Chương 1 TỔNG QUAN 1. KIM LOẠI ĐỒNG 1.1 Khái quát Kim loại đồng đã được con người biết đến và sử dụng cách đây hàng chục nghìn năm, nó là một trong những kim loại quan trọng bậc nhất của nhiều ngành công nghiệp. Nó có nhiều tính năng ưu việt như: Độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, ít bị ôxi hoá, có độ bền cao và độ chống ăn mòn tốt. Đồng có khả năng tạo nhiều hợp kim với các kim loại màu khác cho nhiều tính chất đa dạng, đồng có thể tồn tại ở dạng nguyên chất trong tự nhiên (hình 1.
Đồng được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật, một phần lớn đồng được dùng để chế tạo đồng thau, chế tạo các thiết bị hoá. Ngoài ra, đồng còn được dùng trong xây dựng, muối đồng dùng để chế tạo sơn, thuốc trừ sâu và thuộc da [1]. - Ký hiệu của đồng: Cu - Số thứ tự: 29 - Khối lượng nguyên tử: 63,546(3) - Cấu hình electron: [Ar] 3d10 4s1 (hình 1.2) - Số electron lần lượt trên lớp vỏ điện tử: 2, 8, 18 và 1 Hình 1. Một khối đồng trong quặng tự nhiên (Nguồn: http://vi.org/wiki/%C4%90%E1%BB%93ng) Võ Hữu Thịnh Trang 1 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 1.
Cấu hình electron của nguyên tử đồng (Nguồn: http://vi.org/wiki/%C4%90%E1%BB%93ng) 1. Tính chất vật lý: - Đồng là kim loại chuyển tiếp, thuộc chu kỳ 4, phân nhóm phụ nhóm I. - Kim loại đồng là chất rắn, có ánh kim, màu đỏ cam. - Khối lượng riêng tại nhiệt độ phòng: 8,94 g/cm 3 - Khối lượng riêng ở nhiệt độ nóng chảy: 8,02 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy: 1084,62 oC - Nhiệt độ sôi: 2562oC - Nhiệt lượng nóng chảy: 13,26 kJ/mol - Nhiệt lượng bay hơi: 304 kJ/mol - Nhiệt dung riêng: 24,44 J/mol.K - Độ âm điện: 1,90 - Cấu trúc tinh thể: Lập phương tâm mặt (hình 1.
Cấu trúc tinh thể của kim loại đồng (Nguồn: http://vi.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Cubic-face- centered.svg) - Năng lượng ion hóa: Thứ 1: 745,5 kJ.mol−1, Thứ 2: 1957,9 kJ.mol−1, Thứ 3: 3555 kJ.mol−1 - Bán kính cộng hoá trị: 128 pm Võ Hữu Thịnh Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ - Độ dài liên kết cộng hóa trị: 132±4 pm - Bán kính van der Waals: 140 pm - Trạng thái trật tự từ: Nghịch từ - Điện trở suất: (20 °C) 16,78 nΩ.K−1 - Độ giãn nở nhiệt: (25 °C) 16,5 µm. Tính chất hóa học / = +0,34 > / (1.1) Do đó, đồng là kim loại kém hoạt động, có tính khử yếu. Tác dụng với phi kim: - Đồng phản ứng với ôxi khi đun nóng tạo lớp đồng ôxít bảo vệ, nên đồng không bị ôxi hoá tiếp tục.2) - Khi tiếp tục đun nóng tới (800-1000oC) CuO + Cu → Cu 2O (đỏ) (1.3) - Tác dụng trực tiếp với Cl2, Br2, S. Cu + Cl2 → CuCl2 (1.5) Tác dụng với axit: - Đồng không tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng.
- Khi có mặt ôxi, đồng tác dụng với dung dịch HCl, nơi tiếp xúc giữa dung dịch axit với không khí. 2Cu + 4HCl + O2 → 2 CuCl2 + 2 H2O (1.6) 2Cu + 4H2SO4 + O2 → 2CuSO4 + 2H2O (1.7) * với HNO3, H2SO4 đặc : Võ Hữu Thịnh Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ Cu + 2 H2SO4 (đặc) → CuSO4 + SO2 + H2O (1.8) Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O (1.9) 3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O (1.10) Tác dụng với dung dịch muối: - Khử được ion kim loại đứng sau nó trong dung dịch muối. Cu + 2 AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2 Ag (1. Sản xuất đồng: - Trong tự nhiên : Phần lớn tồn tại ở dạng hợp chất.
- Các loại quặng : Pirit đồng CuFeS2, malachit Cu(OH)2. - Sản xuất đồng từ CuFeS2 : Chia làm 2 giai đoạn: Làm giàu quặng bằng phương pháp tuyển nổi. Chuyển hoá quặng đồng thành đồng, gồm 3 bước: (1.12) Tinh luyện đồng thô bằng phương pháp điện phân. Trong tự nhiên, đồng có thể tìm thấy dưới dạng đồng tự nhiên khoáng chất.
Phần lớn đồng được trích xuất trong các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có ít hơn 1% đồng. Ví dụ mỏ Chuquicamata ở Chilê và mỏ El Chino ở New Mexico (hình 1. Khoáng đồng trong tự nhiên (Nguồn: http://gwydir.uk/jo/minerals/copper.htm) Võ Hữu Thịnh Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ 1. 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 như: Dây điện, que hàn đồng, tay nắm và các đồ vật khác trong xây dựng nhà cửa, đồ dùng gia dụng, đúc tượng, cuộn từ của nam châm điện, bộ dẫn sóng cho các bức xạ vi ba, động cơ, rơ le điện; đồng là một thành phần trong tiền kim loại, gốm kim loại và thủy tinh màu, các loại nhạc khí. Các ứng dụng của kim loại đồng trong thực tế (Nguồn: http://www.in/statue_of_liberty_new_york_city- wallpapers. Hợp kim và hợp chất của đồng Hợp kim của đồng: Có rất nhiều chủng loại hợp kim của đồng. Các gương đồng là hợp kim của 4 phần đồng với 1 phần thiếc, đồng thau còn gọi là Latông hay đồng vàng là hợp kim của đồng với kẽm, đồng đỏ hay còn gọi là Burông là hợp kim của đồng với thiếc.
