مشخصات فلز مس

مس ( copper ) یک عنصر شیمیایی با نماد cu و با قابلیت انعطاف پذیری و رسانایی حرارتی – الکتریکی بسیار بالا است.این عنصر به عنوان مصالح ساختمانی و ماده سازنده آلیاژهای فلزی مختلف از قبیل نقره استرلینگ مورد استفاده قرار می گیرد.

مس دارای خواص شیمیایی فلزات انتقالی است، دارای حالت‌های اکسیداسیون ۱+ و ۴+ است، ترکیبات آن رنگی، با عدد اتمی ۲۹ و جرم اتمی ۵۴۶/ ۶۳ است. خواص فیزیکی متنوع شامل عیار مس ، میزان ناخالصی های طبیعی یا باقیمانده مواد افزوده که در مرز دانه های محلول جامد یا فازهای مجزا تشکیل داده است؛ پیش تصفیه مکانیکی و گرمایی فلز که منجر به حالت هایی مانند مس ریخته گری، مس لوله ای داغ و مس سخت، مس قالب گیری، مس تف جوش می شود، از دیگر ویژگی های فلز مس است. برای خرید فلز مس و مشاهده قیمتها در سایت بازار فلزات ایران کلیک کنید.

این عنصر یکی از معدود فلزاتی است که در طبیعت به شکل فلزی قابل استفاده وجود دارد. به همین دلیل در طول تاریخ در مناطق مختلف توسط انسان ها مورد استفاده قرار گرفته است. البته این مسئله نه تنها به دلیل منابع فراوان آن در طبیعت بلکه به دلیل خواص عالی آن است. در حال حاضر این فلز در برق ، الکترونیک ، انرژی ، پتروشیمی ، حمل و نقل ، ماشین آلات ، متالورژی و سایر صنایع جدید و برخی از زمینه های پیشرفته کاربرد دارد.

کشورهای تولیدکننده فلز مس

 

فهرست کشورهای تولیدکننده مس
رتبه	کشور	رتبه	کشور	رتبه	کشور	رتبه	کشور	رتبه	کشور
۱	شیلی	۲	ایالات متحده	۲۵	هند	۲۶	ترکیه	۴۹	آلبانی
۳	پرو	۴	چین	۲۷	بوتسوانا	۲۸	برمه
۵	استرالیا	۶	اندونزی	۲۹	پاکستان	۳۰	ارمنستان
۷	روسیه	۸	کانادا	۳۱	فیلیپین	۳۲	گرجستان
۹	زامبیا	۱۰	لهستان	۳۳	فنلاند	۳۴	رومانی
۱۱	قزاقستان	۱۲	ایران	۳۵	کره شمالی	۳۶	ویتنام
۱۳	گینه نو	۱۴	آرژانتین	۳۷	صربستان	۳۸	اسپانیا
۱۵	برزیل	۱۶	کنگو	۳۹	مقدونیه	۴۰	نامیبیا
۱۷	مغولستان	۱۸	مکزیک	۴۱	موریتانی	۴۲	مراکش
۱۹	ازبکستان	۲۰	بلغارستان	۴۳	تانزانیا	۴۴	زیمبابوه
۲۱	آفریقای جنوبی	۲۲	سوئد	۴۵	ژاپن	۴۶	قبرس
۲۳	پرتغال	۲۴	لائوس	۴۷	عربستان سعودی	۴۸	کلمبیا

تاریخچه مس در جهان و ایران

ویژگی های فلز مس

مس ، نقره و طلا در گروه ۱۱ جدول تناوبی قرار دارند. این سه فلز دارای خاصیت انعطاف پذیری بالا و هدایت الکتریکی – حرارتی هستند. این فلز معمولاً به شکل پلی کریستال ریز دانه تهیه می شود که استحکام بیشتری نسبت به اشکال تک کریستالی دارد.

نرمی این فلز تا حدودی میزان هدایت الکتریکی و حرارتی بالای آن را توضیح می دهد. طوریکه بعد از نقره در دمای اتاق بالاترین هدایت دمایی را دارد. این امر به دلیل مقاومت کم الکترون های آن در برابر تحرک پس از گرم شدن است.

