Bài tiểu luận: Nguyên tố hóa học đồng

Nội dung bài tiểu luận đã đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo, trạng thái tự nhiên, tính chất vật lý, hóa học, đặc biệt là đề cập đến phương pháp điều chế cũng như những ứng dụn

PVU

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

KHOA DẦU KHÍ

Nhóm 9: Nguyễn Hạnh Vinh GVHD: TS.Nguyễn Thị Phương Nhung

Châu Anh Khoa

TP Bà Rịa, ngày 17 tháng 11 năm 2013

Lời nói đầu

Từ hàng ngàn năm trước đây ông cha ta đã biết sử dụng đồng để chế tạo vũ khí, đồ dùng hằng ngày và sử dụng để trang trí Và ngày nay,trong nền khoa học công nghệ ngày càng không ngừng phát triển thì đồng vẫn giữ một vai trò đặc biệt quan trọng Tuy nhiên, không phải ai cũng có những hiểu biết về đồng và các kiến thức liên quan đến nó Đây cũng là lý do nhóm chúng tôi tìm hiểu và làm bài tiểu luận này với mục đích giúp mọi người có được cái nhìn tổng quan hơn về đồng, cũng như giải thích được một vài hiện tượng thực tế của đồng Nội dung bài tiểu luận đã đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo, trạng thái tự nhiên, tính chất vật lý, hóa học, đặc biệt là đề cập đến phương pháp điều chế cũng như những ứng dụng quan trọng của đồng trong ngành công nghiệp điện, trong kiến trúc xây dựng, trong máy móc công nghiệp và các ngành khác

Vì thời gian có hạn, bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong sẽ nhận được sự đóng góp từ phía giảng viên và các bạn sinh viên để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn

Nhóm thực hiện

Mục lục

I Giới thiệu chung về đồng 4

A Giới thiệu chung 4

1 Tính chất vật lý 4

2 Tính chất hóa học 5

B Trạng thái tự nhiên và đồng vị 6

1 Trạng thái tự nhiên 6

2 Đồng vị 7

3 Trữ lượng 7

II Quy trình điều chế 7

A Phương pháp thủy luyện 7

B Phương pháp điện phân 9

C Phương pháp nhiệt phân 10

III Ứng dụng của kim loại đồng 10

A Công nghiệp điện 11

B Trong kiến trúc xây dựng 11

C Trong máy móc công nghiệp 12

D Các ngành khác 13

I Giới thiệu chung về đồng

A Giới thiệu chung

- Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29 (Hình 1, 2)

- Kim loại và các hợp kim Cu đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm Trong thời kỳ La Mã, đồng chủ yếu được khai thác ở Síp, vì thế tên gọi ban đầu

của kim loại này là сyprium (kim loại Síp), sau đó được gọi tắt là сuprum Các hợp

chất của nó thường tồn tại ở dạng muối đồng(II), chúng thường có màu xanh lam hoặc xanh lục của các loại khoáng như ngọc lam và trong lịch sử đã được sử dụng rộng rãi làm chất nhuộm Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo ra màu xanh lục verdigris (hoặc patina). [1]

Các ion đồng(II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn Nơi tập trung đồng chủ yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương. [1]

1 Tính chất vật lý

- Đồng có 1 electron trong phân lớp s1

nằm trước nhóm d10 và được đặc trưng bởi tính dẻo và dẫn điện cao ( đứng thứ hai sau Ag) , dễ kéo sợi và dát mỏng

Hình 2 Cấu tạo electron củađồng Hình 1 Nguyên tử đồng

Khối lượng

riêng (g/cm3)

Nhiệt độ nóng chảy (0

C)

Nhiệt độ sôi (0C)

Độ cứng (so với độ cứng kim cương = 10) 8.93 1083 2600 3

Độ dẫn điện

(so với Hg=1) Độ dẫn nhiệt (so với Hg = 1) Độ âm điện Bán kính nguyên tử (A0)

- Đồng tinh khiết có màu đỏ cam và tạo ra màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí Màu đặc trưng này của đồng tạo ra từ sự chuyển tiếp electron giữa phân lớp 3d và phân lớp 4s – năng lượng chênh lệch do sự chuyển đổi trạng thái electron giữa hai phân lớp này tương ứng với ánh sáng cam

