Vi fortsätter att gå igenom några av de viktigaste materialen inom värmebehandling och metallurgi.
Koppar (Kemisk symbol: Cu)
Koppar är en mjuk, formbar och duktil metall med mycket hög termisk och elektrisk ledningsförmåga. Ren koppar har en rödorange färg (fig. 1) och blir ljust grönblå när den oxideras (fig. 2).
Koppar är ett av de viktigaste grundämnena i metallurgins historia. Det var den första metall som användes av människan. Koppar smältes från malm omkring 5000 f.Kr., gjöts till former omkring 4000 f.Kr. och var den första metallen som legerades med tenn för att skapa brons 3500 f.Kr. vilket markerade bronsålderns början.
Egyptierna använde koppar för att tillverka jordbruksredskap som hackor och siklar, samt köksredskap, tallrikar och hantverksredskap som sågar, mejslar och knivar. Egyptierna tillverkade också speglar och rakblad av koppar och producerade grönt och blått smink av malakit och azurit, två kopparföreningar med lysande gröna och blå färger.
Romanerna använde det i stor utsträckning för mynt och arkitektonisk utsmyckning. Vid ett tillfälle producerade romarna nästan 17 000 ton koppar årligen, mer än vad som skulle produceras igen fram till den industriella revolutionen i Europa.
I modern metallurgi förbättrar koppar som legeringsmedel korrosionsbeständigheten mot vissa syror och främjar en austenitisk mikrostruktur. Det kan också tillsättas för att minska arbetshärdningen i rostfritt stål för förbättrad bearbetbarhet och för att förbättra formbarheten. Kopparns höga elektriska och termiska ledningsförmåga beror på dess atomstruktur. Inom kopparatomgallret finns ett moln av fria elektroner tillgängligt för överföring av elektrisk ström. Samma moln av elektroner förbättrar också den effektiva överföringen av värmeenergi. Kopparatomen är ganska lik en atom av guld eller silver, som tillsammans med koppar utgör en grupp i det periodiska systemet av grundämnen.
Koppar är viktigt för alla levande organismer som spårämne. Hos människor finns koppar främst i lever, muskler och ben, och den vuxna kroppen innehåller mellan 1,4 och 2,1 mg koppar per kilo kroppsvikt. En frisk människa som väger 60 kg innehåller ungefär 0,1 g koppar. Hos blötdjur och kräftdjur ingår koppar i blodpigmentet hemocyanin, som hos fisk och andra ryggradsdjur ersätts av det järnkomplexa hemoglobinet. Denna lilla mängd är dock väsentlig för människans allmänna välbefinnande.
Det genomsnittliga hemmet innehåller 400 pund koppar som används för elektriska ledningar, rör och apparater. Den genomsnittliga bilen innehåller 50 pund koppar och Frihetsgudinnan (fig. 3) innehåller över 89 ton koppar. U.S. Geological Survey (USGS) uppskattar att varje amerikan född 2008 kommer att använda 1 309 pund koppar under sin livstid för nödvändigheter, livsstil och hälsa.
Här är några viktiga fakta om koppar.
- Atomnummer: 29
- Smältpunkt: 1084,62°C
- Kokpunkt: 2562°C
- Täthet nära RT: 8,96 g/cm3
- Smältningsvärme: 13,26 kJ/mol
- Förångningsvärme: 300,4 kJ/mol
- Molär värmekapacitet: 24,440 J/mol-K
- Termisk expansion vid RT: 16.5 µm/(m-K)
- Termisk konduktivitet: 401 W/(m-K)
- Elektrisk resistivitet vid RT: 16,78 nΩ-m
- Young’s modul: 110-128 GPa
- Skjuvmodul: 48 GPa