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 می‌شود. 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.^[۳]

ویژگی‌ها[ویرایش]

فیزیکی[ویرایش]

یک قرص ساخته شده از مس با درجهٔ پالودگی ۹۹٫۵ درصد. برای نشان دادن کریستالیتها از قالبگیری پیوسته و فرایند سونش بهره برده شده‌است.

"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.^[۴] 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.^[۵]

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.^[۶] 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.^[۴] 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.^[۷] مانند دیگر فلزها اگر مس در برابر فلزی دیگر قرار گیرد خوردگی گالوانیک روی می‌دهد.^[۸]

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.^[۹]

تولید[ویرایش]

استخراج مس معمولاً به ۲ روش صورت می‌گیرد:

• 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 ۳ مرحله کلی زیر می‌شود:

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

تغلیظ مس Beneficiation[ویرایش]

سنگ معدن مس پس از استخراج از معدن مس و خرد شدن وارد مرحله تغلیظ مس می‌گردد. سنگ‌های مس استخراج شده کمتر از ۱ 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 ته‌نشین شده و ترکیبات آب گریز که همین ترکیبات سولفیدی هستند به روی آب می‌آیند. داخل این کف غلظت مس به ۳۰ افزایش یافته‌است.

استخراج به روش پیرو متالوژی Pyro-metallurgical extraction[ویرایش]

شامل ۳ مرحله کلی زیر است:

تشفویه یا برشته کردن(roasting)[ویرایش]

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)[ویرایش]

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 ۲ 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[ویرایش]

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

همان‌طور 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.

نکته بسیار مهم

همان‌طور که در فرمول‌های مطرح شده در ۳ 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[ویرایش]

مس خارج شده از مرحله قبل، مس خالص و مدنظر ما نمی‌باشد. این مس را ذوب کرده و داخل قالب‌های خاصی ریخته‌گری 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 ریخته‌گری 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 ۷ الی ۱۴ روز طول بکشد.

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

تاریخچه[ویرایش]

«در حدود پنج هزار سال پیش از میلاد مردم غارنشین فلات ایران بر اثر تغییراتی که از لحاظ آب و هوا و تشکیل مزارع و چمنزارها به وجود آمد به دشت‌ها روی آوردند و زندگی تازه‌ای را آغاز کردند و در تمدن آن‌ها نسبت به دوران‌های پیشین پیشرفت بیشتری دیده شد. مردمی که در فلات ایران زندگی می‌کردند گه گاه به سفالگری و ساختن اشیاء با گل می‌پرداختند و با پختن آن‌ها از آن‌ها آثاری زیبا پدیدمی‌آوردند. آن‌ها در برخی اوقات مشاهده می‌کردند که بعضی از ظروف سفالینشان در اثر ضربه نمی‌شکند و همین‌طور در برخی اوقات از ظروفی که در آتش می‌نهادند ماده‌ای خارج می‌شد که پس از سرد شدن سخت می‌گشت. آن‌ها نام این ماده را مس گذاشتند و در ساخت ظروف و ابزار کشاورزی و جنگ از آن استفاده‌های بسیار کردند. در پایان عهد حجر پسین مردم این منطقه آلات و ابزار خود را با مس می‌ساختند و کم‌کم این‌گونه ادوات جای ابزار سنگی را که تا آن زمان متداول بود گرفت . ..... در هزاره چهارم پیش از میلاد مردم دشت‌نشین فلات ایران در کار زندگی پیشرفت بیشتری کردند … با آن‌که سنگ در ساختن آلات و ادوات در این عهد به کار می‌رفت فلز نیز بیش از دوره پیش وارد صنعت گردید، مس را با چکش صاف می‌کردند، اما طرز ذوب کردن فلزات را نمی‌دانستند و با مس سنجاق و ظروف ظریف می‌ساختند. ..... در این دوره ذوب مس نیز متداول شد و آلات و ادوات را به شیوه ریخته‌گری ساختند. در سکونت‌گاه‌های دوره مزبور چاقوها و دشنه‌هایی با تیغه مسین به دست آمده‌است. همچنین در حفاری‌های سیلک کاشان مقداری آئینه مسی جهت آرایش به دست آمده‌است. از ویژگی‌های این دوره وجود گوشواره‌هایی از طلا و لاجورد است.»^[۱۱]

