銅離子

**銅**（拼音：tónɡ，注音：ㄊㄨㄥˊ；英語：Copper），俗稱**紅銅**或者**紫銅**，是最早發現的化學元素，化學符號為 **Cu**（源於拉丁語：Cuprum），原子序數為 29，原子量為 63.546 u。純銅是柔軟的金屬，表面剛切開時為紅橙色帶金屬光澤、延展性好、導熱性和導電性高，因此在電纜、電氣和電子元件是最常用的材料，也可用作建築材料，以及組成眾多種合金，例如用於珠寶的紋銀，用於製作船用五金和硬幣的白銅以及用於應變片和熱電偶的康銅。銅合金機械性能優異，電阻率很低，其中最重要的是青銅和黃銅。此外，銅也是耐用的金屬，可以多次回收而無損其機械性能。

銅是在自然界中可以直接使用的金屬的其中一種（天然金屬），這使得其在西元前 8000 年時被多個不同地區的的人們使用，在數千年之後，銅在西元前 5000 年成為首個從硫化礦石中冶煉出的金屬；在西元前 4000 年成為第一個在模具中塑形的金屬，更在西元前 3500 年與另一種金屬錫鍛造成了人類史的第一個合金 —— 青銅。在古羅馬時期，銅礦大多在賽普勒斯開採，同時也使這種金屬得到最初的名字 **Cyprium**（也就是賽普勒斯的金屬），之後演變為 **Cuprum**（拉丁語），而現在常用的 copper 則是於西元 1530 年前後第一次被使用。

銅在自然界中經常形成二價的銅鹽類，它們使藍銅礦、孔雀石和綠松石等礦物具有藍色或綠色，並且在歷史上也廣泛用作顏料。氧化成銅綠的銅經常被用在建築物的屋頂上。而有時銅也被用在裝飾藝術上，而且不管是元素型態或形成化合物的銅都會被利用。另外，銅化合物用作抑菌劑、殺真菌劑和木材防腐劑。

銅是所有生物所必需的微量膳食礦物質，因為那是呼吸酶複合體 - 細胞色素 c 氧化酶（cytochrome c oxidase）的重要組成成分。在軟體動物和甲殼類動物中，銅是組成血液色素血藍蛋白（blood pigment hemocyanin）的成分，而在魚類或其他脊椎動物中，則被鐵血紅蛋白複合體給取代。另外，在人體中，銅主要分布在肝臟、肌肉和骨骼中，而一般成人每公斤體重約含有 1.4 至 2.1 毫克的銅。

## 性質

### 物理性質

銅位於元素週期表第 11 族，同族的還有銀和金，這些金屬的共同特點有延展性高、導電性好。這些元素的原子最外層只有一個電子，位於 s 亞層，次外層電子 d 亞層全滿。原子間的相互作用以 s 亞層電子形成的金屬鍵為主，而全滿的 d 亞層的影響不大。與 d 亞層未滿的金屬原子不同，銅的金屬鍵共價成分不多，而且很弱，所以單晶銅硬度低、延展性高。 宏觀上，晶格中廣泛存在的缺陷（如晶界），阻礙了材料在外加壓力下的流動，從而使硬度增加。因此，常見的銅是細粒多晶，硬度比單晶銅更高。

銅不但柔軟，導電性（59.6×106S/m）、導熱性（401 W/(m・K)）也好，室溫下在金屬單質中僅次於銀。這是因為室溫下電子在金屬中運動的阻力主要來自於電子因晶格熱振動而發生的散射，而較柔軟的金屬散射則較弱。銅在露天環境下所允許的最大電流密度為 3.1×106 A/m2（橫截面），更大的電流就會使之過熱。像其他金屬一樣，銅和其他金屬並置會發生電化腐蝕。

銅是四種天然色澤不是灰色或銀色的金屬元素之一，另外三種是銫、金（黃色）和鋨（藍色）。純淨的銅單質呈橙紅色的，接觸空氣以後失去光澤而變紅。銅的這種特殊顏色是由於全滿的 3d 亞層和半滿的 4s 亞層之間的電子躍遷 —— 這兩個亞層之間的能量差正好對應於橙光。銫和金呈黃色也是這個原理。

