БАКАР: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, УПОТРЕБЕ, БИОЛОШКА УЛОГА - ХЕМИЈА - 2025

Бакар је транзиција металом који припада групи 11 периодног система и заступа хемијски симбол Цу. Карактерише га и разликује по томе што је црвено-наранџасти метал, врло плинован и пропустан, а такође је сјајан проводник струје и топлоте.

У свом металном облику налази се као примарни минерал у базалтским стенама. У међувремену се оксидује у сумпорним једињењима (онима веће експлоатације руда), арсенидима, хлоридима и карбонатима; то јест, огромна категорија минерала.

Будилник од бакра. Извор: Пикабаи.

Међу минералима који га садрже могу се поменути халкоцит, халкопирит, борит, куприт, малахит и азурит. Бакар је присутан и у пепелу алги, у морским кораљима и чланконожцима.

Овај метал има у земљиној кори количину од 80 ппм, а просечна концентрација у морској води 2,5 ∙ 10 ^-4 мг / Л. У природи се јавља као два природна изотопа: ⁶³ Цу, са обиљем од 69,15%, и ⁶⁵ Цу, са обиљем од 30,85%.

Постоје докази да је бакар топљен 8000. године пре нове ере. Ц. легуре калаја да би се формирала бронза, 4000. године пре нове ере. Ц. Сматра се да му само први метеорски гвожђе и злато претежу као први метали које је човек користио. Тако је истовремено синоним за архаични и наранџасти сјај.

Бакар се углавном користи у производњи каблова за пренос електричне енергије у електромоторима. Такви каблови, мали или велики, чине машине или уређаје у индустрији и у свакодневном животу.

Бакар је укључен у ланац електронског транспорта који омогућава синтезу АТП-а; главни енергетски спој живих бића. То је кофактор супероксид дисмутазе: ензим који разграђује супероксидни јон, једињење високо токсично за жива бића.

Поред тога, бакар има улогу хемоцијана у транспорту кисеоника у неким пауковима, раковима и шкољкама, што је слично ономе које гвожђе изводи у хемоглобину.

Упркос свим благотворним деловањима за човека, када се бакар накупља у људском телу, такав је случај са Вилсоновом болешћу, између осталих промена може изазвати цирозу јетре, поремећаје мозга и оштећење ока.

Историја

Бакарно доба

Нативни бакар коришћен је за израду артефаката као замјене за камен у неолитику, вјероватно између 9000. и 8000. године прије нове ере. Ц. Бакар је један од првих метала који човек користи, после гвожђа присутног у метеоритима и злату.

Постоје докази о употреби рударства за добијање бакра 5000. године пре нове ере. Ц. Већ за претходни датум израђени су бакарни предмети; такав је случај са минђушом направљеном у Ираку која се процењује на 8700. године пре нове ере. Ц.

С друге стране, верује се да је металургија рођена у Месопотамији (сада Ирак) 4000. године пре нове ере. Ц. када је било могуће смањити метал минерала употребом ватре и угља. Касније је бакар намерно легиран коситром да би се добио бронза (4000 пре нове ере).

Неки историчари указују на бакарно доба које би било хронолошки смештено између неолитика и бронзаног доба. Касније је гвоздено доба заменило бронзано доба између 2000. и 1000. године пре нове ере. Ц.

Бронзано доба

Брончано доба је почело 4000 година након топљења бакра. Бронасти предмети из винчанске културе датирају из 4500. године пре нове ере. Ц .; док се у Сумерији и Египту налазе бронзани предмети направљени 3000 година пре нове ере. Ц.

Употреба радиоактивног угљеника утврдила је постојање руда бакра у Алдерлеи Едге-у, Цхесхире-у и Великој Британији у периоду између 2280. и 1890. године пре нове ере. Ц.

Може се приметити да је Отзи, "ледени човек", са процењеним датумом између 3300. и 3200. године пре нове ере. Ц., имао је секиру са главом од чистог бакра.

Римљани из 6. века пре нове ере. Користили су комаде бакра као валуту. Јулиус Цезар користио је кованице од месинга, бакра и легуре цинка. Даље, Октавијан-ови новци израђени су од легуре бакра, олова и калаја.

Производња и име

Производња бакра у Римском царству достигла је 150 000 тона годишње, цифра је надмашила само током индустријске револуције. Римљани су доносили бакар са Кипра, знајући га као аес Циприум („метал са Кипра“).

Касније се израз изродио у цупрум: назив који се користио за означавање бакра све до 1530. године, када је за означавање метала уведен енглески корен израз 'бакар'.

Велика бакрена планина у Шведској, која је деловала од 10. века до 1992. године, покривала је 60% потрошње у Европи у 17. веку. Постројење Аффинерие Ла Норддеутсцхе у Хамбургу (1876) била је прва савремена фабрика за галванизацију која је користила бакар.

Физичка и хемијска својства

Изглед

Бакар је сјајан наранџасто-црвени метал, док је већина природних метала сива или сребрна.

