Đồng là gì?

Đồng, tiếng Anh là Copper, là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Cu, có số hiệu nguyên tử bằng 29. Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ. Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau.

Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng. Do đó, nó được con người sử dụng từ rất sớm khoảng 8000 TCN. Nó là kim loại đầu tiên được nung chảy từ quặng của nó vào khoảng 5000 TCN, kim loại đầu tiên được đúc thành khối vào khoảng 4000 TCN và kim loại đầu tiên được tạo thành hợp kim với các loại khác, là thiếc để tạo ra đồng điếu vào khoảng 3500 TCN.

Kim loại và các hợp kim của nó 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).

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. Cơ thể người trưởng thành chứa khoảng 1,4 đến 2,1 mg đồng trên mỗi kg cân nặng.

Tính chất

Vật lý

Đồng ở nhiệt độ nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của nó một chút làm cho nó có ánh hồng khi đủ ánh sáng sẽ làm cho nó rạng rỡ hơn với màu cam đỏ.

Đồng, bạc và vàng đều nằm trong nhóm 11 của bảng tuần hoàn nên chúng có nhiều thuộc tính giống nhau: chúng có 1 electron trong phân lớp s¹ nằm trước nhóm d¹⁰ và được đặc trưng bởi tính dẻo và dẫn điện cao. Các orbital được lấp đầy các electron trong các nguyên tố này không đóng góp nhiều vào các tương tác nội nguyên tử, chủ yếu ảnh hưởng bởi các electron phân lớp s thông qua các liên kết kim loại. Trái ngược với các kim loại mà phân lớp d không được lấp đầu bởi các electron, các liên kết kim loại trong đồng thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị và chúng tương đối yếu. Điều này giải thích tại sao các tinh thể đồng riêng biệt có độ dẻo cao và độ cứng thấp. Ở quy mô lớn, việc thêm vào các khuyết tật trong ô mạng tinh thể như ranh giới hạt, sẽ làm cản trở dòng vật liệu dưới áp lực nén từ đó làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ, đồng thường được đưa ra thị trường ở dạng polycrystalline hạt mịn, dạng này có độ cứng lớn hơn dạng monocrystalline.

Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cao của nó(59.6×10⁶ S/m) và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng. (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn). Đặc điểm này là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể, mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với cho một kim loại mềm. Mật độ dòng thấm tối đa của đồng trong không khí ngoài trời vào khoảng 3,1×10⁶ A/m², vượt trên giá trị này nó bắt đầu nóng quá mức. Cùng với những kim loại khác, nếu đồng được đặt cạnh kim loại khác, ăn mòn galvanic sẽ diễn ra.

Cùng với lưu huỳnh và vàng (cả hai đều có màu vàng), đồng là một trong 3 nguyên tố có màu tự nhiên khác với màu xám hoặc bạc. Đồng tinh khiết có màu đỏ cam và tạp 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 electrong giữa hai phân lớp này tương ứng với ánh sáng cam. Cơ chế xảy ra tương tự đối với màu vàng của vàng và lưu huỳnh.

Hóa học

Sợi đồng không bị oxy hóa (trái) và sợi đồng bị oxy hóa (phải).

Tháp Đông của Royal Observatory, Edinburgh. Sự khác biệt giữa đồng được tân trang lại năm 2010 và màu lục nguyên thủy của đồng năm 1894 có thể thấy được rõ ràng.

Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái oxy hóa +1 và +2, mà thường được gọi theo thứ tự là cuprous và cupric.Nó không phản ứng với nước, nhưng phản ứng chậm với oxy trong không khí tạo thành một lớp oxide đồng màu nâu đen. Ngược lại với sự oxy hóa của sắt trong không khí ẩm, lớp oxide này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn. Một lớp màu lục của verdigris (đồng cacbonat) thường có thể bắt gặp trên các công trình cổ có sử dụng đồng như Tượng Nữ thần tự do, tượng bằng đồng lớn nhất trên thế giới được xây dựng dùng repoussé and chasing. Hydrogen sulfide và sulfide phản ứng với đồng tạo ra các hợp chất đồng sulfide khác nhau trên bề mặt. Trong trường hợp phản ứng với sulfide, ăn mòn đồng diễn ra khi đồng tiếp xúc với không khí có chứa các hợp chất sulfide. Các dung dịch amoni chứa oxy có thể tạo ra một phức chất hòa tan trong nước với đồng, khi phản ứng với oxy và acid clohydric để tạo thành đồng chloride và hydro peroxide bị acid hóa để tạo thành các muối đồng(II). Đồng(II) chloride và đồng phản ứng với nhau tạo thành đồng(I) chloride.

Đồng vị

Đồng có 29 đồng vị.⁶³Cu and 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 bị 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 ⁶²Cu-PTSM là một phương pháp vết phóng xạ trong chụp cắt lớp bằng positron.

Phân bố

Đồng có thể tìm thấy như là đồng tự nhiên hoặc trong dạng khoáng chất. Đồng tự nhiên là một dạng polycrystal, với các tinh thể riêng lẻ lớn nhất đã được ghi nhận có kích thước 4,4×3,2×3,2 cm. Khối đồng nguyên tố lớn nhất có cân nặng 420 tấn, được tìm thấy năm 1857 trên bán đảo Keweenaw ở Michigan, Hoa Kỳ. Có nhiều dạng khoáng chứa đồng như cacbonat azurit (2CuCO₃Cu(OH)₂) và malachit (CuCO₃Cu(OH)₂) là các nguồn để sản xuất đồng, cũng như là các sulfide như chalcopyrit (CuFeS₂), bornit (Cu₅FeS₄), covellit (CuS), chalcocit (Cu₂S) và các oxide như cuprit (Cu₂O).

Phần lớn đồng trích xuất được trong các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có ít hơn 1% đồng. Các ví dụ bao gồm: mỏ Chuquicamata ở Chilê và mỏ El Chino ở New Mexico. Việt Nam có mỏ đồng Sinh Quyền ở Lào Cai.

Đồng có mặt trong vỏ Trái Đất với hàm lượng 50 ppm, và có thể được tổng hợp trong các ngôi sao có khối lượng lớn.

Sản xuất

Xu hướng sản xuất trên thế giới

Sản lượng đồng năm 2005

Giá đồng giai đoạn 2003–2011, USD/tấn

Hầu hết đồng được khai thác hoặc chiết tách ở dạng đồng sulfide từ các mỏ đồng porphyr khai thác lộ thiên chứa từ 0,4 đến 1,0% đồng. Ví dụ một số mỏ như: mỏ Chuquicamata ở Chile; Bingham Canyon Mine ở Utah, Hoa Kỳ; và El Chino Mine ở New Mexico, Hoa Kỳ. Theo Cục Khảo sát địa chất Anh, năm 2005, Chile là nước dẫn đầu về khai thác đồng chiếm ít nhất 1/3 sản lượng đồng thế giới, theo sau là Hoa Kỳ, Indonesia và Peru. Đồng cũng được thu hồi qua quá trình In-situ leach. Nhiều nơi ở tiểu bang Arizona được xem là những ứng viên cho phương pháp này. Lượng đồng đang đượng sử dụng đang tăng và số lượng có sẵn là hầu như không đủ để cho phép tất cả các nước để đạt đến mức độ sử dụng của thế giới phát triển.

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. Nhiều ước tính trữ lượng đồng hiện tại cho thấy việc khai thác có thể diễn ra từ 25 đến 60 năm tùy thuộc vào những giả định cốt lõi như tốc độ phát triển. Tái chế là một nguồn chính của đồng trong thế giới hiện đại. Do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, sản lượng và cung ứng đồng trong tương lai là một chủ đề còn nhiều tranh cãi, bao gồm cả khái niệm về đỉnh đồng, tương tự như đỉnh dầu.