### 化學性質

銅不和水反應，但和空氣中的氧氣緩慢反應，形成一層棕褐色的氧化銅，但和鐵暴露在潮濕空氣中形成鐵鏽不同，銅鏽能保護下面的銅免受進一步腐蝕。銅質建築物（如自由女神像）上常可見到一層銅綠（鹼式碳酸銅）銅接觸硫後因生成各種硫化物而失去光澤。銅的氧化態有 0、+1、+2、+3、+4，其中 + 1 和 + 2 是常見氧化態。+3 氧化態的有六氟合銅 (III) 酸鉀，+4 氧化態的有六氟合銅 (IV) 酸銫，0 氧化態的 Cu (CO)2 可通過氣相反應再用基質隔離方法檢測到。

銅容易被鹵素、互鹵化物、硫、硒腐蝕，硫化橡膠可以使銅變黑。銅在室溫下不和四氧化二氮反應，但在硝基甲烷、乙腈、乙醚或乙酸乙酯存在時，則生成硝酸銅：

　
: Cu + 2 N2O4 → Cu(NO3)2 + 2 NO

金屬銅易溶於硝酸等氧化性酸，若無氧化劑或適宜配位試劑的存在時，則不溶於非氧化性酸，如：

* 銅和硝酸的反應如下：

　
: 3 Cu + 8 HNO3（稀） → 3 Cu (NO3)2 + 2 NO↑ + 4 H2O

　
: Cu + 4 HNO3（濃） → Cu (NO3)2 + 2 NO2↑ + 2 H2O

* 和濃硫酸的反應為：

　
: Cu + 2 H2SO4（濃） → CuSO4 + SO2↑ + 2 H2O

　
: 和濃硫酸的反應產物還和溫度有一定關係。反應過程中硫酸逐漸變稀，直到反應停止。銅不能和稀硫酸反應，但是有氧氣存在時，按下式反應：

　
: 2 Cu + O2 + 2 H2SO4 —Δ→ 2 CuSO4 + 2 H2O

* 銅可溶於氯酸或經過酸化的氯酸鹽：

　
: 3 Cu + 6 H+ + ClO3− → 3 Cu2+ + Cl− + 3 H2O

* 存在硫脲時發生配位反應：

　
: 2 Cu + 6 S=C(NH2)2 +2 HCl → 2Cu(I)(S=C(NH2)2)3Cl + H2

* 和濃鹽酸反應形成配合物：

　
: 2 Cu + 8 HCl（濃） → 2 H3[CuCl4] + H2↑

銅在酸性條件下能和高鎝酸根離子反應，使高鎝酸根離子還原為單質鎝：

　
: 7 Cu + 2 TcO4- + 16 H+ → 2 Tc + 7 Cu2+ + 8 H2O

銅和硫化亞鐵加熱可以發生置換反應：

　
: 2 Cu + FeS → Cu2S + Fe

銅加熱可以和三氧化硫反應，主要反應有兩種：

　
: 4 Cu + SO3 → CuS + 3 CuO

　
: Cu + SO3 → CuO + SO2

　
: 銅在常溫下可溶於氨性過氧化氫中產生氫氧化四氨合銅

　
: Cu(s)＋4NH₃(aq)＋2H₂O(l)＋H₂O₂(aq)→Cu(NH₃)₄(H₂O)₂²⁺(aq)＋2OH⁻(aq)

銅在乾燥空氣中穩定，可保持金屬光澤。但在潮溼空氣中，表面會生成一層銅綠（鹼式碳酸銅，分子式：Cu2(OH)2CO3），保護內層的銅不再被氧化。反應方程式：

　
: 2 Cu + O2 + CO2 + H2O → Cu2(OH)2CO3

### 同位素

銅有 29 個同位素。63Cu 和 65Cu 很穩定，63Cu 在自然存在的銅中約占 69%；它們的自旋量子數都為 3/2。其他同位素都有放射性，其中最穩定的是 67Cu，半衰期 61.83 小時。已確定 7 個亞穩態核素的特性，其中 68mCu 半衰期最長，為 3.8 分鐘。質量數 64 以上的核素發生 β 衰變，質量數 64 以下的核素發生正電子發射。64Cu 兩種衰變都會發生，半衰期 12.7 小時。

