【銅的用途】銅的驚人用途！深入探討銅的特性與應用

銅元素

性質

銅屬於天然金屬（能以元素狀態直接利用），早在西元前八千年便廣泛應用。西元前五千年時，銅成為從硫化礦中煉取的第一種金屬。之後，它於西元前四千年作為首種塑形的金屬。更於西元前三千五百年間，與錫形成青銅，是人類史上最早出現的合金。古羅馬時期，塞浦路斯為主要的銅礦開採地，而「銅」的英文名稱（Copper）便源自拉丁文的Cyprium（意為「塞浦路斯的金屬」）。十五世紀前後開始使用「Copper」。

銅在自然中常以二價的鹽類型態存在，賦予礦石如藍銅礦、孔雀石和綠松石等藍綠色澤，也曾作為顏料。銅的氧化後常呈現綠鏽，廣泛運用於建築屋頂。偶爾也會在裝飾藝術中運用銅元素。無論是以純金屬或合金的狀態，銅化合物常作為抑制細菌、真菌及防腐劑使用。

銅為人體所必需的微量營養素，是構成細胞色素C氧化酶的關鍵元素。此酵素負責細胞的呼吸作用。軟體動物及甲殼類中的血液色素「血藍蛋白」成分為銅。而魚、人等脊椎動物的「血紅蛋白」複合體中則成分為鐵。此外，人體的肝、肌肉、骨骼中含量較高（成人平均含量 1.4~2.1mg/kg 體重）。

化學特性

在元素週期表中，銅屬於第11 族，與同族金屬銀及金共享高展延性及高導電率的特點。這些元素原子最外層皆有一個電子，位於「s」軌域。其「d」軌域已完全填滿。原子間主要透過電子成鍵形成金屬鍵為主，其中，「d」軌域電子的影響力不強。與未完全填滿「d」軌域金屬原子性質不同，銅金屬鍵的共價成份少且不穩定。單晶銅因低硬度的特質而容易拉伸。[7]宏觀上，晶體結構中的瑕疵，諸如晶界等阻礙外加應力在材料中的傳遞，進而提高了硬度。因此，一般常見的銅屬於細粒多晶結構，比單晶銅擁有更高硬度。[8]

除了具備柔軟特質之外，銅的導電率（59.6×106 S/m）與導熱率（401 W/(m K)）在金屬元素中僅次於銀，表現優良。[9]這種性質主要歸因於金屬中的電子移動時所遭遇的阻力，而阻力的來源主要是晶格振動引起的電子散射現象。柔軟金屬的散射程度相對較弱。[7]在露天環境下，銅允許最大電流密度的範圍為 3.1×106 A/m2。過高的電流密度將會導致金屬過熱。[10]與其他金屬相似，當銅和其他金屬共存時，容易發生電化腐蝕現象。[11]

銅屬於四種天然色彩並非灰、銀色的金屬之一，另外三種分別為銫、金和鋨。純銅呈現亮橘色。空氣中的氧氣與其接觸後失去光澤，逐漸變成深紅色。其獨特色澤來自於滿電子軌道「3d」與半滿電子軌域「4s」之間電子的躍遷，而躍遷間隙的能量差距恰好對應可見光中的橘光頻域。銫與金呈現黃色原因也相同。[7]

銅和水不會產生化學反應。但在接觸氧氣後，緩慢形成棕色氧化銅層（一層覆膜）。不同於鐵暴露於空氣中的情況，氧化銅並非會鏽蝕銅，而是保護位於氧化銅下層的銅不被進一步氧化。在銅質建築物中常發現綠色銅鏽（鹼式碳酸銅）[13]銅在硫的存在下容易氧化，產生各類硫化銅化合物而褪色。[14]

銅在化學中可展現出0、+1、+2、+3、+4 的氧化數態，其中 +1 及 +2 為常見的氧化數。+3 氧化態出現在六氟合銅酸鉀化學式（K3CuF6），+4 氧化態出現在六氟合銅酸銫化學式（Cs2CuF6），0 氧化態出現在 Cu（CO）2。透過氣體反應及隔離基質的方法可以將其檢測出來。[15]

與許多元素相同，銅可以由鹵素元素、互鹵化物、硫、硒腐蝕，橡膠硫化後也會導致銅變黑。銅在室温不會反應二氧化氮但當存在硝化甲烷、乙腈、乙醚或乙酸乙酯等有機溶劑時，將形成硝酸銅。銅容易溶於硝酸等氧化性酸中。當不具備氧化劑或合適配位劑的存在下，則不會與非氧化性酸發生化學作用，例如鹽酸。銅可以在酸性環境與高錳酸根離子作用，將後者還原為錳單質[19]

銅在加熱下會發生反應，主要是與三氧化硫反應。主要有下列反應式：\
2Cu+ 2SO3→ 2CuO + SO2\
CuO+SO3→ CuSO4

在乾燥的空氣中，銅具有穩定性並能保留金屬光澤。若接觸濕潤空氣，會生成綠色銅鏽（主要組成物是鹼式碳酸銅，分子式 Cu2(OH)2CO3）並保護其下方銅不被進一步氧化。

