We gaan verder met het bespreken van enkele van de belangrijkste materialen in warmtebehandeling en metallurgie.
Koper (Chemisch symbool: Cu)
Koper is een zacht, kneedbaar en buigzaam metaal met een zeer hoog thermisch en elektrisch geleidingsvermogen. Zuiver koper heeft een rood-oranje kleur (fig. 1) en wordt helder groen-blauw wanneer het wordt geoxideerd (fig. 2).
Koper is een van de belangrijkste elementen in de geschiedenis van de metallurgie. Het was het eerste metaal dat door de mens werd gebruikt. Koper werd rond 5000 v. Chr. uit erts gesmolten, rond 4000 v. Chr. in vormen gegoten en was het eerste metaal dat in 3500 v. Chr. met tin werd gelegeerd tot brons, wat het begin van de Bronstijd markeerde.
De Egyptenaren gebruikten het voor het maken van landbouwgereedschappen zoals schoffels en sikkels, maar ook van kookgerei, vaatwerk en handwerkgereedschap zoals zagen, beitels en messen. De Egyptenaren maakten ook spiegels en scheermessen van koper en produceerden groene en blauwe schmink van malachiet en azuriet, twee koperverbindingen met schitterende groene en blauwe kleuren.
De Romeinen gebruikten het veelvuldig voor munten en architectonische versieringen. Op een bepaald moment produceerden de Romeinen bijna 17.000 ton koper per jaar, meer dan tot de industriële revolutie in Europa zou worden geproduceerd.
In de moderne metallurgie verbetert koper als legeringsmiddel de corrosiebestendigheid tegen bepaalde zuren en bevordert het een austenitische microstructuur. Het kan ook worden toegevoegd om de werkharding in roestvrij staal te verminderen voor een betere bewerkbaarheid en om de vervormbaarheid te verbeteren. De hoge elektrische en thermische geleidbaarheid van koper is het gevolg van zijn atomaire structuur. Binnen het atoomrooster van koper is een wolk van vrije elektronen beschikbaar voor de overdracht van elektrische stroom. Deze zelfde wolk van elektronen bevordert ook de efficiënte overdracht van thermische energie. Het koperatoom lijkt sterk op een atoom van goud of zilver, die samen met koper een groep vormen in het periodiek systeem der elementen.
Koper is als sporenelement essentieel voor alle levende organismen. Bij de mens wordt koper vooral aangetroffen in de lever, de spieren en de botten, en het volwassen lichaam bevat tussen 1,4 en 2,1 mg koper per kilogram lichaamsgewicht. Een gezond mens van 60 kg bevat ongeveer 0,1 g koper. Bij week- en schaaldieren is koper een bestanddeel van het bloedpigment hemocyanine, dat bij vissen en andere gewervelde dieren is vervangen door het ijzer-gecomplexeerde hemoglobine. Deze kleine hoeveelheid is echter essentieel voor het algemeen menselijk welzijn.
Het gemiddelde huis bevat 400 pond koper dat wordt gebruikt voor elektrische bedrading, leidingen en apparaten. De gemiddelde auto heeft 50 pond koper, en het Vrijheidsbeeld (Fig. 3) bevat meer dan 89 ton koper. De U.S. Geological Survey (USGS) schat dat elke Amerikaan die in 2008 is geboren, tijdens zijn leven 1.309 pond koper zal gebruiken voor levensbehoeften, levensstijl en gezondheid.
Hier volgen een paar belangrijke feiten over koper.
- Atoomnummer: 29
- Smeltpunt: 1084,62°C
- Kookpunt: 2562°C
- Dichtheid nabij RT: 8,96 g/cm3
- Smelttemperatuur: 13,26 kJ/mole
- Verdampingswarmte: 300,4 kJ/mole
- Molaire warmtecapaciteit: 24,440 J/mole-K
- Thermische uitzetting bij RT: 16.5 µm/(m-K)
- Thermische geleidbaarheid: 401 W/(m-K)
- Elektrisch weerstandsvermogen bij kamertemperatuur: 16,78 nΩ-m
- Young’s modulus: 110-128 GPa
- Shear modulus: 48 GPa