2 Tính chất hóa học

Trong dãy điện hóa, đồng có thế điện cực chuẩn E0 = 0.34 V, đứng sau cặp oxi hóa - khử 2H+/H2 vì vậy đồng là kim loại kém hoạt động, có tính khử yếu.[2]

a) Tác dụng với phi kim

- Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái ôxy hóa +1 và +2, mà

thường được gọi theo thứ tự là cuprous và cupric Nó không phản ứng với nước,

nhưng khi nung trong điều kiện thiếu không khí tạo ra Cu2O có màu đỏ gạch; phản ứng chậm với ôxy trong không khí tạo thành một lớp ôxit đồng CuO màu nâu đen

[2]

4Cu + O2(t0) = 2Cu2O 2Cu + O2(t0) = 2CuO

- Lớp ôxit đồng này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn Một lớp màu lục của verdigris (đồng cacbonat Cu2(OH)2CO3) thường có thể bắt gặp trên các công trình cổ có sử dụng đồng như Tượng Nữ thần tự do

- Đồng có thể tác dụng với Cl2, Br2, S, … ở nhiệt độ thường hoặc đun nóng:

Cu + Cl2 = CuCl2

b) Tác dụng với axit

- Đồng không tác đụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng Tuy vậy, với sự có mặt của oxi trong không khí, Cu bị oxi hóa thành muối Cu(II)

2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + H2O

- Đồng bị oxi hóa đễ dàng trong H2SO4 đặc nóng và HNO3 :

Cu + 2H2SO4(đặc) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Cu + 4HNO3(đặc) = Cu(NO3)2 +2NO2 + 2H2O 3Cu + 8HNO3(loãng) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

c) Tác dụng với dung dịch muối

- Đồng khử được ion của những kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa ở trong dung địch muối:

Cu + AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag

B Trạng thái tự nhiên và đồng vị

1 Trạng thái tự nhiên

- Trong tự nhiên đồng chiếm khoảng 0,03% trữ lượng trong vỏ trái đất Cu được phân bố rộng rãi ở cả dạng tự do và dạng hợp chất Phổ biến nhất vẫn là các khoáng vật chứa đồng như: cancosin Cu2S (79.8% Cu), Cuprit Cu2O (88.8% Cu), covelin CuS (66.5% Cu), cancopirit CuFeS2 (34.57% Cu) và malachit CuCO3.Cu(OH)2

- Hiện nay đồng là kim loại quan trọng nhất đối với công nghiệp và kỹ thuật

từ đồng người ta có thể chế tạo rất nhiều vật dụng khác nhau Hơn 50% lượng đồng khai thác hằng năm dùng làm dây dẫn điện Hơn 30% dùng để chế tạo hợp

Hình 3 Một mẫu đồng trong quặng tự nhiên

kim…Nhưng cũng vì việc sử dụng với số lượng lớn như trên mà tình trạng ô nhiễm đồng đang là vấn đề đáng quan tâm

2 Đồng vị

- Đồng có 29 đồng vị 63

Cu và 65Cu là đồng vị bền, với 63Cu chiếm khoảng 69% đồng có mặt trong tự nhiên; cả hai đều có spin 3/2 Các đồng vị còn lại có tính phóng xạ, trong đó đồng vị phóng xạ bền nhất là 67Cu với chu kỳ bán rã 61,83 giờ Bảy đồng vị kích thích đặc trưng nhất là 68mCu tồn tại lâu nhất với chu

kỳ bán rã 3,8 phút Các đồng vị với số khối lớn hơn 64 phân rã β-, ngược lại các đồng vị có số khối dưới 64 thì phân rã β+

64Cu, có chu kỳ bán rã 12,7 giờ, phân rã theo cả hai cơ chế trên

- 62Cu và 64Cu có những ứng dụng đáng chú ý: 64Cu chất được sử dụng trong chụp hình tia-X, và dạng tạo phức với chelate có thể được dùng trong điều trị ung thư 62Cu được dùng trong 62

Cu-PTSM là một phương pháp vết phóng xạ trong chụp cắt lớp bằng positron

3 Trữ lượng

- Đồng đã được sử dụng ít nhất là cách nay 10.000 năm, nhưng có hơn 95% tất cả đồng đã từng được khai thác và nấu chảy đã được tách chỉ bắt đầu từ thập niên 1900

- Với nhiều nguồn tài nguyên tự nhiên, tổng lượng đồng trên Trái Đất là rất lớn (khoảng 1014 tấn nằm trong vòng vài km của vỏ Trái Đất, hoặc tương đương 5 triệu năm khai thác với tốc độ khai thác hiện tại) Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ nhỏ trữ lượng này là có giá trị kinh tế trong điều kiện chi phí và công nghệ hiện tại Tái chế là một nguồn chính của đồng trong thế giới hiện đại