62Cu 和 64Cu 有重要應用。62Cu 在 62Cu-PTSM 中用作正電子發射斷層掃描的放射性示蹤劑。

### 存在

銅在巨型恆星中生成，在地殼中豐度約為 50 ppm，存在形式為自然銅，硫化物礦（黃銅礦和輝銅礦和銅藍），硫代酸鹽礦物（砷黝銅礦和異銅），碳酸銅礦（藍銅礦和孔雀石），還有氧化亞銅礦（赤銅礦）跟氧化銅礦（黑銅礦 Tenorite （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））。已知的最大一塊單質銅重 420 噸，在 1857 年於美國密西根州凱韋諾半島發現。自然銅是一種多晶，記錄到的最大的單晶尺寸為 4.4×3.2×3.2 厘米。

## 生產

銅在地殼中的含量約為 0.01%。大部分銅都是從斑岩銅礦中露天開採提取的。這種銅礦含有 0.4% 到 1.0% 的銅。智利的丘基卡馬塔，美國猶他州的賓厄姆峽谷礦和美國新墨西哥州的奇諾礦就是這種銅礦。根據英國地質調查局（BGS）統計，2005 年智利銅礦產量最高，占到全球產量三分之一強，接下來是美國、印度尼西亞和秘魯。銅也可由原地浸出法開採，亞利桑那州的幾個銅礦是這種方法的首選。銅的使用量還在增加，而可開採量僅能滿足所有國家達到已開發國家的使用量。

### 儲量

銅的使用已有一萬年的歷史，但有 95% 的銅是在 1900 年後開採冶煉的，超過半數的銅是在近 24 年開採的。像很多自然資源一樣，銅在地球中的總儲量十分巨大（在距離地表一公里以內的地殼中約有 1014 噸，以現在的速度可開採五百萬年）。不過，以現在的技術水平和物價，這些儲量中只有一小部分在經濟上有開採價值。對現有可開採儲量的估計從 25 年到 60 年不等，這取決於對增長率等核心指標的假設。現在也有很大一部分銅來源於回收。未來銅的供求狀況是個頗有爭議的話題，其中涉及類似於哈伯特頂點的產量頂點。

銅價被認為是反映世界經濟的指標。銅價歷來波動很大，在 1999 年 6 月創下 0.60 美元每磅（1.32 美元每公斤）後便翻了六倍，升至 2006 年 5 月的 3.75 美元每磅（8.27 美元每公斤），到了 2007 年 2 月又降至 2.40 美元每磅（5.29 美元每公斤），到同年 4 月又反彈至 3.50 美元每磅（7.71 美元每公斤）。2009 年 2 月，全球需求疲軟和商品價格下跌使得銅價從一年前的高點回落至 1.51 美元每磅。

### 方法

銅礦的平均含銅量僅為 0.6%，商業銅礦主要是硫化物礦，特別是黃銅礦（CuFeS2），其次是輝銅礦（Cu2S）。礦石粉碎後經過泡沫浮選或生物浸出濃縮，含銅量提高至 10% 到 15%。然後把礦石與二氧化矽一起閃速熔煉，可把鐵轉化為礦渣除去。這個過程利用了鐵的硫化物更容易轉化成氧化物，然後和二氧化矽反應生成矽酸鹽礦渣漂浮在熱熔物表面的特點。生成的銅鋶成分為硫化亞銅，焙燒後轉化成氧化亞銅：

　
: 2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2

繼續加熱後氧化亞銅與硫化亞銅反應轉化為粗銅：

　
: 2 Cu2O + Cu2S → 6 Cu + 2 SO2

這種工藝只把一半的硫化物轉化成氧化物，生成的氧化物再把其餘的硫化物氧化後去除。所得產物經過電解精煉，陽極泥里所含的金和鉑還可利用。這一步利用了銅的氧化物容易還原成金屬單質的特點。先用天然氣在粗銅上吹以去除大部分剩餘的氧化物，然後再對產物進行電解精煉，得到純銅。