Võ Hữu Thịnh Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ Các loại hợp kim thường gặp của đồng: Đồng thau (Cu-Zn), đồng bạch (Cu- Ni), đồng thanh (Cu-Sn), vàng tây (Cu-Au). Hợp chất của đồng: Các trạng thái ôxi hóa chung của đồng bao gồm hai trạng thái chính là đồng (I) ít ổn định Cu +1; và trạng thái ổn định hơn đồng (II) Cu+2, chúng tạo thành các muối có màu lam hoặc lục - lam. Dưới các điều kiện không bình thường, trạng thái Cu+3 có thể được tạo ra. Cacbonat đồng (II) là một chất màu xanh lục, nó được hình thành trên các mái che phủ bằng đồng hay các mái vòm của một số công trình bằng đồng.
Cơ chế đồng chuyển thanh cacbonat đồng trên bề mặt đồng theo phương trình sau: 2Cu + O2 → 2CuO (1.13) CuO + CO2 → CuCO3 (1.14) Các hợp chất khác: Sulfat đồng (II) CuSO4, clorua đồng (I) CuCl, clorua đồng (II) CuCl2, sulfua đồng (II) CuS, ôxít đồng (II) (CuO) và ôxít đồng (I) (Cu2O). Vai trò sinh học Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao. Đồng là kim loại trung tâm của chất chuyên chở ôxyhemocyanin, nó được vận chuyển trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin. Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng liên kết với albumin.
Một loại bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này, nếu không được điều trị, có thể dẫn tới các tổn thương não và gan. Người ta cho rằng kẽm và đồng là cạnh tranh về phương diện hấp thụ trong bộ máy tiêu hóa. Vì thế, việc ăn uống dư thừa một trong hai chất này sẽ làm thiếu hụt chất kia.
Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 - 2 mg/lít. Mức cao nhất có thể chấp nhận được của đồng theo DRI (Dietary Reference Intake) trong chế độ ăn uống đối với người lớn theo mọi nguồn đều là 10 mg/ngày. Võ Hữu Thịnh Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ 1. CÔNG NGHỆ NANO 1.
Lịch sử công nghệ nano Vật liệu nano đang đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần dần chiếm một ý nghĩa rất lớn đối với đời sống của con người nhờ vào các tính chất rất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống trước đó không có được. Tính đặc biệt của vật liệu nano có được là nhờ kích thước nhỏ bé của chúng. Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như: Hạt nano vàng, nano bạc đã được sử dụng từ hàng ngàn năm nay.
Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus (hình 1.6) được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỷ thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở Bảo tàng Anh. Hình ảnh cốc Lycurgus (Nguồn: http://www.org/explore/highlights/highlight_objects/t/the_ lycurgus_cup.aspx) (Trái: Khi chiếu sáng từ phía sau; Phải: Khi ánh sáng từ phía trước) Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng, thì lúc đó các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. Nhưng chỉ vài chục năm gần đây, nghiên cứu về kim loại quý đặc biệt là vàng và bạc, đã thu Võ Hữu Thịnh Trang 7 Luận Văn Thạc Sĩ hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học nhờ những tính chất lí thú về tính chất điện, quang, xúc tác… Thông tin về sản phẩm nano từ 03/2006 – 03/2011 được thống kê như sau [2]: Số lượng sản phẩm đã tăng gần 521% (từ 212 lên 1317 sản phẩm) được biểu diễn qua hình 1. Số sản phẩm nano ứng với từng năm (Nguồn: http://www.org/inventories/consumer/analysis_draft/) Phương trình hồi quy tuyến tính được thiết lập từ những kết quả thu nhận được, với hằng số hồi quy R2 = 0,9963.
Từ đây, ta có thể dự đoán gần đúng về mức tăng số lượng sản phẩm nano trong những năm tiếp theo. Các sản phẩm nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhóm ngành khác nhau. Nhưng chiếm chủ yếu là nhóm chăm sóc sức khỏe và ngoại hình (chiếm 738 sản phẩm) (hình 1.8), bao gồm các sản phẩm như: Mỹ phẩm, kem chống nắng, các sản phẩm có tính năng diệt khuẩn. Phân tích kỹ hơn trong nhóm ngành chăm sóc sức khỏe và ngoại hình.
Trong đó, sản phẩm nano chăm sóc cá nhân chiếm nhiều nhất (267 sản phẩm), tiếp theo là sản phẩm liên quan đến quần áo (182 sản phẩm), mỹ phẩm (134 sản phẩm), đồ dùng Võ Hữu Thịnh Trang 8 Luận Văn Thạc Sĩ thể thao (119 sản phẩm), sản phẩm lọc (43 sản phẩm), kính râm (33 sản phẩm) được biểu diễn trên hình 1. Số lượng sản phẩm nano được phân theo các nhóm ngành (Nguồn: http://www.org/inventories/consumer/analysis_draft/) Hình 1. Số lượng mỗi loại sản phẩm trong nhóm chăm sóc sức khỏe và ngoại hình (Nguồn: http://www.org/inventories/consumer/analysis_draft/) Võ Hữu Thịnh Trang 9 Luận Văn Thạc Sĩ Các sản phẩm nano được thống kê có nguồn gốc từ 30 quốc gia khác nhau.
