با فلز مس، قدیمی‌ترین فلز مورد استفاده انسان آشنا شوید

فهرست مقاله

بسیاری از افراد به دلیل ویژگی‌های رنگ و ظاهر فلز مس، این عنصر را شناخته‌اند. مس، به عنوان یکی از مهم‌ترین فلزاتی که در صنایع مختلف به کار می‌رود، از خواص ضد زنگ برخوردار است و دارای قابلیت رسانایی حرارت و الکتریسیته‌ای بالایی است. این فلز با نماد شیمیایی Cu که از کلمه لاتین “cuprum” گرفته شده، در جدول تناوبی قرار دارد. مس یک ماده جامد و غیرقابل احتراق است و تاریخچه‌ی آن به همراه انواع و آلیاژهای مختلف آن را مورد بررسی و بحث قرار می‌دهیم.

تاریخچه فلز مس

فلز مس، یکی از نخستین عناصری است که انسان از آن بهره‌مند شده و تاریخچه‌ی آن به حدود ۱۰ هزار سال پیش برمی‌گردد. در دورهٔ باستانی مصر، مس به عنوان نمادی از قدرت و ارجمندی، به خصوص برای فرعون و سایر حکمرانان، شناخته می‌شد. آن‌ها معتقد بودند که استفاده از مس می‌تواند زمینه‌ای برای جاودانگی و ابدیت حکومتشان فراهم کند، از این رو به وسیله‌ی این فلز، مواردی همچون سفینه‌سازی، ساختمان‌سازی، و زینت‌سازی را به انجام می‌رساندند. این اعتقادات و استفاده‌ها نشان از اهمیت فراوانی است که مس در فرهنگ‌ها و تمدن‌های گذشته داشته است و نقش بسزایی در تحولات تاریخی بشریت داشته است.

همچنین، در دوران باستان، اولین استخراج مس از معادن و مخازن آن در جزیره قبرس توسط رومیان انجام شد و از این فلز برای مصارف مختلف استفاده نمودند. ایرانیان نیز از هزاران سال پیش از مس و انواع آلیاژهای آن برای ساخت ظروف، ابزارها و محصولات تزیینی مختلف بهره‌مند بودند. با کشف نمونه‌هایی از این محصولات در مناطق مختلف همچون شهر سوخته، سیلک و دیگر نقاط، به دستاوردهای مهمی درباره‌ی تاریخچه و فرهنگ این اجتماعات دست یافته‌ایم. به دلیل ماندگاری بالای مس در زیر زمین، بسیاری از ظروف و ابزارهای کشف شده به شکل سالم و کامل به دست ما رسیده‌اند، که این امر به ما اجازه می‌دهد تا نگرانی درباره‌ی از دست رفتن جزئیات مهم از زندگی و فرهنگ باستانی را کاهش دهیم.

به دلیل ویژگی‌های مثبت و منحصر به فرد این فلز، به‌علاوه آلیاژهایی همچون برنز و برنج، استفاده از مس به‌طور فراگیر در طول قرون وسطی و پس از آن ادامه یافت. این فرآیند، به طور مستقیم در توسعه و پیشرفت فراگیر صنایع مختلف تأثیر گذاشت، به‌طوری‌که در دوران انقلاب صنعتی، مس نقش بسیار مهمی در پیشبرد و پیشرفت تکنولوژی و صنایع گوناگون داشت.

فرمول شیمیایی مس

در جدول تناوبی فلزات، یک بخش مخصوص به نام فلزات واسطه وجود دارد که در آن فلزاتی قرار می‌گیرند که ویژگی‌ها و خواصی را از هر دو گروه فلز آلکالین و فلزات فلزآلیاژی به ارث برده‌اند. فلز مس که با نماد (Cu) نمایش داده می‌شود و از نام لاتین آن “cuprum” گرفته شده است، یکی از این فلزات واسطه است که در این بخش از جدول قرار دارد. عدد اتمی این عنصر برابر با ۲۹ است که با از دست دادن الکترون، می‌تواند یون‌های مس با بار ۱+ تا ۳+ ایجاد کند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود مس در مخازن الکترولیتی و پروسه‌های شیمیایی متنوعی مورد استفاده قرار گیرد و نقش مهمی در صنایع مختلف داشته باشد.

این فلز، که به نام اصلی و معروف خود با رنگ قرمز شناخته می‌شود، جزء فلزاتی است که به ساختار نسبتاً نرمی معروف است و از خاصیت بسیار مهم شکل‌پذیری برخوردار است. یکی از ویژگی‌هایی که برای تشخیص مس اهمیت دارد، رنگ شعله‌ای آن است. وقتی که فلز مس یا ترکیبات مس‌دار را به شعله‌ای خورشیدی می‌گذاریم، آن رنگ به سبزی مایل به آبی تغییر می‌کند که این ویژگی به شناسایی مس بسیار کمک می‌کند. علاوه بر این، مس از خواص رسانایی گرمایی و الکتریکی بالایی برخوردار است؛ به طوری که پس از نقره، بیشترین رسانایی الکتریکی را از خود نشان می‌دهد.