II Quy trình điều chế

A Phương pháp thủy luyện

 Từ xa xưa người ta dùng quặng giàu để luyện đồng, mãi đến thế kỷ thứ XIX còn được dùng những quặng chứa 15% Cu hay nhiều hơn nữa Ngày nay đồng được luyện từ quặng nghèo chỉ chứa 1% - 2% Bởi vậy công nghệ luyện đồng khá phức tạp và bao gồm nhiều giai đoạn:

- - Tuyển quặng: trước tiên quặng đồng (Cancopirit) (Hình 4) được nghiền nhỏ và làm giàu bẳng phương pháp tuyển trong lực rùi bằng phương pháp tuyển nối [3]

 Tinh quặng thu được sau khi đã làm giàu thường chứa đến 12% Cu

- - Đốt tinh quặng ở 800oC - 850oC trong lò nhiều tầng giống như lò đốt pirit của dây chuyền sản xuất axit sunfuric Sau khi đốt, lượng S trong quặng giảm bớt nhờ những phản ứng:

2CuFeS2 + O2 = Cu2S + 2FeS + SO2 2FeS2 + 5O2 = 2FeO + 4SO2

2FeS + 3O2 = 2Fe + 2SO2

 Hai phản ứng đầu xảy ra hoàn toàn, phản ứng thứ ba xảy ra một phần Sản phẩm thu được ở lò đốt này có thành phần ứng với hỗn hợp Cu2S, FeS, FeO. [3]

- - Nấu chảy ở 1200oC sản phẩm trên trong lò phản xạ, có thêm cát để tạo xỉ với FeO:

FeO + SiO2 = FeSiO3 (Hình 5)

 Xỉ sắt silicat tương đối nhẹ hơn nên nổi lên trên và liên tục chảy ra khỏi lò còn sản phẩm nóng chảy có thành phần ứng với hỗn hợp Cu2S và FeS, nặng hơn

Hình 4 Quặng Cancopirit

Hình 5 Xỉ FeSiO3

nằm dưới lớp xỉ được tháo ra khỏi lò theo chu kỳ Sản phẩm đó được gọi là stein.

[3]

- - Chuyển stein nóng chảy vào lò thổi kiểu lò Besme, cho thêm cát và thổi khí oxi vào lò; nhiệt độ của lò được giữ ở 1300oC Ở đây xảy ra những phản ứng:

2FeS + 3O2 = 2Fe + 2SO2 FeO + SiO2 = FeSiO3(xỉ) 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

 Hai phản ứng đầu xảy ra hoàn toàn, phản ứng thứ ba xảy ra một phần

- - Giai đoạn tiếp theo cũng được thực hiện ở trong lò thổi nhưng không được thổi khí oxi vào lò Kết quả là đồng (I) trong Cu2O và Cu2S bị lưu huỳnh ở dạng sunfua khử thành đồng kim loại:

2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2

 Đồng thô thu được chứa 90% - 95% Cu và các tạp chất

- - Tinh thể đồng thô trước tiên bằng phương pháp đốt: chuyển đồng thô lỏng trở lại lò phản xạ và thổi không khí để oxi hóa tạp chất:

4Sb + 3O2 = 2Sb2O3 2Pb + O2 = 2PbO 2Zn + O2 = 2ZnO

 Một phần đồng cũng bị oxi hóa

4Cu + O2 = 2Cu2O

 Cho thêm cát vào lò để chuyển tạp chất thành xỉ Để chuyển Cu2O trở lại thành Cu, người ta trộn đồng thô với than gỗ:

Cu2O + C = 2Cu + CO

 Đồng đỏ thu được chứa 95% - 98% Cu Để có đồng tinh khiết cần phải tinh chế thep phướng pháp điện phân Người ta điện phân điện phân dung dịch CuSO4 (có thêm H2SO4) với cực âm là những lá đồng tinh khiết chứa đến 99.99% Cu Loại đồng điện phân đó được dùng làm dây dẫn. [3]

B Phương pháp điện phân

- Chế hóa quặng đồng trong các chất lỏng khác nhau ( thường là H2SO4 loãng, dung dịch ammoniac …) Từ dung dịch thu được, ta tách Cu bằng sắt hoặc bằng phương pháp điện phân:[4]

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu

Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu CuSO4 + 2H2O = Cu + H2SO4 + O2 (đpdd)

C Phương pháp nhiệt phân

- Nếu luyện Cu từ quặng Oxit hay quặng cacbonat ta dùng phương pháp khử bằng than: [4]

C + 1/2 O2 = CO CuCO3 (to) = CuO + CO2 CuO + CO = Cu + CO2

III Ứng dụng của kim loại đồng

- Đồng là một trong số những kim loại quang trọng bậc nhất trong công nghiệp Đồng có nhiều tính năng ưu việt như: độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, ít bị oxi hóa, có độ bền cao và độ chống ăn mòn tốt [5]