Giá đồng trong lịch sử là không ổn định, và nó tăng gấp 5 lần từ giá thấp duy trì 60 năm từ US$1,32/kg trong tháng 6 năm 1999 đến US$8,27/kg trong tháng 5 năm 2006. Nó rớt từ US$5,29/kg trong tháng 2 năm 2007, sau đó tăng lên US$7,71/kg tháng 4 năm 2007. Tháng 2 năm 2009, nhu cầu toàn cầu giảm và giá cả hàng hóa giảm mạnh từ mức cao của năm trước là US$1,51/lb.

Ứng dụng

Đồng là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uốn, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, vì vậy nó được sử dụng một cách rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm:

• Dây điện.
• Que hàn đồng.
• Tay nắm và các đồ vật khác trong xây dựng nhà cửa.
• Đúc tượng: Ví dụ tượng Nữ thần Tự Do, chứa 81,3 tấn (179.200 pound) đồng hợp kim.
• Cuộn từ của nam châm điện.
• Động cơ, đặc biệt là các động cơ điện.
• Động cơ hơi nước của Watt.
• Rơ le điện, dây dẫn điện giữa các bảng mạch và các chuyển mạch điện.
• Ống chân không, ống tia âm cực và magnetron trong các lò vi ba.
• Bộ dẫn sóng cho các bức xạ vi ba.
• Việc sử dụng đồng trong các mạch IC đã trở nên phổ biến hơn để thay thế cho nhôm vì độ dẫn điện cao của nó.
• Là một thành phần trong tiền kim loại.
• Trong đồ nhà bếp, chẳng hạn như chảo rán.
• Phần lớn các đồ dùng bằng niken trắng dùng ở bàn ăn (dao, nĩa, thìa) có chứa một lượng đồng nhất định.
• Trong chế tạo đồ đựng thức ăn bằng bạc (hàm lượng bạc từ 92,5% trở lên), có chứa một số phần trăm đồng.
• Là thành phần của gốm kim loại và thủy tinh màu.
• Các loại nhạc khí, đặc biệt là các loại nhạc khí từ đồng thau.
• Làm bề mặt tĩnh sinh học trong các bệnh viện hay các bộ phận của tàu thủy để chống hà.
• Các hợp chất, chẳng hạn như dung dịch Fehling, có ứng dụng trong phân tích hóa học.
• Đồng (II) Sulfat được sử dụng như là thuốc bảo vệ thực vật và chất làm sạch nước.
• Chất xúc tác cho phản ứng oxy hoá không hoàn toàn( Ví dụ như sản xuất benzophenone từ diphenylmethane)

Đồ đồng là những sản phẩm làm từ nguyên liệu bằng đồng ví dụ như tượng đồng, tranh đồng, trống đồng… Từ lâu đồ đồng đã được dùng như là những dụng cụ, đồ vật trang trí trong nhà không thể thiếu của người Việt Nam chúng ta. Nhất là trong tín ngưỡng, văn hóa dân gian. Từ lâu người Việt đã dùng đồng để làm đồ thờ cúng trong ban thờ gia tiên như: hoành phi câu đối bằng đồng, bộ đồ thờ cúng bằng đồng, đỉnh đồng, lư đồng, hạc đồng…

Đồ đồng mỹ nghệ là những sản phẩm mỹ nghệ làm từ đồng ví dụ như: tượng đồng, tranh đồng, trống đồng… Những sản phẩm mỹ nghệ làm từ đồng luôn được ưa chuộng và rất hay được sử dụng trong nhà nhất là tranh đồng, tượng đồng

Đồ đồng phong thủy là những vật phẩm, linh vật, tượng… làm từ đồng. Đồ đồng phong thủy dùng để trấn trạch, hoặc dùng để thỉnh cầu một nguyện vọng nào đó: hóa cát thành hung, giải thoát tai ương, mong muốn những điều tốt đẹp nhất đến với mình và gia đình mình

Bá Đồng là một nhân vật trong phim Mùa hoa tìm lại