Đồng

Vật lý

Đồng, bạc và vàng đều nằm trong nhóm 11 của bảng tuần hoàn nên chúng có nhiều thuộc tính giống nhau: chúng có 1 electron trong phân lớp s¹ nằm trước nhóm d¹⁰ và được đặc trưng bởi tính dẻo và dẫn điện cao. Các orbital được lấp đầy các electron trong các nguyên tố này không đóng góp nhiều vào các tương tác nội nguyên tử, chủ yếu ảnh hưởng bởi các electron phân lớp s thông qua các liên kết kim loại. Trái ngược với các kim loại mà phân lớp d không được lấp đầu bởi các electron, các liên kết kim loại trong đồng thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị và chúng tương đối yếu. Điều này giải thích tại sao các tinh thể đồng riêng biệt có độ dẻo cao và độ cứng thấp. Ở quy mô lớn, việc thêm vào các khuyết tật trong ô mạng tinh thể như ranh giới hạt, sẽ làm cản trở dòng vật liệu dưới áp lực nén từ đó làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ, đồng thường được đưa ra thị trường ở dạng polycrystalline hạt mịn, dạng này có độ cứng lớn hơn dạng monocrystalline.
Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cao của nó(59.6×10⁶ S/m) và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng. (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn). Đặc điểm này là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể, mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với cho một kim loại mềm. Mật độ dòng thấm tối đa của đồng trong không khí ngoài trời vào khoảng 3,1×10⁶ A/m², vượt trên giá trị này nó bắt đầu nóng quá mức. Cùng với những kim loại khác, nếu đồng được đặt cạnh kim loại khác, ăn mòn galvanic sẽ diễn ra.
Cùng với lưu huỳnh và vàng (cả hai đều có màu vàng), đồng là một trong 3 nguyên tố có màu tự nhiên khác với màu xám hoặc bạc. Đồng tinh khiết có màu đỏ cam và tạp ra màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí. Màu đặc trưng này của đồng tạo ra từ sự chuyển tiếp electron giữa phân lớp 3d và phân lớp 4s – năng lượng chênh lệch do sự chuyển đổi trạng thái electrong giữa hai phân lớp này tương ứng với ánh sáng cam. Cơ chế xảy ra tương tự đối với màu vàng của vàng và lưu huỳnh.

Hóa học

Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái ôxy hóa +1 và +2, mà thường được gọi theo thứ tự là cuprous và cupric.Nó không phản ứng với nước, nhưng phản ứng chậm với ôxy trong không khí tạo thành một lớp ôxit đồng màu nâu đen. Ngược lại với sự ôxy hóa của sắt trong không khí ẩm, lớp ôxit này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn. Một lớp màu lục của verdigris (đồng cacbonat) thường có thể bắt gặp trên các công trình cổ có sử dụng đồng như Tượng Nữ thần tự do, tượng bằng đồng lớn nhất trên thế giới được xây dựng dùng repoussé and chasing. Hydrogen sulfua và sulfua phản ứng với đồng tạo ra các hợp chất đồng sulfua khác nhau trên bề mặt. Trong trường hợp phản ứng với sulfua, ăn mòn đồng diễn ra khi đồng tiếp xúc với không khí có chứa các hợp chất sulfua. Các dung dịch amoni chứa ôxy có thể tạo ra một phức chất hòa tan trong nước với đồng, khi phản ứng với ôxy và axit clohydric để tạo thành đồng clorua và hydro peroxit bị axit hóa để tạo thành các muối đồng(II). Đồng(II) clorua và đồng phản ứng với nhau tạo thành đồng (I) clorua.

Phân bố

Đồng có thể tìm thấy như là đồng tự nhiên hoặc trong dạng khoáng chất. Đồng tự nhiên là một dạng polycrystal, với các tinh thể riêng lẻ lớn nhất đã được ghi nhận có kích thước 4,4×3,2×3,2 cm. Khối đồng nguyên tố lớn nhất có cân nặng 420 tấn, được tìm thấy năm 1857 trên bán đảo Keweenaw ở Michigan, Hoa Kỳ. Có nhiều dạng khoáng chứa đồng như cacbonat azurit (2CuCO₃Cu(OH)₂) và malachit (CuCO₃Cu(OH)₂) là các nguồn để sản xuất đồng, cũng như là các sulfua như chalcopyrit (CuFeS₂), bornit (Cu₅FeS₄), covellit (CuS), chalcocit (Cu₂S) và các ôxít như cuprit (Cu₂O).
Phần lớn đồng trích xuất được trong các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có ít hơn 1% đồng. Các ví dụ bao gồm: mỏ Chuquicamata ở Chilê và mỏ El Chino ở New Mexico. Việt Nam có mỏ đồng Sinh Quyền ở Lào Cai.
Đồng có mặt trong vỏ Trái Đất với hàm lượng 50 ppm, và có thể được tổng hợp trong các ngôi sao có khối lượng lớn.