Công nghiệp điện 58%

Kiến trúc, xây dựng 19%

Máy móc công nghiệp 17%

Các ngành khác 6%

Các ngành kinh tế sử dụng đồng trên thế giới:

A Công nghiệp điện

- Đồng được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật điện Trong lĩnh vực này người

ta dùng đồng ở dạng sạch (trên 99.95% Cu) để đảm bảo độ dẫn điện cao dùng làm dây (Hình 6) và thanh dẫn điện (Hình 7), dùng làm các chi tiết trong máy điện, vô tuyến điện, điện tín, điện thoại,… [5]

B Trong kiến trúc xây dựng

- Ứng dụng lớn thứ hai của đồng và hợp kim của nó (chẳng hạn như đồng thau và đồng thiếc) thuộc về ngành công nghiệp xây dựng Nó được sử dụng cho mái lợp và hệ thống ống nước (Hình 7), đặc biệt là đường ống nước, vòi nước, van

và phụ kiện do đặc tính chống ăn mòn và dễ uốn của kim loại này. [5]

Hình 6 Dây dẫn điện Hình 7 Thanh dẫn điện

Hình 7 Các van ống nước

a Đồng thau:

- Hợp kim Cu – Zn (45%Zn), hợp kim của Cu – Sn đã được dùng từ thời xa xưa để đúc trống, chuông, sung đại bác, tượng, chế tạo máy móc, thiết bị,… (Hình 8)

b Đồng thanh:

- Hợp kim của Cu – Sn, dùng để chế tạo máy móc, thiết bị,…

C Trong máy móc công nghiệp

- Nhờ độ bền, tính dễ chế biến, và khả năng đúc với độ chính xác và dung sai cao, hợp kim đồng rất lý tưởng để chế tạo các sản phẩm như bánh răng, vòng bi và cánh tuabin

 Hợp kim Cu – Al được dùng để chế tạo những chi tiết của động cơ máy bay (Hình 9) [7]

Hình 8 Đồng thau được sử dụng làm nhạc

cụ

 Hợp kim của Cu – Ni (25% Ni), bền đẹp và không bị ăn mòn trong nước biển, được dung trong công nghiệp tàu thủy, chế tạo máy chính xác, dụng cụ y khoa, đúc tiền…[7]

 Hợp kim Cu – Pb được dùng để chế ổ trục của đầu máy hơi nước, động cơ máy bay, động cơ tàu thủy và tuabin thủy lực. [7]

 Hợp kim Cu – Be bền đặc biệt và có tính chất đàn hồi cao được dùng để chế lò xo cao cấp. [7]

D Các ngành khác

- Hợp kim Cu –Au trong đó có 2/3 Cu, 1/3 Au (là vàng 9 cara) dùng để đúc tiền vàng, vật trang trí, (Hình 11) [7]

- Đồng cũng là vật liệu tốt dùng để chế tạo các thiết bị hóa học: thiết bị chân không, thiết bị trao đổi nhiệt, nồi chưng cất,…

- Đồng còn được dùng làm chất cho thêm vào thép kết cấu để tăng tính chống ăn mòn và tăng giới hạn chảy của thép

- Muối đồng dùng để chế tạo sơn, thuộc da

Hình 10 Đồng xu chế tạo từ hợp kim Cu-Ni

Kết luận:

Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29 Về tính chất vật lý: đồng tinh khiết có màu đỏ cam và tạo ra màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí Về tính chất hóa học: đồng là một kim loại kém hoạt động và có tính khử yếu nên không thể hiện đầy đủ tính chất hóa học điển hình của một kim loại, không tác dụng với các axit loãng

Do có nhiều tính chất ưu việt đặc trưng như tính dẻo, dễ kéo sợi, dát mỏng và có tính dẫn nhiệt dẫn điện cao nên đồng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhất là trong ngành công nghiệp điện, trong lĩnh vực xây dựng và chế tạo máy móc Vì vậy đồng luôn giữ vai trò quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta

Tài liệu tham khảo

[2] Hóa học 12

[3] http://d3.violet.vn-uploads-previews-239-805628-preview.swf

[4] Hóa học vô cơ tập 2 (Các kim loại điển hình) Nguyễn Đức Vận xuất bản 2009 [6] http://www.masangroup.com/masanresources/vi/hang-hoa/dong/dac-diem

[7]http://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BB%A3p_kim_c%E1%BB%A7a_%C4%91

%E1%BB%93ng