مس یکی از معدود عناصر فلزی با رنگ طبیعی غیر خاکستری یا نقره ای است. مس خالص به رنگ نارنجی قرمز است و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا لکه های مایل به قرمز در آن ایجاد می شود. رنگ این فلز از انتقال الکترونیکی بین پوسته های اتمی پر شده d3 و ۴S نیمه خالی ناشی می شود. زیرا تفاوت انرژی بین این پوسته ها با نور نارنجی مطابقت دارد. مانند سایر فلزات، اگر این عنصر با فلز دیگری در تماس باشد خوردگی گالوانیک رخ خواهد داد.

این فلز با آب واکنش نشان نمی دهد اما به آرامی با اکسیژن اتمسفر واکنش نشان می دهد تا لایه ای از اکسید مس قهوه ای – سیاه ایجاد شود که برخلاف زنگ زدگی آهن از فلز زیرین در برابر خوردگی بیشتر محافظت می کند.

لایه سبز رنگی ( کربنات مس ) که اغلب در سازه های قدیمی مانند بام بسیاری از بناهای قدیمی و مجسمه آزادی دیده می شود همان اکسید مس است. این فلز هنگامی که در معرض برخی از ترکیبات گوگرد قرار می گیرد با آن ها واکنش نشان می دهد تا سولفیدهای مختلف تشکیل شود.

آلیاژهای مس

آلیاژهای زیادی برای این فلز فرموله شده است که بسیاری از آن ها دارای کاربردهای مهم هستند. به عنوان مثال برنج ( مشخصات فلز برنج ) آلیاژ مس و روی ( خواص فلز روی ) است. برنز معمولاً به آلیاژهای قلع مس گفته می شود اما می تواند به هر آلیاژ دیگری مانند برنز آلومینیوم ( کاربرد های فلز آلومینیوم ) نیز اشاره کند.

این فلز یکی از مهم ترین ترکیبات لحیم کاری طلا و نقره است که در صنعت جواهرات مورد استفاده قرار می گیرد و باعث تغییر رنگ ، سختی و نقطه ذوب آلیاژهای حاصل می شود. بعضی از لحیم های بدون سرب ( آشنایی با فلز پرکاربرد سرب ) از قلع آلیاژ شده با مقدار کمی از مس و سایر فلزات تشکیل شده است.

آلیاژ مس و نیکل در سکه های کم ارزش اغلب برای روکش بیرونی استفاده می شود. آلیاژ ۹۰٪ مس و ۱۰٪ نیکل به دلیل مقاومت در برابر خوردگی بسیار قابل توجه است و برای اشیاء مختلفی که در معرض آب دریا قرار دارند، استفاده می شود. اگرچه در برابر سولفیدهای آلاینده که گاها در بنادر یافت می شود ، آسیب پذیر است. علاوه بر این آلیاژهای مس با آلومینیوم ( حدود ۷٪ ) رنگ طلایی دارند و در تزئینات استفاده می شوند.

در جدول زیر، آلیاژهای مهم این فلز آورده شده اند :

 

نام آلیاژ	عناصر ترکیب شده	موارد استفاده
برنج	روی	پیچ، سیم، لوله‌ها، اتصالات الکتریکی، سازهای موسیقی و لوازم تزئینی
برنز	قلع	مجسمه‌ها، اتصالات الکتریکی، فنر و سنجاق
فسفر برنز	قلع و فسفر	یاتاقان، فنر، ساز‌های کوبه ای، سیمِ سازها
آلومینویم برنز	قلع، آلومینیوم، آهن، نیکل و برنز	ابزارها، قطعات موتور خودروها و هواپیماها
کوپرونیکل	نیکل، آهن،‌ منگنز	سکه و ظروف
ورشو ( نقره نیکلی )	روی و نیکل	کلید، سکه، سازهای بادی‌ – برنجی

 

کاربردهای متنوع فلز مس

عمده کاربردهای مس عبارتند از تولید سیم برق ( ۶۰٪ ) ، سقف سازی و لوله کشی ( ۲۰٪ ) و ماشین آلات صنعتی ( ۱۵٪ ). مس بیشتر به عنوان یک فلز خالص مورد استفاده قرار می گیرد  اما هنگامی که سختی بیشتری لازم است  آن را در آلیاژهایی مانند برنج و برنز قرار می دهد.

برای بیش از دو قرن است که از این فلز در بدنه قایق و کشتی استفاده شده است تا رشد گیاهان و صدف را کنترل کند. بخش کوچکی از منابع مس برای مکمل های غذایی و قارچ کش ها در کشاورزی استفاده می شود. این فلز در ماشین آلات نیز کاربرد دارد ولی بیشتر به صورت آلیاژ استفاده می شود که در ادامه شرح داده شده است.

