خواص و ویژگی های فلز مس

تاریخچه

مس قديمى ترين فلز صنعتى بوده كه بشر از چند هزار سال قبل از ميلاد با آن آشنا شده است. البته برخى عقيده دارند كه اولين فلز شناخته شده طلا مى باشد ولى به هر حال تمام محققين بر اين عقيده متفق هستند كه دستيابى بشر به صنايع فلزى با شناخته شدن مس آغاز گرديده است. بعدها، كاهش ذخاير سطحى مس و پی بردن به مزایای ترکیب ماده دیگری به نام قلع با این فلز، منجر به استفاده بشر از آلياژ مس و قلع تحت نام مفرغ (برنز) شد و بدين ترتيب دوره مفرغ درتاريخ تكامل و تحول هاى صنعتى بشر از ۳ هزار سال قبل از ميلاد آغاز گرديد و در هزاره اول قبل از ميلاد با كشف آهن پايان پذيرفت.
قدیمی ‫ترین اشیاء کشف ‌شده مسی در ایران به هزاره پنجم قبل از میلاد باز می ‫گردد. به نظر می رسد که تپه زاغه، تپه سیلک و تل ابلیس از قدیمی ‌ترین مناطقی هستند که ایرانیان برای نخستین بار در آن ها از فلز مس استفاده کرده اند. این شواهد نشان می‌دهد ایران یکی از نخستین تمدن ‌هایی بود که مس را در ساخت ابزار مورد نیاز خود به کار گرفت. ‬‬
كشف آهن و توليد فولاد ارزش هاى دفاعى و تهاجمى مس در ساختن نيزه، سپر، خنجر و … را كاهش داد. بنابراین براى مدت هاى طولانى، مس و آلياژهاى آن بيشتر در مصارف خانگى و تزئينى به كار رفت. دوره رونق كليسا، براى برنج سازان نيز يک دوره طلايى محسوب مى شود و با شناخت قابليت طنين صدا كه در مس و آلياژهاى آن وجود دارد، اين فلز مصارف جديدى پيدا كرد و در ناقوس های کلیسا استفاده شد.
دستيابى بشر به اسلحه گرم و رواج صنايع الكتريكى نيز رونق و گسترش جديدى براى كاربرد مس محسوب مى گردد. با پیشرفت تمدن بشری و رشد تکنولوژی ‌های الکترونیک و ارتباطات و با شناخت بیشتر خواص و فواید مس و آلیاژهای آن، بیشتر از همیشه از این فلز ارزشمند در صنایع مختلف استفاده می شود.

خواص، ویژگی ها و کاربردهای مس

مس با نام انگلیسی Copper یکی از عناصر جدول تناوبی است که نماد آن Cu و عدد اتمی آن ۲۹ می باشد. ریشه نام لاتین مس از واژه сyprium گرفته شده‌ که بعدها به شکل cuprum درآمده‌ است. مس در جدول تناوبی جزو فلزات واسطه بوده و در کنار نقره و طلا در گروه یازدهم آن قرار دارند. در جدول تناوبی، آرایش الکترونی لایه ظرفیت عناصر هم گروه و در نتیجه برخی خواص و رفتارهای آن ها شبیه هم می باشد. به همین دلیل است که از ویژگی های مشترک این عناصر، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، چکش خواری و شکل پذیری بالای آن ها می باشد. 
مس بعد از نقره هادى ترين عنصر بوده و از نظر هدایت الکتریکی، طلا و آلومینیوم در رتبه های بعدی قرار دارند. مقاومت الكتريكى ویژه مس برابر ۱٫۶۸ میکرو اهم سانتیمتر است. این عدد برای نقره و آلومینیوم به ترتیب برابر ۱٫۵۹ و ۲٫۶۵ میکرو اهم سانتیمتر می باشد. مقاومت الکتریکی برخی فلزات و آلیاژهای پرکاربرد صنعتی در جدول ۱ مقایسه شده است. علاوه بر هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی مس هم بالا است. از این نظر نیز، هدایت حرارتی مس پس از نقره و قبل از طلا در رده دوم فلزات قرار دارد. هدایت حرارتی مس برابر با حدود ۳۹۰ واحد بر حسب W/m.K (وات بر متر بر کلوین) در ۲۵ درجه سانتیگراد است. برای اینکه این عدد مورد توجه قرار بگیرد، مقایسه آن با برخی فلزات و آلیاژهای پرکاربرد صنعتی در جدول ۱ آمده است. بد نیست بدانید که هدایت حرارتی مس کمی بیش از ۱٫۵ برابر هدایت حرارتی آلومینیوم خالص، نزدیک به ۸ برابر هدایت حرارتی چدن GG-25 و حدود ۲۸ برابر هدایت حرارتی استنلس استیل ۳۱۶ است. شاید به دلیل استفاده از مس در مغزی سیم های برق، هدایت الکتریکی بالای آن قابل درک و تصور برای همه است. در حالی که هدایت حرارتی بالای مس شاید برای همه قابل لمس نباشد
يكى از مهم ترين دلایل مصرف مس بر همین قابليت هدايت حرارتى و الكتريكى بالای آن استوار است. حضور عناصر ناخالصى و يا آلياژى قابليت هدايت الکتریکی و حرارتی مس را به شدت كاهش مى دهد و از اين رو در مصارف الكتريكى و انتقال الكتريسيته از مس بسيار خالص با تركيب بيشتر از ۹۹/۹۹ درصد مس استفاده مى شود.

