های مایکروویو.
- هدایت‌کننده موج برای تشعشع مایکروویو.
- به علت خاصیت هدایت بهتر نسبت به آلومینیم، کاربرد مس در ICها به جای آلومینیم رو به افزایش است.
- به‌عنوان جزئی از سکه‌ها.
- در ساخت ظروف و وسایل آشپزی، از جمله ماهی‌تابه.
- بیشتر سرویس‌های قاشق‌چنگال (flatware) و قاشق‌ها، چنگال‌ها و چاقوهای نقره نیکلی دارای مقادیری مس هستند.
- اگر نقره‌ی استرلینگ در ظروف غذاخوری به کار 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 منحصربه‌فرد بام‌ها یا گنبدهای با پوشش مس روی بعضی ساختمان‌ها ساخته می‌شود.
- وسایل موسیقی، به‌خصوص سازهای بادی و سازهای سیمی.
- به‌عنوان یک بیواستاتیک در بیمارستان‌ها و برای پوشاندن قسمت‌های مختلف کشتی جهت حفاظت در برابر بارناکل‌ها و ماسل‌ها.
- سولفات مس به عنوان سم کشاورزی و تصفیه‌کننده‌ی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ترکیبات مس نظیر محلول فلینگ به‌طور گسترده‌ای در تجزیه‌ی شیمیایی و آزمایش کردن شکر به کار می‌روند.
مصارف برقی مس
صنعت برق یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان مس است، چون این فلز از نظر انتقال جریان، یکی از بهترین و در عین حال مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه‌ها به شمار می‌آید. همچنین مس در مقایسه با بسیاری از رساناهای دیگر از استانداردهای فنی بسیار مناسبی برخوردار است.
علاوه بر این، استحکام بالا، انعطاف‌پذیری مناسب و مقاومت خوب در برابر وادادگی و خوردگی، آن را به یکی از مطمئن‌ترین و ترجیحی‌ترین رساناها برای ساخت سیم تبدیل کرده است. مس در کابل‌های برق نیز، چه با عایق و چه بدون عایق، و برای کاربردهای ولتاژ پایین، متوسط یا بالا استفاده می‌شود.
ICSG با مشارکت ICA، IIEC و CFC1 در حال حاضر از پروژه‌ای برای افزایش استفاده از محصولات تشدیدکننده‌ی مسی و کارآمد از نظر انرژی در چین و هند حمایت می‌کنند. معرفی و گسترش چنین فناوری‌هایی به بهبود بازدهی انرژی، کاهش اثرات مخرب گازهای گلخانه‌ای و افزایش استانداردهای زندگی در نواحی روستایی منجر خواهد شد. مس بخش اصلی موتورها و تبدیل‌کننده‌های کارآمد است.
جمع‌بندی
مس فقط یک فلز ساده نیست؛ عنصری است که از دوران باستان تا فناوری‌های مدرن همراه انسان بوده و هنوز هم در قلب بسیاری از صنایع قرار دارد. رسانایی بالا، قابلیت آلیاژ شدن، پایداری شیمیایی و امکان بازیافت، از مس ماده‌ای ساخته‌اند که هم در اقتصاد و هم در توسعه صنعتی نقش ماندگار دارد.