科普| 銅和氧化（亞）銅：結構、性質與應用

編者語：

“銅(Cu)，作為人類最早發現和使用的金屬之一，在文明發展史上扮演了重要角色。其氧化物——氧化亞銅（Cu2O）和氧化銅（CuO）也因其獨特的性質和廣泛應用而備受關注。”

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Cu的結構與性質

銅（Cu）是原子序數為29的過渡金屬，呈紫紅色，具金屬光澤（圖1）。其晶體結構為面心立方（FCC），賦予銅優異的延展性和導電性。銅的熔點為1084.62°C，密度8.96 g/cm3。它還具有良好的耐腐蝕性、耐磨性和加工性。銅在潮濕空氣中會緩慢氧化，形成保護性的銅綠（圖2）。

圖1. Cu的原子序數及顏色

圖2. 銅綠

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Cu?O結構與性質

氧化亞銅（Cu2O）是銅的一種重要氧化物，銅的化合價為+1。它通常呈紅色或橙紅色粉末狀，晶體結構為立方晶系（圖3），具有半導體性質。

圖3. Cu2O的晶體結構和顏色

氧化亞銅不溶于水和醇，但能溶于鹽酸、氯化銨溶液和氨水。它在高溫下不穩定，會分解生成氧化銅和氧氣。作為P型半導體材料，氧化亞銅在光電轉換、催化和傳感等領域有潛在應用。

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CuO結構與性質

氧化銅（CuO）是銅的另一種常見氧化物，銅的化合價為+2。它通常呈黑色粉末狀，晶體結構為單斜晶系，是一種N型半導體材料。

圖4. CuO的晶體結構和顏色

氧化銅不溶于水和醇，但能溶于酸和氨水。它在高溫下相對穩定，可被還原劑還原為銅。氧化銅具有優異的催化活性，在許多有機反應中被用作催化劑。它還具有良好的光學性質和電化學活性。

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應用

1.銅的應用

銅因其優異的綜合性能，在國民經濟的各個領域都有廣泛的應用：

（1）電力和電子工業：銅是電線、電纜、電機、變壓器和電路板等電力和電子設備的主要材料。

（2）建筑行業：銅及其合金因其耐腐蝕性、美觀性和易加工性，被廣泛用于建筑的屋頂、管道和裝飾材料。

（3）交通運輸：汽車、火車、飛機和船舶中都大量使用銅，例如散熱器和電氣線路。

（4）機械制造：銅合金具有良好的耐磨性和強度，常用于制造軸承、齒輪等機械部件。

（5）其他領域：銅還應用于硬幣鑄造、藝術品、廚具以及農業等領域。

圖5. Cu常見的應用

2.氧化亞銅（Cu?O）的應用

氧化亞銅的應用主要集中在其半導體特性和顏料性質上：

（1）防污涂料：在船舶工業中，氧化亞銅被用作防污底漆涂料的殺菌劑。

（2）顏料和著色劑：氧化亞銅可用于玻璃工業，作為紅玻璃和紅瓷釉的著色劑。

（3）半導體材料：由于其良好的導電性能，氧化亞銅常被用作制造二極管、光電器件和太陽能電池等半導體器件的材料。

（4）催化劑：在某些化學反應中，氧化亞銅也可用作催化劑。

圖6. Cu2O的應用

3.氧化銅（CuO）的應用

氧化銅的應用領域廣泛，主要得益于其催化、著色和半導體等特性：

（1）催化劑：氧化銅是重要的催化劑，廣泛應用于有機合成反應、氣體處理和環境凈化等領域。

（2）顏料和著色劑：氧化銅可用作玻璃和陶瓷的著色劑，賦予其綠色或藍色。

（3）電子工業：納米氧化銅具有較高的電導率和電化學活性，可用于制造電子器件、傳感器和電池等。

（4）防腐涂料：氧化銅也常被用作防腐涂料的添加劑，以提高涂料的防銹和抗腐蝕性能。

（5）其他：在農業上，氧化銅可用作殺菌劑；在分析化學中，常用于有機分析中測定碳和氫。

圖7. CuO的應用

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總結

銅及其氧化物是極其重要且應用廣泛的材料，它們各自獨特的結構和性質決定了其在不同領域的應用價值。從作為現代工業基石的純銅，到在半導體和催化領域大放異彩的氧化亞銅和氧化銅，這些銅的形態在推動科技進步和改善人類生活中發揮著不可替代的作用。隨著科學技術的不斷發展，銅及其化合物的更多潛在應用將被發掘，為人類社會帶來更大的福祉。

參考文獻：

1. Sahai, A., Goswami, N., Kaushik, S. D., & Tripathi, S. Cu/Cu2O/CuO nanoparticles: Novel synthesis by exploding wire technique and extensive characterization. Applied Surface Science, 2016, 390, 974-983.

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3. Saleem, M. H., Ejaz, U., Vithanage, M., Bolan, N., & Siddique, K. H. Synthesis, characterization, and advanced sustainable applications of copper oxide nanoparticles: a review. Clean Technologies and Environmental Policy, 2024, 1-26.

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