铜的物理特性
1. 外观：
颜色：铜具有红棕色，这是金属的特征。暴露在空气中时，它会随着时间的推移形成绿色的铜锈（氧化铜）。
光泽：铜具有金属光泽，这意味着它在抛光时会发光，使其具有美观的表面。
2. 密度：
密度：8.96 g/cm³（8960 kg/m³）。这使得铜比许多常见金属更致密，从而提高了其强度和耐用性。
3. 熔点：
熔点：1,984°F（1,085°C）。与许多其他金属相比，铜的熔点相对较高，使其在高温应用中很有用。
4. 沸点:
沸点：4,643°F (2,562°C)。铜的沸点非常高，因此在高温下也能保持稳定。
5. 导电率:
导电率：铜是极好的电导体。它的导电性仅次于银，因此非常适合用于电线、元件和电路。
6. 导热率:
导热率：398 W/(m·K)。铜也是极好的热导体，因此可用于热交换器、炊具和制冷系统。
7. 硬度:
硬度（莫氏硬度）：3.0。与许多其他金属相比，铜相对较软，但可以通过与其他金属合金化而变硬（例如，与锌合金化制成黄铜或与锡合金化制成青铜）。
8. 延展性：
延展性：铜具有很高的延展性，铜可以被锤打或轧成薄片而不会断裂。铜可以被拉成细线而不会开裂。这就是铜被广泛用于电线的原因。
9. 抗拉强度：
抗拉强度：纯铜约为 210 MPa。铜相当坚固，但不如钢或其他高强度金属坚固。然而，青铜和黄铜等铜合金可以具有更高的抗拉强度。
10. 杨氏模量：
杨氏模量：110 GPa。它测量铜的刚度，表明它与其他金属（如钢）相比具有相对较高的柔韧性，而钢的模量值要高得多。
11. 热膨胀系数：
热膨胀系数：16.5 x 10⁻⁶/°C。铜在暴露于温度变化时会膨胀和收缩，这在涉及热循环的工程应用中使用铜时非常重要。
12. 耐腐蚀性：
由于铜在暴露于空气中时会形成保护性氧化层，因此具有很强的耐腐蚀性。这使其成为海洋环境或户外安装应用的理想选择。
13. 磁性：
铜是非磁性的，这意味着它对磁场没有反应。这在某些应用中是有益的，例如在创建磁屏蔽或需要非磁性材料的电气系统组件时。
14. 溶解度：
铜不溶于水，但可溶于硝酸或硫酸等酸，这就是它经常用于化学工艺的原因。
铜的化学特性
1. 与氧的反应性：
氧化：铜与空气中的氧气缓慢反应，根据条件形成氧化铜（I） (Cu₂O) 或氧化铜（II） (CuO)。这会在表面形成一层特有的红褐色或黑色氧化层。
铜绿形成：随着时间的推移，铜继续与空气中的氧气和二氧化碳以及水分发生反应，形成绿色的铜绿，主要由碳酸铜 (Cu₂CO₃(OH)₂) 组成。这种铜绿可作为保护层，防止进一步腐蚀，尤其是在户外和海洋环境中。
2. 与水的反应性：
低反应性：铜在室温下与水的反应性相对较低。纯铜不会腐蚀或与水反应，这也是铜广泛用于管道的原因之一。
与蒸汽反应：当暴露于高温蒸汽中时，铜会反应生成氧化铜（I）（Cu₂O）或氧化铜（II）（CuO）。
3. 与酸反应：
与硝酸反应：铜与浓硝酸（HNO₃）反应生成硝酸铜（II）（Cu(NO₃)₂）和二氧化氮（NO₂）气体，后者是一种红褐色有毒气体。
与硫酸反应：铜与热的浓硫酸（H₂SO₄）反应生成硫酸铜（II）（CuSO₄）、二氧化硫（SO₂）气体和水。这种反应在较高温度下更容易发生。
与盐酸反应：铜在室温下不易与盐酸（HCl）反应。但是，如果存在氧气或过氧化氢（H₂O₂）等氧化剂，铜可能会反应生成铜盐。
4. 与卤素反应：
铜与卤素（如氯、溴或碘）反应形成铜卤化物。例如，铜与氯气（Cl₂）反应形成氯化铜（I）（CuCl）或氯化铜（II）（CuCl₂），具体取决于条件：
铜卤化物通常为白色、黄色或绿色，可能溶于水，具体取决于卤化物。
5. 与氢反应：
在标准条件下，铜通常不易与氢反应。然而，在高温下，铜可以与氢反应形成氢化铜（I）（CuH），但这种情况很少见，通常需要极端条件。
6. 合金形成：
与其他金属合金化：铜很容易与其他金属形成合金，例如：
黄铜：铜+锌（Zn），以其强度和耐腐蚀性而闻名。
青铜：铜 + 锡 (Sn)，以其硬度和耐腐蚀性而闻名，尤其是在海洋环境中。
白铜：铜 + 镍 (Ni)，用于硬币、船用五金和一些电气应用。