　
: Cu2+ + 2 e− → Cu

### 回收

銅像鋁一樣，不管是原材料還是在產品中，都能 100% 回收。按體積計算，銅的回收量僅次於鐵和鋁，排名第三。估計已開採出的銅有 80% 現在仍在使用。根據國際資源小組在《社會的金屬存量》報告估計，全球社會人均擁有 35 到 55 公斤銅可以使用，其中已開發國家人均擁有量較高（140 到 300 公斤），而欠已開發國家人均擁有量較低（30 到 40 公斤）。

銅的回收過程和開採過程基本相同，但步驟更少。高純度的廢銅在熔爐中熔化、還原、然後鑄造成坯和錠。低純度的廢銅通過在硫酸中電鍍的方法精煉。

## 合金

銅合金種類眾多，用途重要。黃銅是銅鋅合金。青銅通常指銅錫合金，但也可指鋁青銅等其他銅合金。在珠寶業中，銅是克拉金、克拉銀等合金的重要組分之一，也用於克拉金的焊料，能改變合金的顏色、硬度和熔點。

銅和鎳的合金稱為白銅，用於小面額硬幣，常用作包層。5 美分硬幣（nickel）含 75% 銅，25% 鎳，為勻質材料。90% 銅和 10% 鎳的合金抗腐蝕性能優異，用於各種接觸海水的零件部位。銅鋁合金（約含 7% 鋁）呈金色，用於裝飾，令人賞心悅目。有些不含鉛的焊料就是錫和一小部分銅等其他金屬的合金。

## 化合物

銅化合物種類繁多，其最常見的氧化數是 + 1 和 + 2，分別稱為亞銅（cuprous）和銅（cupric）。

### 簡單化合物

和其他元素一樣，銅能夠形成二元化合物，即只有兩種元素組成的化合物，主要有氧化物、硫化物和鹵化物。氧化物有氧化亞銅和氧化銅，硫化物有很多種，其中硫化亞銅和硫化銅較為重要。

銅的一價鹵化物有氯化亞銅、溴化亞銅和碘化亞銅，二價鹵化物有氟化銅、氯化銅和溴化銅。若嘗試製備碘化銅，則會得到碘化亞銅和碘單質。

　
: 2 Cu2+ + 4 I− → 2 CuI + I2

銅的其它簡單化合物有硫酸銅、硝酸銅、乙酸銅、四氟硼酸銅等，這些化合物都有藍色調（乙酸銅藍綠）。不溶的有氫氧化銅、氫氧化亞銅、鹼式碳酸銅等。

### 配合物化學

和其他金屬一樣，銅和其他配體形成配合物。在水溶液中的二價銅以 [Cu (H2O)6]2+ 離子存在，在過渡金屬水合絡合物中具有最大的水分子交換速率（即水分子配體結合和分離的速率）。加入氫氧化鈉後形成亮藍色的氫氧化銅沉澱。反應方程式可簡單寫成：

　
: Cu2+ + 2 OH− → Cu(OH)2

加入氨水會發生類似反應。氨水過量時沉澱溶解，生成氫氧化四氨合銅：

　
: Cu(H2O)4(OH)2 + 4 NH3 → [Cu(H2O)2(NH3)4]2+ + 2 H2O + 2 OH−

銅也可以和其他含氧酸根離子形成配合物，如乙酸銅、硝酸銅和碳酸銅。硫酸銅可生成五水合物的藍色晶體，是實驗室中最常見的銅化合物，還用於殺真菌劑波爾多液。

多元醇（即含有多於一個羥基的有機化合物）一般都能與銅鹽反應。例如，銅鹽能用於檢驗還原糖。特別是本內迪克特試劑和斐林試劑在有糖存在的情況下會變色，從藍色的二價銅變為紅色的氧化亞銅。施魏策爾試劑和其他相關的乙二胺等胺配合物能溶解纖維素。胺基酸能與二價銅形成螯合物。有很多液相檢驗二價銅離子的方法，如亞鐵氰化鉀與二價銅鹽生成棕色沉澱。