Sản xuất

Hầu hết đồng được khai thác hoặc chiết tách ở dạng đồng sulfua từ các mỏ đồng porphyr khai thác lộ thiên chứa từ 0,4 đến 1,0% đồng. Ví dụ một số mỏ như: mỏ Chuquicamata ở Chile; Bingham Canyon Mine ở Utah, Hoa Kỳ; và El Chino Mine ở New Mexico, Hoa Kỳ. Theo Cục Khảo sát địa chất Anh, năm 2005, Chile là nước dẫn đầu về khai thác đồng chiếm ít nhất 1/3 sản lượng đồng thế giới, theo sau là Hoa Kỳ, Indonesia và Peru. Đồng cũng được thu hồi qua quá trình In-situ leach. Nhiều nơi ở tiểu bang Arizona được xem là những ứng viên cho phương pháp này. Lượng đồng đang đượng sử dụng đang tăng và số lượng có sẵn là hầu như không đủ để cho phép tất cả các nước để đạt đến mức độ sử dụng của thế giới phát triển.

Trữ lượng

Đồng đã được sử dụng ít nhất là cách nay 10.000 năm, nhưng có hơn 95% tất cả đồng đã từng được khai thác và nấu chảy đã được tách chỉ bắt đầu từ thập niên 1900. Với nhiều nguồn tài nguyên tự nhiên, tổng lượng đồng trên Trái Đất là rất lớn (khoảng 10¹⁴ tấn nằm trong vòng vài km của vỏ Trái Đất, hoặc tương đương 5 triệu năm khai thác với tốc độ khai thác hiện tại. Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ nhỏ trữ lượng này là có giá trị kinh tế trong điều kiện chi phí và công nghệ hiện tại. Nhiều ước tính trữ lượng đồng hiện tại cho thấy việc khai thác có thể diễn ra từ 25 đến 60 năm tùy thuộc vào những giả định cốt lõi như tốc độ phát triển. Tái chế là một nguồn chính của đồng trong thế giới hiện đại. Do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, sản lượng và cung ứng đồng trong tương lai là một chủ đề còn nhiều tranh cãi, bao gồm cả khái niệm về đỉnh đồng, tương tự như đỉnh dầu.
Giá đồng trong lịch sử là không ổn định, và nó tăng gấp 5 lần từ giá thấp duy trì 60 năm từ US$1,32/kg trong tháng 6 năm 1999 đến US$8,27/kg trong tháng 5 năm 2006. Nó rớt từ US$5,29/kg trong tháng 2 năm 2007, sau đó tăng lên US$7,71/kg tháng 4 năm 2007. Tháng 2 năm 2009, nhu cầu toàn cầu giảm và giá cả hàng hóa giảm mạnh từ mức cao của năm trước là US$1,51/lb.

Tái chế

Đồng, giống như nhôm, có thể tái chế 100% mà không bị giảm chất lượng cho dù ở dạng thô hoặc nằm trong các sản phẩm khác. Về khối lượng, đồng là kim loại được tái chế phổ biến xếp hàng thứ 3 sau sắt và nhôm. Ước tính có khoảng 80% đồng đã từng được khai thác hiện tại vẫn còn sử dụng. Theo Metal Stocks in Society report của International Resource Panel, phân bổ bình quân đầu người về đồng hiện đang sử dụng trong xã hội là 35–55 kg. Phần nhiều trong số này là ở các nước phát triển nhiều (140–300 kg/người) hơn là các nước ít phát triển (30–40 kg/người).
Quá trình tái chế đồng tuân theo những bước gần như tương tự với chiết tách đồng nhưng đòi hỏi ít công đoạn hơn. Đồng phế liệu có độ tinh khiết cao được nung trong lò cao và sau đó được khử và đúc thành billet và ingot; các phế liệu có độ tinh khiết thấp hơn được tinh chế bằng mạ điện trong một bể axit sulfuric.

Tên gọi

Giống các tiếng Đông phương khác, nguồn gốc từ đồng từ Tiếng Trung Quốc 铜 (bình âm: tóng). Tiếng Thái xài ทองแดง nghĩa là 'vàng đỏ' vì đồng có nhiều đặc điểm giống vàng như rất dẻo và không dễ sét.
Trong thời của nền văn minh Hy Lạp, kim loại này được biết với tên gọi chalkos. Trong thời kỳ La Mã, nó được biết với tên aes Cyprium (aes là thuật ngữ Latinh chung để chỉ các hợp kim của đồng như đồng đỏ và các kim loại khác, và bởi vì nó được khai thác nhiều ở Síp). Từ những yếu tố lịch sử này, tên gọi của nó được đơn giản hóa thành Cuprum là tên gọi Latinh của đồng.
Trong thần thoại Hy Lạp - La Mã cũng như trong thuật giả kim, đồng có liên quan đến nữ thần Aphrodite (Vệ Nữ) vì vẻ đẹp rực rỡ của nó, việc sử dụng thời cổ đại của nó trong sản xuất gương, và sự liên hệ của nó với Síp, là quê hương của nữ thần. Trong thuật giả kim, ký hiệu của đồng cũng là ký hiệu cho Sao Kim.

