مس

مس نام یک عنصر جدول تناوبی با نماد شیمیایی Cu (برگرفته از واژهٔ لاتین cuprum) است عدد اتمی آن ۲۹ و عنصری فلزی با ویژگی‌های شکل‌پذیری و رسانایی گرمایی و الکتریکی بالا است و پس از نقره بالاترین رسانایی الکتریکی را دارد ولی به دلیل قیمت مناسب،از این فلز بیشتر از نقره در سیم برق و … استفاده می شود. مس خالص، نرم و چکش خوار است بخشی از آن که در برابر هوای آزاد قرار دارد به رنگ قرمز مایل به نارنجی است.

هزاران سال است که از مس و آلیاژهایش استفاده می‌شود. در دوران روم باستان، از معدن‌های مس در قبرس بهره‌برداری می‌شد ریشهٔ نام لاتین مس از واژهٔ сyprium به معنی فلز قبرس (metal of Cyprus) گرفته شده‌است که بعدها کوتاه شده و به شکل cuprum درآمده‌است.

ترکیب‌های مس معمولاً به شکل نمک‌های مس (II) دیده می‌شوند، رنگ آبی یا سبز کانی‌هایی مانند آزوریت و فیروزه که از گذشته به عنوان گوهر دانسته می‌شدند ناشی از همین فلز است. از مس در معماری ساختمانی و هنرهای تزئینی هم بهره برده می‌شود.

مس یک مادهٔ معدنی ضروری برای اندام‌های زنده است چون سهمی کلیدی در ساخت آنزیم تنفسی سیتوکروم اکسیداز سی دارد. خون نرم‌تنان و سخت‌پوستان از ماده‌ای به نام هموسیانین ساخته شده‌است. مادهٔ اصلی هموسیانین، مس است درحالی که خون ماهی‌ها و مهره‌داران دارای هموگلوبین است و مادهٔ اصلی سازندهٔ آن، آهن می‌باشد. اندام‌های اصلی بدن انسان که در آن مس یافت می‌شود عبارتند از: کبد، ماهیچه و استخوان‌ها.

ویژگی‌های مس

فیزیکی
“مس”،” نقره”و” طلا “همگی در گروه یازدهم جدول تناوبی جای دارند از این رو برخی رفتارهای مشترک را از خود نشان می‌دهند. همهٔ این عنصرها پس از یک لایه الکترونی d دارای یک الکترون در اوربیتال sاند. ویژگی مشترک همهٔ این عنصرها، چکش خواری و رسانایی الکتریکی بالا است. لایهٔ الکترونی d که پر از الکترون است چندان در واکنش‌های میان اتمی وارد نمی‌شود بلکه پیوند فلزی از طریق الکترون اوربیتال s صورت می‌گیرد. برخلاف فلزهایی که دارای لایهٔ d نیمه پر هستند، پیوند فلزی در مس دارای ویژگی‌های پیوند کووالانسی نیست و نسبتاً ضعیف است.

این مطلب دلیل سختی پایین و شکل‌پذیری بالای یک تک بلور مس است. در نگاه ماکروسکوپیک به شبکهٔ بلوری مس، در می‌یابیم که سختی آن زیر اثر یک تنش معلوم افزایش می‌یابد. از این رو مس معمولاً در قالب چندبلوری ریز که مقاومت بالاتری دارد قرار می‌گیرد تا در قالب تک‌بلوری.

نرمی مس تا حدی رسانایی الکتریکی بالا (۵۹٫۶×106 زیمنس بر متر) و در نتیجه رسانایی گرمایی بالای آن را توضیح می‌دهد. مس در مقایسه با دیگر فلزهای خالص دومین رسانای گرمایی بالا در دمای اتاق را دارد. این پدیده به این دلیل است که مقاومت در برابر جابجایی الکترون در فلزها در دمای اتاق بیشتر از پراکندگی الکترون‌ها در لرزش گرمایی شبکه سرچشمه می‌گیرد که البته این لرزش برای یک فلز نرم نسبتاً ضعیف است. بیشینهٔ چگالی جریان مجاز برای مس در هوای آزاد، نزدیک به ۳٫۱×106 A/m2 در سطح مقطع آن است.