پیشنهاد سایت : معرفی بهترین ورق فلزی برای کابینت

حالات مختلف عنصر مس در طبیعت

فلزات در انواع مختلف و با ساختارهای گوناگونی در طبیعت یافت می‌شوند. این فلزات به دلیل خاصیت بالای اکسیدشوندگی که بیشتر آن‌ها دارند، معمولاً به صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شوند و با ترکیب با عناصر دیگر موجود در محیط، ترکیبات مختلفی را ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، فلز مس که یکی از فلزات پرکاربرد است، معمولاً به صورت سنگ‌های اکسیده، کربناتی یا سولفوره در طبیعت یافت می‌شود. این وجود متنوع فلزات در طبیعت، تنوع و پیچیدگی روند استخراج و استفاده از آن‌ها را افزایش می‌دهد و در نهایت به تنوع صنایع و فناوری‌های مختلف منجر می‌شود.

این فلز، به عنوان یکی از عناصر مهم و فراوان در پوسته زمین شناخته می‌شود و بیشتر به صورت مواد معدنی نظیر پیریت مس یا کالکوپیریت (CuFeS2) در معادن یافت می‌شود. ایران از جمله کشورهایی است که دارای یکی از بزرگترین ذخایر مس در سطح جهان می‌باشد، و این امر به آن کمک کرده است تا در عرصه صنعت مس‌کاری و تولید این فلز اساسی، نقش بسیار مهمی را ایفا کند.

استخراج فلز مس از معدن

برای استخراج مس از کانی‌های سولفیدی آن، از یک روش پیچیده و مؤثر به نام تغلیظ استفاده می‌شود. در این فرایند، ابتدا کانی‌های سولفیدی به دماهای بسیار بالا گرما داده می‌شوند تا بخشی از آن‌ها به شکل اکسید تبدیل شود. این مرحله باعث می‌شود که ترکیبات سولفید و اکسید مس جدا شده و فلز مس آزاد شود. علاوه بر این، در حین این فرایند تغلیظ، فلزات و عناصر دیگری نیز از کانی‌های معدنی جدا می‌شوند؛ به عنوان مثال، سیلیکات آهن که به دلیل وزن سبک، بر روی مس مذاب حاصله قرار می‌گیرد و در نهایت جدا شده و به دست می‌آید. این فرایند پیچیده و دقیق، یکی از مهم‌ترین مراحل در فرآیند استخراج مس محسوب می‌شود و نقش بسیار حیاتی در تولید مس ایفا می‌کند.

در این روند، یک ماده دیگر به نام گاز دی‌اکسید گوگرد تولید می‌شود که به دلیل خصوصیات سمی و ضررآوری که دارد، می‌تواند برای سلامتی افراد بسیار مخرب باشد.

مضرات گاز دی اکسید گوگرد حاصل از استخراج مس

یکی از مسائل بحث‌برانگیز برای فعالان حوزه محیط زیست، مرتبط با آثار زیانبار ناشی از دی‌اکسید گوگرد که به دلیل فعالیت‌های معدنی به محیط زیست رها می‌شود، می‌باشد. این گاز دارای بوی نامطبوع و برای سلامتی انسان‌ها مضر است. همچنین، اگر غلظت این گاز در محیط زیاد شود، ممکن است به خشک شدن گیاهان در فواصلی تا شعاع چند کیلومتر اطراف محل استخراج منجر شود.

یک مسئله دیگری که باید به آن توجه داشت، ایجاد باران‌های اسیدی به دلیل حضور گاز دی‌اکسید گوگرد است. این گاز در هوا به دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود که به علت واکنش با رطوبت هوا، باعث تولید اسید سولفوریک می‌شود و در نهایت، باعث بارش‌های اسیدی می‌شود.

بنابراین، برای کنترل و تطهیر گاز SO2، تدابیر متعددی انجام می‌شود. از جمله این تدابیر، می‌توان به استفاده از کربن گداخته به منظور تبدیل این گاز به گوگرد اشاره کرد.

تصفیه مس

همانطور که اشاره شد، در فرآیند تغلیظ مس، اقلام متعددی استخراج می‌شوند که شامل نقره، طلا، آهن، روی، سرب، آرسنیک، گوگرد، اکسید مس و سیلیکات آهن می‌شود. با وجود این تنوع از ناخالصی‌ها، فلز مس نمی‌تواند خواص فیزیکی خود را در سطح بالاترین کیفیت نشان دهد؛ از این رو، ضروری است که مس را خالص کنیم.