Vai trò sinh học

Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao. Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym, bao gồm nhân đồng của cytochrom c oxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas, và nó là kim loại trung tâm của chất chuyên chở ôxy hemocyanin. Máu của cua móng ngựa (cua vua) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt để chuyên chở ôxy.
Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về đồng đối với người lớn khỏe mạnh là 0,9 mg/ngày.
Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin. Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng liên kết với albumin.
Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này, nếu không được điều trị, có thể dẫn tới các tổn thương não và gan.
Người ta cho rằng kẽm và đồng là cạnh tranh về phương diện hấp thụ trong bộ máy tiêu hóa vì thế việc ăn uống dư thừa một chất này sẽ làm thiếu hụt chất kia.
Các nghiên cứu cũng cho thấy một số người mắc bệnh về thần kinh như bệnh schizophrenia có nồng độ đồng cao hơn trong cơ thể. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa rõ mối liên quan của đồng với bệnh này như thế nào (là do cơ thể cố gắng tích lũy đồng để chống lại bệnh hay nồng độ cao của đồng là do căn bệnh này gây ra).

Hợp kim

Có rất nhiều chủng loại hợp kim của đồng - Các gương đồng là hợp kim của 4 phần đồng với một phần thiếc, đồng thau còn gọi là Latông hay đồng vàng là hợp kim của đồng với kẽm, và đồng đỏ hay còn gọi là Burông là hợp kim của đồng với thiếc, và có thể dùng để chỉ bất kỳ hợp kim nào của đồng như đồng điếu nhôm. Đồng là một trong những hợp phần quan trọng nhất của bạc và vàng carat và que hàn carat dùng trong công nghiệp đá quý, điều chỉnh màu, độ cứng và điểm nóng chảy của các hợp kim được tạo ra. Các loại que hàn không chì bao gồm kẽm tạo hợp kim với một lượng nhỏ đồng và các kim loại khác.
Hợp kim của đồng với nickel được gọi là đồng niken, được sử dụng làm đồng tiền mệnh giá thấp ở dạng áo bên ngoài. Đồng 5-cent Mỹ (hiện được gọi là nickel) chứa 75% đồng và 25% nickel ở dạng đồng nhất. Hợp kim gồm 90% đồng và 10% nickel, có độ chống ăn mòn đáng chú ý, được dùng trong nhiều ứng dụng có tiếp xúc với nước biển, tuy nhiên nó dễ bị ăn mòn do các hợp chất sulfua tồn tại trong các cảng và cửa sông bị ô nhiễm. Các hợp kim của đồng với nhôm (khoảng 7%) có màu vàng nhạt và được dùng trong trang trí. Shakudō là một hợp kim đồng được dùng làm trang trí ở Nhật chứa một tỉ lệ thấp vàng, khoảng 4–10%, nó có thể bị gỉ tạo ra màu xanh đậm hoặc màu đen.

Hợp chất

Các trạng thái ôxi hóa chung của đồng bao gồm trạng thái đồng (I) ít ổn định Cu⁺¹; và trạng thái ổn định hơn đồng(II), Cu⁺², chúng tạo thành các muối có màu lam hoặc lục-lam. Dưới các điều kiện không bình thường, trạng thái Cu⁺³ có thể được tạo ra.

Hóa đồng hữu cơ

Các hợp chất chứa liên kết cacbon-đồng được gọi là các hợp chất đồng-hữu cơ. Chúng phản ứng mạnh với ôxy tạo ra đồng(I) ôxit và có nhiều ứng dụng trong hóa học. Chúng được tổng hợp bằng cách cho phản ứng giữa các hợp chất đồng(I) với thuốc thử Grignard, terminal alkyne hay thuốc thử organolithi; đặc biệt, phản ứng cuối cùng được mô tả tạo ra thuốc thử Gilman. Các chất này trãi qua các phản ứng thay thế với alkyl halua tạo thành các sản phẩm kết hợp; do đó, chúng có vai trò quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ. Đồng(I) acetylua nhạy sốc cao trong các phản ứng như Cadiot-Chodkiewicz coupling và Sonogashira coupling. Conjugate addition vào enone và carbocupration của các alkyne cũng có thể đạt được các hợp chất đồng hữu cơ. Đồng(I) tạo ra một loạt các phức yếu với anken và cacbon monoxit, đặc biệt có mặt của các phức amine.