اگر جریان از این مقدار بیشتر شود، مس انرژی گرمایی بیش از اندازه‌ای را پدیدمی‌آورد. مانند دیگر فلزها اگر مس در برابر فلزی دیگر قرار گیرد خوردگی گالوانیک روی می‌دهد.

مس یکی از چهار فلزی است که رنگ طبیعی آن خاکستری یا نقره‌ای نیست. دیگر فلزهای رنگین عبارتند از: سزیم و طلا به رنگ زرد و اسمیم به رنگ آبی.

خاصیت سطح ضد میکروبی مس و آلیاژهای آن

ظهور مقاومت میکروب‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها جان میلیون‌ها انسان را تهدید می‌کند. پس از آزمایش‌های کلینیکی و آزمایشگاهی بسیار در کشورهای مختلف جهان، ثابت شد که بسیاری از میکروارگانیسم‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، روی سطوح مسی کشته می‌شوند. .در سال ۲۰۰۸ سطح مس به عنوان اولین ماده جامد ضد میکروبی؛ قارچ کش، باکتری کش و نابودکننده ویروس، توسط آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا) به ثبت رسید. و بیش از ۴۷۹ آلیاژ مس (جرم مس موجود در آلیاژها حداقل باید ۶۰٪ باشد) برای حفظ سلامت عمومی به ثبت رسیده‌است.

نتایج آزمایش‌ها از این قرار است که سطح مس به‌طور پیوسته آلودگی باکتریایی را در مدت دو ساعت به ۹۹٬۹ درصد کاهش داده و حتی پس از آلودگی مجدد، آلودگی کاهش می‌یابد. سطح مسی بازدارنده شکل‌گیری و رشد باکتری در طول مدت دو ساعت است.

مشاهده شده‌است که مس با سرعت 8-7 logدر ساعت میکرب‌ها را می‌کشد. هنوز هیچ میکروارگانیسمی کشف نشده‌است که بتواند در تماس با سطح مس مقاوم باشد. مس نه تنها باکتری و عوامل بیماری ویروسی را می‌کشد بلکه همچنین به سرعت اسید نوکلئیک ماده ژنتیک را نابود می‌کند و از این روی است که سلول باکتری هیچ شانسی برای موتاسیون و راهی برای ورود به میکرب‌های دیگر را ندارد، فرایندی که انتقال افقی ژن – HGT – خوانده می‌شود.

در نتیجه از گسترش نسل بعدی باکتری پیشگیری می‌شود. سطح مس با نحوه اثر طیف وسیع ضد میکروب، باکتری کش، ضدویروس و قارچ کش است.

برآورد شده‌است که حدود ۸۰٪ بیماری‌های عفونی از راه تماس منتقل می‌شوند. استفاده از سطوح مسی در بیمارستان‌ها به ویژه در ICU برای دستگیره درها، شیر آب و اهرم سرویس بهداشتی، فلز تخت بیمار، میله میز بیمار، آنژیو کت، محل تماس زنگ‌ها و چراغ‌ها، نه تنها چرخه انتقال آلودگی میکربی را مختل می‌کند بلکه فعالانه خطر مقاومت باکتریایی را کاهش می‌دهد و مانع شیوع عفونت به دیگران می‌شود.

در یک آزمایش کلینیکی انجام شده با استفاده از سطوح مسی در ICU میزان عفونت‌های بیمارستانی به میزان ۸۵٪ کاهش یافته‌است. این استراتژی، در کنار رعایت بهداشت دست‌ها و اصول بهداشتی معمول می‌تواند حرکت به سمت نابودی کابوس مقاوم بودن میکروب‌ها در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها باشد.

تولید مس

استخراج مس معمولاً به 2 روش صورت می‌گیره:

پیرو متالوژی (احیا فلزات دردمای بالا):

• وقتی ترکیبات سولفیدی داشته باشیم از روش‌های پیرومتالوژی استفاده می‌کنیم.

هیدرومتالوژی (واکنش‌هایی که در محلول‌ها اتفاق می‌افتد):

• وقتی ترکیبات اکسیدی داشته باشیم از روش‌های هیدرومتالوژی استفاده می‌کنیم.