مس برای تعدادی از تمدن‌های قدیمی ثبت شده، شناخته شده بود و تاریخ استفاده از آن حد اقل به ۱۰٬۰۰۰ سال پیش می‌رسد. یک آویزه مسی، متعلق به ۸۷۰۰ سال قبل از میلاد در شمال عراق کنونی پیدا شد. نشانه‌هایی مبنی بر ذوب و خالص کردن مس از اکسیدهای آن مانند مالاکیت و آزوریت تا سال ۵۰۰۰ قبل از میلاد وجود دارد. در عوض اولین نشانه‌های استفاده از طلا تقریباً به ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد بر می‌گردد.

مصنوعات مسی و برنزی که از شهرهای سومری و مصنوعات مصری که از مس و آلیاژ آن با قلع یافت شده تقریباً متعلق به ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد هستند. در یکی از اهرام یک سامانه لوله‌کشی با مس پیدا شده که مربوط به۵۰۰۰ سال پیش است. مصریان دریافتند افزودن مقدار کمی قلع، قالب‌گیری مس را آسان‌تر می‌کند بنابراین آلیاژهای برنزی که در مصر کشف می‌شوند تقریباً قدمتی همانند مس دارند. استفاده از مس در چین باستان حداقل به ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد مربوط بوده و تا ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد در این کشور برنز مرغوب ساخته می‌شده‌است. در نظر داشته باشید چون مس به راحتی برای استفاده و کاربرد مجدد ذوب می‌شود، دوران ذکر شده تحت تأثیر جنگ‌ها و کشورگشایی‌ها قرار می‌گیرد. در اروپا مرد یخی [Ötzi]، مردی که به دقت نگهداری می‌شود و متعلق به ۳۳۰۰ سال قبل از میلاد بوده و در شمال کشور ایتالیا نزدیک مرز اتریش یافت شده‌است، تبری با نوک مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن ۹۹٫۷٪ می‌باشد. مقدار زیاد آرسنیک موجود در موهای او نشان دهنده سرو و کار او با پالایش مس می‌باشد.

استفاده ار برنز در مرحله‌ای از تمدن به قدری فراگیر بود که آن مرحله را عصر برنز می‌نامند. برنج برای یونانیان شناخته شده بود اما اولین بار به صورت گسترده توسط رومیان بکار رفت. به خاطر زیبایی درخشانش- به‌طوری‌که در باستان برای ساخت آئینه از آن استفاده می‌شد -و نیز به دلیل ارتباط آن با قبرس که مربوط به الهه بود، در اسطوره‌شناسی و کیمیاگری فلز مس با ایزدبانوهای آفرودیت و ونوس پیوند دارد. در کیمیاگری علامتی را که برای مس در نظر گرفته بودند، علامت سیاره ناهید نیز بود.

سر رونالد پیرین در کتاب خویش به نام مس و آناتومی یک صنعت، مس را بعنوان یکی از فلزاتی که از آغاز تمدن توسط آدمی بکار گرفته شده شناخته و از دره تیمنا در بخش غربی صحرای عدبه در فلسطین اشغالی بعنوان گهواره این صنعت نام برده‌است، دره تیمنا در فلسطین اشغالی تأمین کننده مس فراعنه بوده‌است (در یک پاپیروس مصری کاربرد مس برای درمان عفونتها و ضدعفونی کردن آب ثبت شده‌است)^[۱۲]