جدول ۱- مشخصات فیزیکی برخی فلزات و آلیاژها

وزن اتمی مس ۶۳٫۵۴، وزن مخصوص آن در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد برابر ۸٫۹۳ گرم بر سانتيمتر مكعب و در دمای ذوب برابر ۷٫۹۴ گرم بر سانتيمتر مكعب است. نقطه ذوب مس ۱۰۸۵ درجه سانتيگراد و نقطه جوش آن ۲۵۶۷ درجه سانتيگراد است. نقطه ذوب مس از آهن و فولادها كمتر بوده و از اين رو با شرايط آسان ترى ذوب مى شود. گرماى نهان ذوب مس در حدود ۱۳٫۰۵ کیلو ژول بر مول است و اين مقدار گرمايى است كه در جريان ذوب براى متلاشى شدن ساختار بلورى مس جامد و تشكيل ساختار مذاب صرف مى شود.
مس خالص فلزى نرم با سختى بسيار پايين است. سختی مس خالص کشش سرد شده در حدود ۳۷ راکول B  است.
قابليت آلياژسازى مس با ساير عناصر نظير روى، قلع، سرب، آلومينيم، سيليسيم و … باعث گرديده كه دامنه آلياژهاى مختلف مس بسيار وسيع باشد و در آلياژهاى متعدد آن يک يا چند خاصيت نظير استحكام، زيبايى، هدايت، شكل پذيرى و … وجود داشته باشد. آلياژهاى مس در ميان فلزات غيرآهنى از تمام آن ها متنوع تر و متعددتر هستند. با وجود اینکه آلومينيم و آلياژهاى آن برخى از مصارف و كاربردهاى مس را محدود كرده اند ولى امروزه مس و آلياژهاى آن همچنان دامنه كاربردى وسيع خود را حفظ كرده اند. آلياژهاى مس معمولاً بر اساس كاربرد آن ها دسته بندى مى شوند، در عين حال عناصر تركيبى به گونه اى هستند كه امكان دسته بندى آن ها را بر اساس نوع آلياژ و شرايط ذوب و ريخته گرى نيز ميسر مي سازد.

مصارف مختلف مس و زمينه هاى كاربردى آلياژهاى آن معمولاً بر يک يا چند از خواص زير استوار مى شود:
•    هدايت الكتريكى و حرارتى بسيارخوب و بالا
•    مقاومت بسيار خوب در محيط هاى خورنده و خوردگى
•    مقاومت به فرسودگى
•    طنين صدا
•    رنگ هاى دلپذير و زيبا
•    تنوع آلياژى در ساخت قطعات مقاوم به كشش و فشار

به هر ترتیب مى توان زمينه های مصرف و کاربرد مس را در توليد سيم، كابل و ساير مصارف الكتريكى، سماور، كترى، ديگ و ساير مصارف خانگى، برخى از وسايل صوتى، پمپ، شير آب، پروانه كشتى، آلياژهاى ياتاقان و وسايل ديگرى از قبيل چرخ دنده، بوش اهرم و ساير وسايل انتقال نيرو كه مقاومت به خوردگى و استحكام نسبى مشخصه اصلى آن ها است، جستجو نمود.