### 有機銅化學

有機銅化合物是含有碳銅鍵的化合物。它們容易和氧氣反應，生成氧化亞銅，在化學中有很多用途。這種化合物可由一價銅和格氏試劑、末端炔烴或有機鋰化合物反應生成，特別是最後一個反應會生成吉爾曼試劑。這些試劑能和鹵代烷烴發生取代反應形成偶聯化合物，因此在有機合成中很重要。乙炔銅對震動高度敏感，是卡迪奧 - 肖德凱維奇偶聯反應和薗頭耦合反應的中間產物。有機銅化合物還能對不飽和醛酮進行親核共軛加成，以及對炔烴進行親核加成。一價銅能與烯烴和一氧化碳形成多種結合較弱的配合物，特別是當有氨作為配體時。

### 三價銅和四價銅

三價銅通常以氧化物方式存在，例如藍黑色固體銅 (III) 酸鉀。研究最深入的三價銅化合物是含銅 (III) 酸根的高溫超導體。釔鋇銅氧就含有二價和三價的銅。像氧離子一樣，氟離子也有很強的鹼性，能穩定金屬離子的較高價態。確實有三價銅和四價銅的氟化物，如六氟合銅 (III) 酸鉀和六氟合銅 (IV) 酸銫。

一些含銅的蛋白質含有三價銅，與氧配體相結合。四肽中未結合質子的醯胺配體能穩定三價銅，形成紫色配合物。

## 歷史

### 紅銅時代

有記載的最古老的幾個文明知道自然界中存在著自然銅，其應用有至少一萬年的歷史。據估計，銅最早在公元前 9 千年的中東發現，在伊拉克北部出土了 8700 年前的銅質墜飾。有證據顯示在此之前人類使用的金屬只有金和隕鐵（但沒有煉鐵）。據信煉銅的歷史發展順序如下：（1）自然銅的冷加工、（2）退火、（3）冶煉、（4）失蠟法鑄造。在東南安那托利亞，這四種冶金方式在公元前 7500 年的新石器時代初期幾乎同時出現。不過，煉銅在世界各地獨立出現，就像農業一樣。公元前 2800 年以前的中國，公元後 600 年的中美洲，公元後九至十世紀的非洲都可能已經發現銅的冶煉方法。熔模鑄造發現於公元前 4500 到 4000 年的東南亞。碳測年確定英國柴郡的阿爾德利埃奇在公元前 2280 年到 1890 年已經有銅的開採。生活在 3300 到 3200 年前的冰人奧茨出土時帶有一把斧子，斧頭是 99.7% 純的銅，另外他的頭髮砷含量很高，這表明他從事過銅的冶煉。銅的使用經驗有助於開發其他金屬為己所用，特別是煉銅使人類發明了煉鐵。位於現在密西根州和威斯康辛州的舊紅銅文明群在公元前 6000 到 3000 年之間就在生產銅。

### 青銅時代

在發明煉銅之後的 4000 年，人類開始把銅和錫熔煉成合金，是為青銅。溫查文明在公元前 4500 年就出現了青銅器。蘇美爾和古埃及的青銅器出現在公元前 3000 年。東南歐的青銅時代在公元前 3700 到 3300 年開啟，西北歐則在公元前 2500 年開啟。後來，近東在公元前 2000 到 1000 年進入鐵器時代，北歐則是公元前 600 年。

銅是古代就已經知道的金屬之一。一般認為人類知道的第一種金屬是金，其次就是銅。銅在自然界儲量非常豐富，並且加工方便。銅是人類用於生產的第一種金屬，最初人們使用的只是存在於自然界中的天然單質銅，用石斧把它砍下來，便可以錘打成多種器物。隨著生產的發展，只是使用天然銅製造的生產工具就不敷應用了，生產的發展促使人們找到了從銅礦中取得銅的方法。

