Đồng

Đồng (tiếng Anh: copper) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Cu (từ tiếng Latinh: cuprum), có số hiệu nguyên tử bằng 29. Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ. Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau.

Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng. Do đó, nó được con người sử dụng từ rất sớm khoảng 8000 TCN. Nó là kim loại đầu tiên được nung chảy từ quặng của nó vào khoảng 5000 TCN, kim loại đầu tiên được đúc thành khối vào khoảng 4000 TCN và kim loại đầu tiên được tạo thành hợp kim với các loại khác, là thiếc để tạo ra đồng điếu vào khoảng 3500 TCN.

Kim loại và các hợp kim của nó đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm. Trong thời kỳ La Mã, đồng chủ yếu được khai thác ở Síp, vì thế tên gọi ban đầu của kim loại này là сyprium (kim loại Síp), sau đó được gọi tắt là сuprum. Các hợp chất của nó thường tồn tại ở dạng muối đồng(II), chúng thường có màu xanh lam hoặc xanh lục của các loại khoáng như ngọc lam và trong lịch sử đã được sử dụng rộng rãi làm chất nhuộm. Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo ra màu xanh lục verdigris (hoặc patina).

Các ion đồng(II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ. Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn. Nơi tập trung đồng chủ yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương. Cơ thể người trưởng thành chứa khoảng 1,4 đến 2,1&nbsp;mg đồng trên mỗi kg cân nặng.

Tính chất
Vật lý
và khắc.]]

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.

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. 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

. Sự khác biệt giữa đồng được tân trang lại năm 2010 và màu lục nguyên thủy của đồng năm 1894 có thể thấy được rõ ràng.]]
Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái oxy 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 oxy trong không khí tạo thành một lớp oxide đồng màu nâu đen. Ngược lại với sự oxy hóa của sắt trong không khí ẩm, lớp oxide này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn. Một lớp màu lục của verdigris (Đồng(II) carbonat) 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 sulfide và sulfide phản ứng với đồng tạo ra các hợp chất đồng sulfide khác nhau trên bề mặt. Trong trường hợp phản ứng với sulfide, ăn mòn đồng diễn ra khi đồng tiếp xúc với không khí có chứa các hợp chất sulfide. Các dung dịch amoni chứa oxy có thể tạo ra một phức chất hòa tan trong nước với đồng, khi phản ứng với oxy và acid clohydric để tạo thành đồng chloride và hydro peroxide bị acid hóa để tạo thành các muối đồng(II). Đồng(II) chloride và đồng phản ứng với nhau tạo thành đồng(I) chloride.

Đồng vị

Đồng có 29 đồng vị.63Cu và 65Cu là đồng vị bền, với 63Cu chiếm khoảng 69% đồng có mặt trong tự nhiên; cả hai đều có spin 3/2. Các đồng vị còn lại có tính phóng xạ, trong đó đồng bị phóng xạ bền nhất là 67Cu với chu kỳ bán rã 61,83 giờ.

62Cu và 64Cu có những ứng dụng đáng chú ý.64Cu chất được sử dụng trong chụp hình tia-X, và dạng tạo phức với chelate có thể được dùng trong điều trị ung thư.62Cu được dùng trong 62Cu-PTSM là một phương pháp vết phóng xạ trong chụp cắt lớp bằng positron.

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&nbsp;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. và có thể được tổng hợp trong các ngôi sao có khối lượng lớn.

Sản xuất
ở Chile là một trong những mỏ đồng lộ thiên lớn nhất thế giới.]]

Hầu hết đồng được khai thác hoặc chiết tách ở dạng đồng sulfide 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. 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.

Phương pháp
Hàm lượng đồng trong quặng trung bình chỉ 0,6%, và hầu hết quặng thương mại là các loại đồng sulfide, đặc biệt là chalcopyrit (CuFeS2) và ít hơn là chalcocit (Cu2S). Nung vật liệu này với silica trong flash smelting để loại sắt ở dạng xỉ. Quá trình này khai thác dễ dàng chuyển sắt sulfide thành dạng oxide của nó, sau đó các oxide này phản ứng với silica để tạo ra xỉ silicat nổi lên trên khối nóng chảy. Sản phẩm tạo ra copper matte chứa Cu2S sau đó được roasted để chuyển tất cả các sulfide thành oxide:
:2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2
Oxide đồng được chuyển thành đồng blister theo phản ứng nung:
:2 Cu2O → 4 Cu + O2
Quá trình Sudbury matte chỉ biến đổi 1/2 sulfide thành oxide và sau đó sử dụng oxide này để loại phần sulfide còn lại thành oxide. Sản phẩm này sau đó đem điện phân.
This step exploits the relatively easy reduction of copper oxides to copper metal. Khí thiên nhiên được thổ qua blister để loại hầu hết oxy còn lại và áp dụng tinh chế điện (electrorefining) để tạo ra đồng tinh khiết:
:Cu2+ + 2 e– → Cu

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&nbsp;kg. Phần nhiều trong số này là ở các nước phát triển nhiều (140–300&nbsp;kg/người) hơn là các nước ít phát triển (30–40&nbsp;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 acid sulfuric.

Lịch sử
Thời đại đồ đồng đá

Đồng xuất hiện trong tự nhiên ở dạng đồng kim loại và đã được ghi chép trong các tư liệu của một số nền văn minh cổ đại, và nó có lịch sử sử dụng ít nhất là 9.000 năm TCN ở Trung Đông. Hoa tai bằng đồng đã được tìm thấy ở miền bắc Iraq có niên đại 8.700 năm TCN. Có bằng chứng cho thấy rằng vàng và sắt thiên thạch (không phải sắt nung chảy) là các kim loại duy nhất vào thời đó mà con người đã sử dụng trước khi xuất hiện đồng. Lịch sử nấu đồng được cho là theo các công đoạn sau: 1) làm cứng nguội đồng tự sinh, 2) Ủ luyện, 3) nung chảy, và 4) đúc mẫu chảy. Ở miền đông nam Anatolia, cả bốn kỹ thuật này đều xuất hiện trong khoảng đầu của thời đại đồ đá mới khoảng 7500 TCN.