超导性：虽然铜本身不是超导体，但某些铜基合金在低温下表现出超导特性。
7. 电化学性质：
电化学反应性：铜在反应中失去电子的倾向较低。因此，与铁或铝等金属相比，它不易氧化。这就是为什么铜用于需要耐用性的应用中，例如电线和管道，它可以抗腐蚀和氧化。
电极电位：铜的电极电位为 +0.34 V（相对于标准氢电极），这意味着它相对耐氧化，并且经常用作电化学电池中的阴极。
8. 与硫反应：
硫化铜的形成：铜与硫（S）在高温条件下反应形成硫化铜（I）（Cu₂S）或硫化铜（II）（CuS）：
该反应在从矿石中提取铜的冶炼过程中非常重要。
9. 与碳的反应性：
在标准条件下，铜通常不与碳反应，但在富碳环境中加热到高温时，铜可以形成碳化铜（I）（Cu₂C）或碳化铜（II）（CuC），尽管这些化合物不太常见。
10. 催化性质：
铜在多种化学反应中起催化剂作用，包括工业过程中的一些重要反应，例如氢化反应、合成燃料和化学品的生产。
铜的主要化学性质总结：
- 耐腐蚀性：在空气和水中形成保护性铜锈（氧化铜和碳酸铜）。
- 酸反应：与硝酸和硫酸等酸反应生成金属盐和气体。
- 合金形成：容易与其他金属形成合金，产生具有黄铜和青铜等理想性能的材料。
- 电化学稳定性：由于失去电子的倾向较低，因此具有很强的耐腐蚀性。
- 与卤素的反应性：与氯、溴或碘反应时形成卤化铜。
铜的应用
1. 电气和电子
电线：铜的优异导电性使其成为住宅、商业和工业布线的首选。
电机和变压器：铜绕组广泛用于电机、发电机和变压器，以实现高效的能量传输。
印刷电路板 (PCB)：智能手机、计算机和家电等电子设备必不可少。
连接器和开关：用于电气系统中，实现可靠耐用的连接。
电信：铜用于电话线、互联网连接和信号传输的电缆中。
2. 建筑和基础设施
管道：铜管和配件因其耐腐蚀和抗微生物生长而得到广泛应用。
屋顶和覆层：铜因其耐用性和美观性而用于建筑元素，随着时间的推移会形成保护性光泽。
建筑合金：黄铜和青铜等铜合金用于五金件、装饰装置和结构部件。
3. 可再生能源系统
太阳能电池板：铜用于光伏系统的布线和连接。
风力涡轮机：风力涡轮机中的电气系统和发电机必不可少。
电动汽车 (EV)：广泛用于电动汽车的布线、电机、电池和充电站。
4. 汽车和运输
车辆电气系统：布线、连接器和传感器。
散热器和热交换器：高导热性使铜成为冷却系统的理想选择。
海洋应用：海水中的耐腐蚀性使铜成为造船、螺旋桨和船体护套的重要材料。
5. 工业和机械应用
机械：轴承、齿轮和衬套采用铜合金制成，具有强度和耐磨性。
热交换器：铜的导热性非常适合工业冷却和加热系统。
电力传输：用于变压器和变电站。
6. 医疗保健和抗菌应用
医疗设备：由于铜具有生物相容性，因此可用于仪器、植入物和导管。
抗菌表面：医院中经常接触的表面，如门把手和床栏，以减少感染的传播。
铜制宫内节育器：因其有效性和安全性而用于避孕。
7. 消费品
硬币：铜及其合金因其耐用性和美观性而被广泛用于铸造硬币。
珠宝：铜用于装饰品，通常与金或银合金化。
炊具：铜炊具因其均匀的热量分布而受到重视。
8. 农业和化学品
杀菌剂和杀虫剂：硫酸铜用于农业，以防止真菌和细菌感染。
动物饲料：将铜化合物添加到牲畜饲料中以防止缺陷。
9. 艺术和装饰
雕塑：铜和青铜因其可加工性和自然老化效果而用于雕像和艺术品。
建筑元素：美学特征，如包层、风向标和尖顶。
10. 军事和国防
弹药：由于其延展性和耐腐蚀性，可用于子弹和弹壳。
国防电子：铜是雷达系统、通信设备和电气设备中的关键材料。
11. 航空航天
飞机部件：由于其重量轻、耐用性和耐腐蚀性，可用于飞机和航天器的电气系统和热交换器。
12. 回收和可持续性
再生铜：铜是最可回收的金属之一，即使在再加工后仍能保留其特性。再生铜用于建筑、电子和工业应用，有助于可持续发展。
铜被广泛应用的原因：
- 高导电性：实现高效的电力和热量传递。
- 耐腐蚀性：非常适合长期应用。
- 延展性和可塑性：易于成型和加工。
- 抗菌性能：减少表面的细菌和病毒。
- 可回收性：可持续且环保。
铜的多功能性和优异的性能使其成为能源和交通运输到医疗保健和消费品等各个领域不可或缺的材料。