含銅的礦物比較多見，大多具有鮮艷而引人注目的顏色，例如：金黃色的黃銅礦 CuFeS2，鮮綠色的孔雀石 CuCO3Cu(OH)2，深藍色的石青 2CuCO3Cu(OH)2，赤銅礦 Cu2O，輝銅礦 Cu2S 等，把這些礦石在空氣中焙燒後形成氧化銅 CuO，再用碳還原，就得到金屬銅。反應方程式：

　
: ${\rm {2CuO+C{\xrightarrow {\Delta }}2Cu+CO_{2}\uparrow }}$

，另外，斑銅礦也是很常見的銅礦石。

純銅製成的器物太軟，易彎曲。人們發現把錫摻到銅裡去，可以製成銅錫合金──青銅。青銅比純銅堅硬，使人們製成的勞動工具和武器有了很大改進，人類進入了青銅時代，結束了人類歷史上的新石器時代。

## 應用

* 銅的價格在 10~5 美元每千克（相比較銀 850-550 美元每千克）。
* 銅的最普遍用途在於製造電線，通常現時所用的電線都是由純銅製成，這是因為它的導電性和導熱性都僅次於銀，但卻比銀便宜得多。而且銅很容易加工，透過熔解、鑄造、壓延等工序改變形狀，便可製成汽車零件以及電子零件。這些經過加工的銅製品，統稱為「伸銅品」。

而銅可用於製造多種合金，銅的重要合金有以下幾種：

* 黃銅 
黃銅是銅與鋅的合金，因色黃而得名。黃銅的機械性能和耐磨性能都很好，可用於製造精密儀器、船舶的零件、槍炮的彈殼、水龍頭等。黃銅敲起來聲音好聽，因此鑼、鈸、鈴、號等樂器都是用黃銅製做的。
* 航海黃銅 
銅與鋅、錫的合金，抗海水侵蝕，可用來製作船的零件、平衡器。
* 青銅 
銅與錫的合金叫青銅，因色青而得名。在古代為常用合金 (如中國的青銅時代)。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優良的機械性能，且硬度大。用於製造精密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件以及各種板材、管材、棒材等。青銅還有一個反常的特性 ——「熱縮冷脹」，用來鑄造塑像，冷卻後膨脹，可以使眉目更清楚。
* 磷青銅 
磷青銅是銅、錫與磷的合金，其中含有錫 2%-8%，含有磷 2-8%，其餘成分余為銅。堅硬，可製彈簧。鑄件可用於齒輪、蝸輪、軸承等機械部件。
* 白銅 
白銅是銅與鎳的合金，其色澤和銀一樣，銀光閃閃，不易生銹。常用於製造硬幣、電器、儀錶和裝飾品。
* 十八開金（18K 金或稱玫瑰金） 
6/24 的銅與 18/24 的金的合金。紅黃色，硬度大，可用來製作首飾、裝飾品。

## 銅對人體的影響

銅的離子 (銅質) 對生物而言，不論是動物或植物，是必需的元素。人體缺乏銅會引起貧血，毛髮異常，骨骼和動脈異常，以至腦障礙。但如過剩，會引起肝硬化、腹瀉、嘔吐、運動障礙和知覺神經障礙。

一般來說，牛肉、葵花籽、可可、黑椒、羊肝、螺旋藻、牡蠣等等都有豐富的銅質。

正常人體內含銅 100-200 毫克，約 50%-70% 存在肌肉及骨骼，20% 存在肝臟，5％-10％分佈於血液。從食物吸收的銅進入肝門靜脈（Hepatic portal vein），在血漿中銅與白蛋白（Albumin，ALB）形成鬆散的結合，運送至肝臟內儲存與供體內利用。肝中合成原血漿銅藍蛋白（apoceruloplasmin），與銅牢固結合形成血漿銅藍蛋白（ceruloplasmin），約佔成人血漿銅的 95%，釋入血漿運送全身。

在失眠的人群中，顯示有過量銅的跡象。

## 世界 10 大銅消費國之消費量

單位：千公噸

## 參考文獻

## 延伸閱讀

[編]

　
: 《欽定古今圖書集成・經濟彙編・食貨典・銅部》，出自陳夢雷《古今圖書集成》

## 外部連結

* 元素銅在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 銅（英文）
* 元素銅在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素銅在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 銅（英文）