به منظور انجام این فرآیند، ابتدا مس مذاب را در تماس با هوا قرار می‌دهند تا آرسنیک و گوگرد موجود در آن از بین برود. برای حذف سایر ناخالصی‌ها، از فرآیند تصفیه الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. در این روش، تیغه‌های مس خالص به عنوان کاتد عمل می‌کنند. همچنین، مخلوطی از اسید سولفوریک رقیق، کلرید مس و سولفات مس به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لجن آندی و شمش کاتدی

تصفیه مس از طریق فرآیند الکتروشیمیایی با بهره‌گیری از خاصیت الکتروپوزیتیویته فلزات انجام می‌شود. در واقع، الکتروپوزیتیویته به میزانی از تمایل عنصر فلزی به از دست دادن الکترون و تشکیل یون با بار مثبت اشاره دارد. هر چه میزان الکتروپوزیتیویته بیشتر باشد، ویژگی‌های فلزی مربوطه نیز بیشتر و قوی‌تر خواهد بود.

با توجه به این نکته، فلزاتی همچون آهن، روی و سرب که دارای خاصیت الکتروپوزیتیویته بیشتری نسبت به سایر فلزات هستند، در فرایند الکتروشیمیایی به ایون‌ها تبدیل می‌شوند. اما عناصر دیگر مثل نقره و طلا به دلیل ویژگی‌های خود، در پایین ترین نقطه ظرف جمع می‌شوند و منجر به ایجاد یک لایه لجن آندی می‌شوند. در این مرحله، مس خالص به عنوان شمش کاتدی در زیر سطح ایجاد می‌شود. خلوص این مس تولیدی به حدود 99.9 درصد می‌رسد.

انواع فلز مس و آلیاژ های مختلف آن

فلز مس پس از عبور از فرآیند تصفیه، دارای خلوص بسیار بالایی است که معمولاً بیشتر از 99 درصد است. به عنوان مثال، کارخانه مس سرچشمه توانایی تولید مس خالص با خلوص 99.9 درصد را داراست. همچنین، درصد خلوص برخی از آلیاژهای مس معمولاً در حدود 96 تا 99 درصد قرار دارد. در این آلیاژها به طور معمول از فلزاتی مانند نقره استفاده می‌شود.

یکی از آلیاژهای مس که از آن به عنوان یکی از معروف‌ترین آلیاژهای مس یاد می‌شود، آلیاژ فلز برنج است. این آلیاژ از ترکیب مس و روی به وجود می‌آید و دارای رنگ زردی با پوشیدگی درخشان است. از ویژگی‌های جالب این آلیاژ می‌توان به مقاومت بالا در برابر خوردگی و خواص مکانیکی مطلوب آن اشاره کرد. علاوه بر این، برای بهبود خصوصیات آلیاژ برنج، ممکن است از عناصری مانند آهن، آلومینیوم، نیکل و سیلیسیم استفاده شود.

افزودنی‌های فلز برنج

از آنجا که به مس عناصر مختلفی افزوده می‌شوند تا آلیاژ برنج تولید شود، ویژگی‌های برتری به این محصول افزوده می‌شود. این ویژگی‌ها شامل بهبود قابلیت ماشین‌کاری و کاهش فرایند سایش محصولات است. به عنوان مثال، حضور سرب در این ترکیب، قابلیت ماشین‌کاری را افزایش می‌دهد. همچنین، عناصری مانند آلومینیوم، آهن، منگنز و سیلیسیم نیز به استحکام و مقاومت محصول نهایی کمک می‌کنند.

برنز چیست و چه آلیاژ هایی دارد؟

احتمالاً این سوال برای شما پیش آمده که چرا در مدال‌های مسابقات ورزشی از یک فلز به نظر کم‌ارزش مانند برنز استفاده می‌شود؟ در واقع، پاسخ به این سوال به این باز می‌گردد که برنز از گذشته به عنوان یکی از فلزات ارزشمند شناخته شده است. به همین دلیل، در رقابت‌های ورزشی قدیمی مانند المپیک، از این فلز به عنوان جایزه استفاده می‌شد.

در تشکیل برنز، از ترکیب مس و قلع بهره گرفته شده است. قلع نسبت به روی که در آلیاژ برنج استفاده می‌شود، هزینه‌ی بیشتری دارد؛ این امر باعث افزایش ارزش این فلز می‌شود. اما تفاوت‌ها و مزایای برنز، مس و برنج تنها در این مورد ختم نمی‌شود. برنز دارای رنگی قهوه‌ای با طیفی از قرمزگونه است و برای تولید محصولات تزیینی مختلف از کارآیی بسیاری برخوردار است.