Chỉ khi nông nghiệp được phát minh động lập ở nhiều nơi trên thế giới, đồng nung chảy cũng được phát minh ở nhiều nơi khác nhau. Có lẽ đồng được phát hiện ở Trung Quốc trước 2800 TCN, ở Trung Mỹ vào khoảng năm 600, và Đông Phi vào khoảng thế kỷ IX hay X. Đúc mẫu chảy được phát minh năm 4500–4000 TCN ở Đông Nam Á Người băng Ötzi, người đàn ông được định tuổi vào khoảng 3300–3200 TCN, được phát hiện có bọc sáp với đồng ở phần đầu đồng có đô tinh khiết 99,7%; làm lượng asen cao trong tóc nên người ta cho rằng ông có liên quan đến việc nấu chảy đồng. Các thí nghiệm với đồng hỗ trợ với việc phát hiện ra các kim loại khác; đặc biệt, đồng nấu chảy làm phát hiện ra nấu chảy sắt.
+1; và trạng thái ổn định hơn đồng(II), Cu+2,
:2 Cu2+ + 4 I− → 2 CuI + I2

Tạo phức
.]]
Đồng có khả năng tạo ra phức chất. Trong dung dịch lỏng, đồng(II) tồn tại ở dạng [Cu(H2O)6]2+. Phức này thể hiện tốc độ trao đổi với nước nhanh nhất (tốc độ các chất liên kết và tách liên kết với nước) trong bất kỳ phức nước-kim loại chuyển tiếp. Khi thêm dung dịch natri hydroxide vào sẽ tạo kết tủa chất rắn đồng(II) hydroxide có màu lam nhạt. Phương trình đơn giản là:
:Cu2+ + 2 OH− → Cu(OH)2

Dung dịch amonia cũng tạo kết tủa tương tự. Khi thêm lượng amonia dư, kết tủa này tan tạo thành tetramin đồng(II):
:Cu(H2O)4(OH)2 + 4 NH3 → [Cu(H2O)2(NH3)4]2+ + 2 H2O + 2 OH−
Nhiều oxyanion khác tạo thành các phức như đồng(II) axetat, đồng(II) nitrat, và đồng(II) cacbonat. Đồng(II) sunfat tạo các tinh thể pentahydrate màu lam, là hợp chất đồng phổ biến trong phòng thí nghiệm. Nó được dùng để diệt nấm được gọi là Hợp chất Bordeaux.
[[Tập tin:Tetraamminediaquacopper(II)-3D-balls.png|thumb|right|200px|Mỏ hình của phức [Cu(NH3)4(H2O)2]2+, minh họa cho cấu trúc bát diện phổ biến của đồng(II).]]

Polyol là hợp chất chứa nhiều hơn một nhóm chức alcohol, nhìn chung phản ứng với các muốn đồng(II). Ví dụ, các muối đồng được dùng để thử chất khử đường. Đặc biệt sử dụng thuốc thử Benedict và dung dịch Fehling có mặt đường được đánh dấu bằng màu của nó thay đổi từ xanh lam Cu(II) sang đỏ của đồng(I) oxide. Thuốc thử Schweizer và các phức liên quan với ethylenediamine và các amine tan trong cellulose. Các amino acid tạo thành các phức chelat rất bền với đồng(II). Các thử nghiệm hóa-ướt đối với các ion đồng tồn tại, nó liên quan đến kali ferrocyanua, tạo kết tủa với các muối đồng(II).

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 oxy tạo ra đồng(I) oxide 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 halide 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 Cadiod-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 monoxide, đặc biệt có mặt của các phức amine.

Đồng(III) và đồng(IV)
Đồng(III) thường được tìm thấy ở dạng xác oxide, ví dụ như kali cuprat, KCuO2 là chất rắn màu dương đen. Các hợp chất đồng(III) được nghiên cứu rộng rãi nhất là các chất siêu dẫn cuprat. Đồng ytri bari oxide (YBa2Cu3O7) có cả Cu(II) và Cu(III) nằm ở trung tâm. Giống như dạng oxide, fluoride là anion base cao và được dùng làm chất ổn định các ion kim loại ở các trạng thái oxy hóa cao. Cả đồng (III) và thậm chí đồng(IV) fluoride là tồn tại theo thứ tự ở dạng K3CuF6 và Cs2CuF6.

Một số protein đồng tạo các phức oxo đặc trưng cho đồng(III). Với các tetrapeptit, một phức đồng(III) có màu tía được ổn định hóa bởi các chất amit khử proton.

Các phức đồng(III) cũng được tìm thấy ở dạng trung gian trong các phản ứng của hợp chất đồng-hữu cơ.

Phòng ngừa

Mọi hợp chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là một chất dễ cháy. 30g đồng(II) sunfat có khả năng gây chết người. Đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 1&nbsp;mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được giặt giũ trong nước đó. Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 – 2&nbsp;mg/l. Mức cao nhất có thể chịu được về đồng theo DRI trong chế độ ăn uống đối với người lớn theo mọi nguồn đều là 10&nbsp;mg/ngày.

Tham khảo

Liên kết ngoài



WebElements.com – Copper
EnvironmentalChemistry.com – Copper
Copper Toxicity Syndrome
The Copper Page