歷史沿革

早期文明

早在西元前8000 年，銅就因其天然金屬特質被廣泛運用，成為西元前5000 年時第一個被冶煉的材料，並於西元前 4000 年成首個模具塑造的金屬，於西元前 3500 年，又成為青銅（人類歷史上最古老的合金）的一部份 [3]

在古羅馬帝國，主要在塞浦路斯採集銅礦，銅也自此被稱作為Cyprium（塞浦路斯之金屬），並在之後演化稱之為 Cuprum（拉丁），現今使用的銅（Copper）一詞於西元1530 年被使用。

銅在自然界經常會生成二價鹽，使其呈現出藍銅礦、孔雀石和綠松石中的藍或綠的色澤，在歷史文獻上，亦曾用於顏料。在建築的屋頂上經常能看見氧化銅的綠鏽 [3]。此外，銅的運用亦涵蓋裝飾藝術的領域，以純元素或形成化合物的形態使用 [3]。銅化合物的運用包含了抗菌劑、殺蟲劑與防腐劑 [3]

銅是人體所需的微量礦物質，是細胞色素 C 氧化酶（cytochrome c oxidase）中重要的成分 [5]。軟體動物與甲殼動物的血液血藍蛋白（blood pigment hemoglobin，一種血液中的色素蛋白質）中的成分，而在魚類以及其他脊椎動物則是由血紅蛋白（heme-containing blood pigment hemoglobin，又名血紅素，也是血液中的色素蛋白質）代替，在人類的身上，則分佈於肝臟、肌肉、以及骨骼當中。[5]一般成人的每公斤體重約有1.4 至2.1 公克的銅。

銅在化學性質方面位於元素週期表第11族（IUPAC），同族的還有銀與金，他們擁有高度展延、導電特性佳等性質，這些金屬原子的電子層最外側只有1 個電子，位於s 軌域，次外電子層的 d 電子軌域完全填滿，金屬間的交互作用是以s 電子軌域形成金屬鍵結合，而完全填滿的d 軌域影響較小 [7]。銅的金屬鍵共價成分較少而且弱,因此單晶銅質較柔軟、展延性佳 [7]，而晶格中廣泛的晶界（grain boundaries，又稱晶界或晶粒邊界，晶體內不同取向或結構的晶粒間相互接觸的部分），則影響了外加壓力下的物質流動性使其變硬，故通常可見的銅多屬細緻多晶，較單晶態硬不少 [8]

銅除了柔軟，其高導電性（59.6 x 106 S/m），高導熱性（401 W / (mK)，298.15K），也僅次於銀，是金屬單質中的佼佼者。[9]這是因為在室温時，金屬中電阻主要是源自晶格熱震盪所造成的電子散射 [7]，柔軟的金屬則散射較低 [7]。在露天環境下的情況，電流的密度約為 3.1 X 106 A / (m2 截面積），若超過該電流，將使之過熱。 [10]銅也會同其他金屬在共存的情況下產生電化腐蝕，（Galvanic Corrosion）[11]

近現代時期
在現代，美國的亞利桑那州的採集方式為原址浸出，（In- situ leach，一種採掘法，溶液直接在礦體孔隙中進行反應），是開發銅礦的一種重要選擇， [25] 隨著不斷增加的使用，開採數量僅能應付全球國家達到開發國的水準 [26]

銅價常做為衡量世界經濟的指標。 [29]價格起伏不定 [30]。 1996年6 月的 0.6 美元 / 英磅（1.33 美元/ 公斤），至2008 年5月，漲到每英磅3.75 美元（ 8.26美元 / 公斤）。2008 年2 月降低為2.4美元 / 英磅（5.18 美元 / 公斤）[1] 。

銅的用途

銅是一種廣泛應用的金屬，其用途遍及各個領域。從電氣到建築，從工業到藝術，銅都扮演著至關重要的角色。

電氣應用

銅因其優異的導電性而成為電氣應用的首選材料：

應用	説明
電線和電纜	銅的高導電率使其成為電能傳輸的理想選擇
電動機和變壓器	銅被用於製造電動機和變壓器的繞組，以提供電能
電池	銅可以用於製造電池電極，以儲存和釋放電能
電路板	銅被用於製作電路板，提供電子元件之間的連接

建築應用

銅在建築中用途廣泛，包括：

應用	説明
機械製造	銅被用於製造機械零件，例如軸承、齒輪和閥門
化工	銅被用於製造化工設備，例如反應器、管道和閥門
汽車製造	銅被用於汽車製造，例如散熱器、電路和接線
航空航天	銅被用於航空航天設備，例如發動機、燃料系統和機身

藝術應用

銅在藝術領域用途廣泛，包括：

應用	説明
雕塑	銅被用於製作雕塑，因為它具有可塑性和耐用性
珠寶	銅被用於製作珠寶，例如手鐲、項鍊和耳環
樂器	銅被用於製造樂器，例如喇叭、長號和小號
錢幣	銅被用於鑄造錢幣，因為它具有耐磨性和抗腐蝕性

總之，銅的用途廣泛，從日常生活到工業生產，從藝術創作到建築結構。其優異的導電性、耐腐蝕性、可塑性和美觀性使其成為各種應用的理想選擇。

銅元素

歷史沿革

相關應用

銅的用途

電氣應用

建築應用

藝術應用