شخصی بنام فیشل اظهار داشت: در دهه ۱۸۵۰ در منطقه بوردو فرانسه، کشاورزی در تاکستان خود، باآغشته نمودن آهک و مس سعی کرد انگورها را برای عدم استفاده افراد غیرجذاب نماید، کشاورز به شکل اتفاقی متوجه شدانگورهای آغشته شده در برابر بیماریهای قارچی مقاوم هستنداز همان‌جا بود که خاصیت قارچ کش مس به اثبات رسید.^[۱۳]

پیدایش[ویرایش]

مس معمولاً به شکل معدنی یافت می‌شود. کانی‌هایی مثل آزوریت، مالاکیت و برنیت همانند سولفیدهایی از جمله کالکوپیریت (CuFeS2)، کوولین (CuS)، کالکوزین (Cu2S) یا اکسیدهایی مانند کوپریت (Cu2O) از منابع مس هستند.

ترکیبات[ویرایش]

آلیاژهای بسیاری از مس وجود دارد برنج آلیاژ مس و روی است و برنز آلیاژ مس و قلع است. متداول‌ترین حالات اکسیداسیون مس شامل حالت مربوط به مس یک ظرفیتی cuprous، 1+Cu و حالت cupric،2+Cu می‌باشد.

کربنات مس به رنگ سبز است که به وسیلهٔ آن ظاهر منحصر به فرد بام‌ها یا گنبدهای با پوشش مس روی بعضی ساختمان‌ها ساخته می‌شوند.

اکسیدهای مس (مانند:اکسید مس ایتریم و باریم ۷δ Yba2Cu3O یا YBCO) پایه‌های بسیاری از ابر رساناهای غیرمعمول را تشکیل می‌دهند.

ترکیبات دیگر: سولفید مس

خاصیت سطح ضد میکروبی مس و آلیاژهای آن[ویرایش]

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. .^[۱۴] 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.^[۱۵] و بیش از ۴۷۹ آلیاژ مس (جرم مس موجود در آلیاژها حداقل باید ۶۰٪ باشد)^[۱۶] برای حفظ سلامت عمومی به ثبت رسیده‌است.^[۱۷]

نتایج آزمایش‌ها از این قرار است: 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.^[۱۸] مشاهده شده‌است که مس با سرعت 8-7 logدر ساعت میکرب‌ها را می‌کشد.^[۱۴] 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.^[۱۹] سطح مس با نحوه اثر طیف وسیع ضد میکروب، باکتری کش، ضدویروس و قارچ کش است.^[۲۰]

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، آنژیوکت، محل تماس زنگ‌ها و چراغ‌ها، نه تنها چرخه انتقال آلودگی میکروبی را مختل می‌کند بلکه فعالانه خطر مقاومت باکتریایی را کاهش می‌دهد و مانع شیوع عفونت به دیگران می‌شود.^[۲۱] 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.^[۱۷]

مقایسه خاصیت ضد میکروبی سطوح نقره و مس[ویرایش]

خاصیت ضد میکربی نقره ذاتاً قوی تر از مس است. اما کارایی ضد میکربی سطح نقره، تنها در دمای بالا (۳۵ درجه سانتیگراد) و رطوبت بالا (۹۰٪ یا رطوبت نسبی بیشتر) عمل می‌کند. در حالیکه، سطح مس در دمای معمولی اتاق (۲۲ درجه سانتیگراد) و رطوبت عادی(۵۰٪) توانایی کشتن ۹۹٫۹٪ میکرب‌ها را دارد. تا پیش از این مطالعه، نقره برای دمای عادی اتاق که در بیمارستان هم وجود دارد، آزمایش نشده بود. در تحقیق آزمایشگاهی انجام شده در ماه مه۲۰۱۰ روی باکتری MRSA، در بیمارستانی در شهر بیرمنگام، مشاهده می‌شود که سطح مس با سرعت log 7، در مدت ۷۵ دقیقه، باکتری را نابود کرده‌است. اما سطوح دارای نقره در مدت ۳۶۰ دقیقه، کارکرد معناداری نداشته‌اند.

منبع : دانشنامه ویکی پدیا