بی‌تردید، برنز نیز از ترکیبات متنوعی تشکیل شده است که شامل موارد زیر می‌شود:

1. برنز فسفری که ترکیب شیمیایی Cu-Sn-P را دارد. این نوع برنز معمولاً برای مواردی که نیاز به مقاومت بالا در برابر فرسایش و خستگی دارند، استفاده می‌شود.

2. برنز فسفری سرب دار که دارای ترکیب شیمیایی Cu-Sn-Pb-P است. این نوع برنز عمدتاً برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش و فشار دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3. برنز آلومینیومی که ساختار Cu-Al را دارد. این نوع برنز به دلیل خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی و حرارت، برای کاربردهایی که در محیط‌های خشک و گرم قرار می‌گیرند، مناسب استفاده است.

4. برنز سیلیسیومی یا Cu-Si که از ترکیب مس و سیلیسیم تشکیل شده است. این نوع برنز معمولاً برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر فشار و دما دارند، استفاده می‌شود.

اثر اسیدها بر روی فلز مس

تأثیر مختلف انواع اسیدها بر رفتار فلز مس در آزمایش‌ها مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. یکی از این آزمایش‌ها مربوط به استفاده از اسید هیدروکلریک در غلظت‌های مختلف بود که نتایج نشان داد این اسید تأثیر چندانی بر رفتار مس ندارد. در آزمایش دیگری، از اسید سولفوریک با دو غلظت مختلف، رقیق و غلیظ، بر روی مس استفاده شد. در این آزمایش، مشاهده شد که غلظت رقیق این اسید نیز هیچ تأثیر خاصی بر رفتار مس نداشت؛ اما با افزایش غلظت و به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی، مس در محلول غلیظ اسید سولفوریک حل شد؛ این واکنش مشابه بازتابی است که اسید نیتریک بر روی مس دارد. در آزمایش بعدی، از اسید هیدروسیانیک استفاده شد که منجر به آزاد شدن هیدروژن می‌شود.

برخی از کاربردهای مس و آلیاژهای آن

با توجه به ویژگی‌های متعددی که فلز مس دارا است، از آن در صنایع گوناگون و برای تولید محصولات مختلف استفاده می‌شود. فلز مس به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردش، جایگاه مهمی در صنایع مختلف دارد. برخی از موارد مصرف مس عبارتند از:

1. تولید انواع سیم و لوله‌های مسی که در انتقال برق و ایجاد اتصالات برقی استفاده می‌شوند.
2. ساخت تجهیزات و تزیینات مربوط به خانه از جمله دستگیره‌های درب، مجسمه‌ها، ظروف آشپزخانه و وسایل سفره‌خانه.
3. تولید سازه‌های موسیقی از جمله گیتارها، ویولن‌ها و درام‌ها که از خواص صوتی مس برای تولید صدا استفاده می‌کنند.
4. استفاده گسترده در صنایع لامپ‌سازی برای ساخت قطعات الکتریکی داخل لامپ‌های روشنایی.
5. استفاده از آهنرباهای الکتریکی در محصولات الکترونیکی و دستگاه‌های الکتریکی.
6. تولید موتورهای الکترومغناطیسی که در بسیاری از دستگاه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شوند، از جمله خودروها و قطارها.
7. استفاده از تقویت‌کننده‌های الکتریکی برای افزایش قدرت سیگنال‌های الکتریکی در مدارهای الکترونیکی.
8. تولید اجزا مربوط به دستگاه‌های مایکروویو برای استفاده در آشپزخانه و صنایع غذایی.

مصارف برقی فلز مس

در صنعت برق، مس به عنوان یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان به شمار می‌رود؛ این به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی است که این فلز داراست. مس، به دلیل خاصیت رسانایی مناسب و همچنین قیمت اقتصادی‌تر نسبت به سایر فلزات مانند نقره، در اولویت استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، ویژگی فرم‌پذیری بالای مس باعث می‌شود که به راحتی به اشکال مختلف قالب‌بندی شود، که این امر در تولید سیم‌ها و مفتول‌های متنوع بسیار موثر است. در پایان، نکته حائز اهمیتی که باید به آن توجه کرد این است که مس، به صورت عایق‌بندی شده یا نشده، قابل استفاده برای انتقال برق در ولتاژهای متنوع می‌باشد.

با گذشت زمان، مس به عنوان یکی از قدیمی‌ترین فلزات مورد استفاده انسان برای تولید ابزارها و محصولات مختلف شناخته شده است. این فلز، به تنهایی یا در ترکیب با سایر عناصر، در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد. برنز و برنج به‌عنوان نمونه‌هایی از ترکیبات مس به‌منظور بهبود خواص و عملکرد مس در محصولات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. امیدوارم که با مطالعه این متن، اطلاعات کاربردی و مفیدی درباره مس و کاربردهای آن در صنایع مختلف را کسب کنید، همچنین با روش‌های استخراج و پردازش این فلز آشنا شوید.