• کاربرد در صنعت برق

از گسترده ترین کاربردهای این فلز در وسایل انتقال برق از قبیل سیم و کابل، ترانسفورماتور، سوئیچ ها، قطعات و اتصالات دو شاخه و غیره است. به علاوه این ماده در ساخت موتور، به عنوان مثال به عنوان استاتور، روتور، و همچنین سیم توخالی، کابل های ارتباطی و مدارهای الکتریکی مسکونی کاربرد دارد.

• کاربرد در صنعت الکترونیک

وسایل الکترونیکی وکیوم مانند لوله های فرکانس بالا و فوق فرکانس بالا، کاتترهای متقاطع، مگنترون و غیره از این فلز استفاده می کنند. مدارهای چاپی مسی نیاز به مقدار زیادی فویل مسی دارند و در مدارهای مجتمع  این فلز جایگزین آلومینیوم ( فلز آلومینیوم ) در تراشه های سیلیکونی برای اتصالات شده است.

• کاربرد در صنایع انرژی و پتروشیمی

لوله ها و صفحات کندانسور اصلی در نیروگاه های زغال سنگ در صنعت انرژی از برنج ، برنز و مس – نیکل ساخته می شوند. بخاری های خورشیدی نیز اغلب از لوله مسی ساخته می شوند. انواع مختلفی از ظروف برای نگهداری واسطه های خورنده، سیستم های لوله ای، فیلترها، پمپ ها و شیرآلات، انواع تبخیرکننده ها و کندانسورها و مبدل های حرارتی در صنعت پتروشیمی از آلیاژ این فلز ساخته می شوند.

این ماده به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و به صورت یون های مس محلول در آب، دارای خاصیت ضد عفونی کننده است و می تواند موجودات دریایی را از آلودگی محافظت کند. این عنصر  و آلیاژهای آن به طور گسترده ای در سیستم های آب شیرین کن و حفاری دریایی و سایر تاسیسات زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرد.

• کاربرد در صنعت حمل و نقل

آلیاژهای از جمله برنز آلومینیوم، برنز منگنز، آلومینیوم ( آلیاژهای آلومینیوم )، برنج، قلع ، روی ( فلز روی ) و آلیاژ مس نیکل ( مونول ) همگی جز مواد استاندارد در ساخت کشتی هستند. چرخ دنده ها، یاتاقان ها، لنت های ترمز، سیستم های برق و قدرت، واشر و انواع اتصالات و لوازم جانبی و غیره در قطارها، موتورها، یکسو کننده ها و کنترل ها، ترمزها، برق و سیستم های سیگنال به مس و آلیاژهای آن تکیه دارند.

علاوه بر این برق رسانی راه آهن منبع بزرگی از تقاضا برای مس و آلیاژهای آن است. سیم کشی، پنوماتیک هیدرولیک و سیستم های خنک کننده هواپیماها همگی به این فلز نیاز دارند.

• کاربرد در صنایع مکانیزه و ​​متالورژی

انواع قطعات متحرک و ثابت مانند آسترهای استوانه ای، چرخ دنده ها و اتصالات برای انعطاف پذیری و روغن کاری نیاز به استفاده از مس یا آلیاژ آن دارند. همچنین بخش مهمی از تجهیزات متالوژی در فناوری ریخته گری مداوم – تبلورساز از مس کروم و مس نقره یا سایر آلیاژهای این فلز ساخته شده است که از استحکام و رسانایی بالایی برخوردار هستند.

همچنین با افزودن مقدار کمی از این فلز به فولاد سازه ای می توان سختی فولاد و مقاومت در برابر خوردگی آن در هوا و آب را بهبود بخشید. افزودن این ماده به چدن و ​​استیل ضد زنگ به معنی مقاومت بیشتر در برابر خوردگی آن ها می باشد.

• کاربرد در سیستم بهداشتی

این فلز بیواستاتیک یعنی باکتری کش است و بسیاری از اشکال دیگر زنده روی آن رشد نخواهد کرد. به همین دلیل مدت هاست که از آن برای قسمت هایی از کشتی ها جهت محافظت در برابر جلبک ها و صدف استفاده می شود.