استخراج پیرومتالوژی مس شامل 3 مرحله کلی زیر می‌شود:

• تغلیظ مس Beneficiation
• استخراج به روش پیرو متالوژی Pyro-metallurgical extraction
• تصفیه دوباره یا پالایش مس refining

تغلیظ مس Beneficiation

سنگ معدن مس پس از استخراج از معدن مس و خرد شدن وارد مرحله تغلیظ مس می‌گردد. سنگ‌های مس استخراج شده کمتر از 1 درصد مس دارند. در اینجا ما مس را آسیاب کرده و به داخل سلول‌های فلوتاسیون می‌ریزیم. در این سلول کف داخل دوغ آب می‌جوشد و ذرات آب دوست ته نشین شده و ترکیبات آب گریز که همین ترکیبات سولفیدی هستند به روی آب می‌آیند. داخل این کف غلظت مس به 30 افزایش یافته است.
استخراج به روش پیرو متالوژی Pyro-metallurgical extraction

شامل 3 مرحله کلی زیر است:

تشفویه یا برشته کردن(roasting)

• در این مرحله ماده اولیه که عمدتاً شامل مس، آهن و گوگرد است با اکسیژن اضافی می‌سوزد و در آن اکسید آهن و سولفید مس تولید می‌شود.

تولید میت(matte)

• سولفید مس و اکسید آهن را درون کوره برده و آنها را می‌سوزانیم. در نتیجه این عمل ترکیبات سولفید آهن و سولفید مس تولید می‌گردد. این 2 ترکیب به راحتی درون یکدیگر حل می‌شوند.
• برای حل این مشکل و جداسازی سولفید آهن، ما به ترکیبی که درحال سوختن است، سیلیس را اضافه می‌کنیم تا با واکنش دادن با FeO در دمای بالا و ایجاد سرباره، قادر به جداسازی سولفید آهن از ترکیب ایجاد شده باشیم.

2FeS + 3O2 + SiO2 → 2FeO.SiO2 + 2SO2 + heat

ترکیبات خارج شده از این مرحله که را میت می‌نامیم.

(matte = Cu2S(more)+FeS(less
تبدیل میت به آندهای مس

در دستگاهی به نام (convertor) ما matte تولید شده در مرحله قبل را با اکسیژن اضافی مخلوط می‌کنیم. Convertor شامل یک استوانه چرخان است که از دیواره‌های آن اکسیژن دمیده می‌شود.

FeO تولید شده در این عمل مثل مرحله قبل و با اضافه کردن SiO2 جداسازی می‌شود.

Cu2S + O2 → 2Cu + 2S02 + heat

همان طور در فرمول مطرح شده مشخص است، مس نتیجه این معادله است. ولی این مس خارج شده، مس ناخالص است و به مس بلیستر (Blister copper) یا تاول تاول می‌گویند و مس هنوز خلوص مورد انتظار ما را ندارد.

همان طور که در فرمول‌های مطرح شده در 3 مرحله استخراج به روش پیرومتالوژی قابل مشاهده است، مقدار تولید SO2 بسیار زیاد است. معمولاً کارخانه‌های تولید مس، مقدار زیادی SO2 تولید می‌کنند که یا ورود به طبیعت، آلودگی فراوانی را به وجود می‌آورند. به همین منظور همواره کنار کارخانه‌های تولید مس، کارخانه‌های تولید اسید سولفوریک وجود دارد که با واکنش SO2 با آب، اسید سولفوریک حاصل می‌گردد.

تصفیه دوباره یا پالایش مس refining

مس خارج شده از مرحله قبل، مس خالص و مدنظر ما نمی‌باشد. این مس را ذوب کرده و داخل قالب‌های خاصی ریخته گری می‌کنند و به مس با این اشکال آند می‌گویند به دلیل اینکه در مرحله بعد این قطعات را به داخل سلول‌های الکترولیز وارد می‌کنند و این قطعات ریخته گری نقش آند را در سلول‌های الکترولیز بازی می‌کنند.

در سلول‌های الکترولیز از آند (مس، طلا، نقره، نیکل و…) در محلول الکترولیز حل شده و با تنظیم ولتاژ کاتد، تنها ذرات مس به کاتد می‌چسبند و ذرات دیگر یا به صورت محلول درآمده یا به صورت لجن در کف حمام الکترولیز باقی می‌مانند. این واکنش ممکن است 7 الی 14 روز طول بکشد.

کاتد همان مس خالص و مطلوب ماست و به همین صورت خرید فروش می‌شوند.