تولید مس

مس به ميزان تقريبى ۰٫۰۰۳ درصد در پوسته زمين وجود دارد و يكى از معدود عناصرى است كه به صورت آزاد نيز در طبيعت يافت مى شود. البته استخراج متوالى مس در طى قرون و اعصار، ذخاير مس خالص را تقريباً به صفر رسانيده است. منابع مس در دنيا متعدد بوده و در ايران نيز ذخاير عظيم مس سرچشمه و مس سونگون از مهم ترين معادن مس در دنيا محسوب مى شوند. در قديم از معادنى كه بيش از ۵ درصد مس داشت استفاده مي كردند ولى امروزه استخراج از معادنى كه كمتر از ٢ درصد مس دارد نيز انجام مى گيرد.
مس به صورت تركيبات مختلف در معدن وجود دارد ولى كانى هاى معروف مس معمولاً به صورت سولفوره و يا اكسيده هستند كه معروف ترين آن ها كالكوپيريت (Chalcopyrite) به فرمول CuFeS2، كوپريت (Cuprite) به فرمول Cu2O و آزوريت (Azurite) به فرمول Cu3(OH)2(CO3)2 است.

کانی های مس

عناصر ديگرى نظير آرسنيک، سيليسيم، طلا، نقره و موليبدن در اغلب سنگ هاى معدن  مس يافت مى شود. پس از استخراج كانى به روش هاى مختلف خشک يا تر آن را تغليظ مى كنند تا عيار آن به ٢٠ درصد مي رسد. پس از تغليظ و تشويه، سنگ معدن را در كوره هاى روربر يا شعله اى ذوب مى كنند. حاصل اين كوره تركيبى از مس و ساير مواد ناخالصى نظير آهن، گوگرد، طلا و … مى باشد كه تقريباً حاوى ۴۵ درصد مس است و آن را مات مس مى نامند.
مات مس در كوره هاى مبدل يا كنورتور ريخته می شود و با عبور هوا و اكسيژن از آن، ناخالصى ها و به خصوص آهن و گوگرد اكسيده شده و به سرباره منتقل مى گردد. اين مس نيز ناخالص بوده و به دليل وجود عناصر مختلف و مواد غيرفلزى و تخلخل بيش از اندازه آن را مس بليستر، يا مس جوشدار و يا مس خام مى نامند. مس خام در اين مرحله بيش از ۵۷ درصد مس دارد كه با ادامه كار كنورتور و يا استفاده از كنورتور ثانويه درجه خلوص آن تا ۹۷ درصد مي رسد.
مس خام را پس از ذوب به صورت صفحاتى بزرگ و با ضخامت هاى حدود ۲٫۵ سانتيمتر ريخته و آن ها را به عنوان آند در الكتروليز مس به كار مى برند. كاتد از صفحات مس بسيار خالص تشكيل يافته و محلول الكتروليت از اسيد سولفوريک و سولفات مس انتخاب مى شود. پس از عبور جريان معين و حساب شده، مس به صورت يک يون دو ظرفيتى از آند جدا شده و بر روى كاتد مى نشيند. عناصر و فلزات ناخالص در محلول الكتروليت حل نمى شوند و از اين رو در كف حمام الكتروليز به صورت لجن رسوب مى كند. كاتدها را كه حاوى مس الكتروليز شده مى باشند و معمولاً درمرحله اول الكتروليز حدود ۹۹٫۹ درصد مس دارند، ذوب كرده و در شكل و اندازه هاى معين و بر اساس برنامه تنظيمى ريخته گرى مى كنند.

منبع: عصر مواد