آلیاژهای این فلز به عنوان یک ماده مهم در تولید توری در صنعت آبزی پروری استفاده می شوند. زیرا آن ها ضد میکروب بوده و حتی در شرایط سخت از نظر ساختاری در برابر خوردگی مقاوم هستند.

مراحل تولید مس

تولید این فلز از سه مرحله اصلی سرچشمه می گیرد :

• تغلیظ سنگ معدن
• تبدیل سولفیدهای این فلز و دیگر ترکیبات به مس
• خالص سازی

• تغلیظ سنگ معدن

غنی سازی سنگ معدن به کمک روش « فلوتاسیون » ( Flotation ) انجام می شود. سنگ پودر شده با حلال آلی همچون نفت مخلوط می شود و سپس در تانکرهایی بزرگ با آب و دترجنت‌ها مخلوط می‌شود.

 

هوای فشرده را به داخل مخلوط وارد می کنند و اجزای سبک سولفید این فلز، بالا می آیند و بر روی کف ایجاد شده شناور خواهند شد. رس های سنگین تر و دیگر سیلیکات ها که در پایین تانکر ته نشین می شوند، موسوم به « گانگ » ( Gangue ) هستند. در نهایت، کف غنی از مس، از تانکر خارج خواهد شد.

 

• تبدیل سولفیدهای مس و دیگر ترکیبات

این تبدیل از طریق روش های مختلفی به شرح زیر انجام می شود :

• سوزاندن ( برشته کردن ) سنگ‌ معدن سولفید مس
• فرآیند شستشو ( لیچینگ )
• روش باکتریایی

الف ) سوزاندن ( برشته کردن ) سنگ معدن سولفید مس

سنگ معدن غنی شده را با مقدار کافی هوا می سوزانند تا سولفید آهن را به آهن (II) اکسید تبدیل کنند. مخلوط جامد را با کلسیم کربنات و ماسه ( سیلیکا ) مخلوط می کنند و تا دمای ۱۰۲۶ درجه سانتیگراد حرارت می دهند. آهن، سرباره سیلیکات را تشکیل می دهد و مس (I) سولفید ذوب می شود و در پایین کوره قرار می گیرد. به این ماده مذاب، « مات مس »‌ ( Copper Matte ) می گویند.

 

در روشی جدیدتر که به « ایساسملت » ( ISASMELT ) موسوم است، سنگ تغلیظ شده، آهک و سیلیکا، به همراه یک سوخت جامد همچون زغال سنگ، ترکیب و گلوله هایی را تشکیل می دهند. این گلوله ها به داخل کوره فرستاده می شوند و در آنجا لوله ای، گاز طبیعی ( متان ) به همراه نفت و هوای غنی از اکسیژن را به داخل کوره پمپ می کند.

 

از لحاظ اقتصادی بهتر است که از اکسیژن خالص یا هوای غنی از اکسیژن به جای هوا استفاده شود چرا که با این کار، سرعت واکنش ها افزایش می یابد و به تبع آن، کارخانه های کوچک تر با هزینه سوخت کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، با استفاده از اکسیژن خالص، کنترل آلودگی ها همچون دی اکسید گوگرد ساده تر خواهد شد.

 

مخلوط حاصل، با سرعت زیادی به طرف پایین پمپ و سبب ایجاد جریان آشفته و سرعت بالای واکنش می شود. این فرآیند بازده بالایی دارد و مقادیر زیادی از مواد خام را می توان از این طریق و با کوره هایی نسبتا کوچک،‌ فرآوری کرد. مات مس و سرباره به کوره دیگری برای ته نشینی و جداسازی منتقل می شوند. سپس،‌ مات مس به کوره ای دیگر وارد می شود و هوا یا هوای غنی از اکسیژن به داخل آن دمیده می شود تا این فلز تولید شود.

به طور معمول، دی اکسید گوگرد را در محل به سولفوریک اسید تبدیل می کنند. به مس تولیدی ناخالص، « مس جوشدار » ( Blister Copper ) می گویند. این ماده را حرارت می دهند تا ذوب شود و با تزریق هوای اضافی، گوگرد حذف خواهد شد. این امر با تزریق متان برای حذف اکسیژن همراه است. اگر همچنان مس ناخالص وجود داشته باشد، آن را به کمک « پالایش الکتریکی » ( Electro-Refining )، خالص سازی می کنند.

ب ) فرآیند شستشو ( لیچینگ )

به کمک شستشوی سنگ معدن با محلول مس (II) کلرید و آهن (III) کلرید، مس (I) کلرید به دست می آید:

برای اینکه مس (I) کلرید را در محلول حفظ کنند، سدیم کلرید به ترکیب اضافه می‌شود. در حضور یون اضافی کلرید، کمپلکس CuCl2 تشکیل خواهد شد که در آب، محلول است. در نهایت، مس ناخالص را به کمک الکترولیز محلول CuCl2 به دست می آورند و مس (II) کلرید را نیز مجددا بازیافت می کنند

ج ) روش باکتریایی

مقادیر قابل توجهی از این فلز تولیدی در ایالات متحده به کمک استفاده از باکتری به دست می آید. آب های اسیدی به ضایعات معدنی مس اسپری می شوند. این ضایعات، حاوی مقادیر کمی از مس هستند. با گذر آب از سنگ های خرد شده، باکتری هایی موجب شکست سولفیدهای آهن به یون های آهن (II) و آهن (III) می شوند. پس از آن، یون آهن (III)، یون سولفید مس را به سولفات اکسید می کند و یون مس (II) به صورت محلول باقی می ماند. آب غنی از مس بازیافت می شود و مس فلزی به کمک فرآیند کاهشی به دست می آید.

• خالص سازی

از هر روشی که برای استخراج این فلز استفاده شود، فرآیند نهایی خالص سازی به کمک الکترولیز صورت می گیرد. صفحات مس ناخالص به همراه ورقه هایی از این فلز خالص، فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم، در محلول مس (II) سولفات و سولفوریک اسید قوطه ور می شوند.

 

مس خالص یا ورقه های فولاد، کاتد سلول الکترولیز و صفحات ناخالص، آند سلول را تشکیل می دهند. این بدان معنی است که یون های این فلز در آند تشکیل می شوند و به محلول راه پیدا می کنند.

 

یون هایی که به طرف کاتد مهاجرت کرده اند،‌ به مس خالص کاهش می یابند و در کاتد رسوب می کنند. با گذشت زمان، فلز خالص را از کاتد خارج می کنند. بسیاری از ناخالصی ها در آند، همچون طلا، نقره، پلاتینیوم و قلع، در محلول الکترولیت، انحلال‌پذیر نیستند و در نتیجه بر روی کاتد رسوب نخواهند کرد و در پایین مخزن ته نشین می‌شوند.

این مواد را از مخزن جدا و به واحدهای فرآوری ارسال می کنند. فلزات دیگر همچون آهن و نیکل،‌ محلول هستند و در نتیجه باید به طور پیوسته، محلول الکترولیت، خالص سازی و از رسوب فلزات ناخواسته بر روی کاتد جلوگیری شود. با این روش، خلوصی برابر با ۹۹/۹۹ درصد خواهیم داشت. در نهایت،‌ فلز خالص را به صورت شمش هایی برای استفاده کارخانجات تبدیل می کنند.

تولید ثانویه

این فلز و آلیاژهای آن را که حاوی مقادیر زیادی از مس می باشند، برای دستیابی به خلوص بیشتر، بازیافت می کنند. فلزات را به کمک حرارت دادن با هوای غنی از اکسیژن، ذوب می کنند. با این کار، بیشتر فلزات به جز مس و فلزات گرانبها اکسید می شوند و تشکیل سرباره می دهند که می توان این سرباره را خارج کرد. روش ایساسملت که در بالا توضیح داده شد، معمولا برای تولید ثانویه این فلز به کار گرفته می شود. در نهایت، مس به دست آمده که خلوصی در حدود ۹۹ درصد دارد، به آند فرستاده می شود تا به کمک روش الکترولیتی ایساسملت، خالص سازی شود.

در حدود ۳۳ درصد مس تولیدی در دنیا از بازیافت این فلز به دست می آید. ۳۱ درصد از این مقدار توسط آمریکا و ۴۷ درصد آن از غرب اروپا تامین می شود. نیمی از این مقدار از ضایعات کارخانه ها و نیمی دیگر از ضایعات کهنه همچون لوله ها و سیم های مسی به دست می آید.

جهت اطلاع از وضعیت مس در ایران میتوانید مقاله گزارش آماری وضعیت مس در ایران مطالعه نمایید.