Атомски број (З)

29

Атомска маса

63,546 у

Тачка топљења

1,084,62 ºЦ

Уобичајени гасови као што су кисеоник, азот, угљен диоксид и сумпор диоксид су растворљиви у растаљеном бакару и утичу на механичка и електрична својства метала када се очврсне.

Тачка кључања

2,562 ºЦ

Густина

- 8,96 г / мл на собној температури.

- 8,02 г / мл код талишта (течност).

Имајте на уму да нема значајног смањења густине између чврсте и течне фазе; обе представљају веома густе материјале.

Топлина фузије

13,26 кЈ / мол.

Топлина испаравања

300 кЈ / мол.

Моларни калоријски капацитет

24,44 Ј / (мол * К).

Термално ширење

16.5 µм / (м * К) на 25 ° Ц.

Топлотна проводљивост

401 В / (м ∙ К).

Електрична отпорност

16,78 Ω ∙ м на 20 ° Ц.

Електрична проводљивост

59,6 ∙ 10 ⁶ С / м.

Бакар има веома високу електричну проводљивост, само је надмашен сребром.

Мохсова тврдоћа

3.0.

Стога је мекан метал, а такође и прилично дуктил. Чврстоћа и жилавост се повећавају хладним обрадом због продуженог формирања кристала исте кубичне структуре усредсређене на лице, присутне у бакру.

Хемијске реакције

Тест бакреног пламена који се препознаје по боји плаво-зеленог пламена. Извор: Свн (хттпс://цоммонс.викимедиа.орг/вики/Филе:Фламетест-Цо-Цу.свн.јпг)

Бакар не реагује с водом, али реагира са атмосферским кисеоником, прекривајући се слојем црно-смеђег оксида који пружа заштиту од корозије доњим слојевима метала:

2Цу (с) + О ₂ (г) → 2ЦуО

Бакар није растворљив у разблаженим киселинама, међутим реагује с врућим и концентрованим сумпорним и азотним киселинама. Такође је растворљив у амонијаку у воденом раствору и у калијум цијаниду.

Може да одоли деловању атмосферског ваздуха и морске воде. Међутим, његова продужена изложеност резултира стварањем танког зеленог заштитног слоја (патине).

Претходни слој је мешавина карбоната и бакарног сулфата, примећена у старим зградама или скулптурама, попут Статуе слободе у Њујорку.

Бакар реагира загрејано до црвено са кисеоником дајући курични оксид (ЦуО), а на вишим температурама формира бакров оксид (Цу ₂ О). Такође реагује вруће са сумпором да би створио бакар-сулфид; стога постаје магловит када је изложен неким сумпорним једињењима.

Бакар И гори плавим пламеном у тесту пламена; док бакар ИИ одашиље зелени пламен.

Структура и електронска конфигурација

Кристали бакра кристализирају се у кубичној (фцц) структури која је усредсређена на лице. У овом фцц кристалу, Цу атоми остају везани захваљујући металној вези, која је релативно слабија од осталих прелазних метала; чињеница која се манифестује у великој дуктилности и ниском талишту (1084 ºЦ).

Према електронској конфигурацији:

3д ¹⁰ 4с ¹

Све 3Д орбитале су испуњене електронима, док је у орбити 4с слободно место. То значи да 3д орбитале не сарађују у металној вези као што би се могло очекивати од других метала. Према томе, Цу атоми дуж кристала преклапају се њихове 4с орбитале и стварају траке, утичући на релативно слабу силу њихових интеракција.

У ствари, резултирајућа енергетска разлика између 3д (пуних) и 4с (полупуних) орбиталних електрона одговорна је за то што бакарни кристали апсорбују фотоне из видљивог спектра, одражавајући њихову карактеристичну наранџасту боју.

Бакрени фцц кристали могу имати различите величине, што су мањи, то ће метални комад бити јачи. Кад су врло мале, тада говоримо о наночестицама, осетљивим на оксидацију и резервисаним за селективну примену.

Оксидациони бројеви

Прво стање или оксидационо стање које се може очекивати од бакра је +1, због губитка електрона из његове 4с орбите. Када га имамо у једињењу, претпоставља се постојање Цу ⁺ катиона (уобичајено званог бајонски јон).

Овај и оксидациони број +2 (Цу ²⁺ ) су најпознатији и најобилнији за бакар; они су углавном једини који се уче на нивоу средње школе. Међутим, постоје и оксидациони бројеви +3 (Цу ³⁺ ) и +4 (Цу ⁴⁺ ), који нису тако ретки као што можда мислите на први поглед.

На пример, соли купратни ањона, ЦуО ₂ ^- представљају једињења са бакар (ИИИ) или +3; што је случај калијум купрата, КЦуО ₂ (К ⁺ Цу ³⁺ О ₂ ^2- ).

Бакар, мада у мањој мери и у веома ретким приликама, може имати негативан оксидациони број: -2 (Цу ^2- ).

Како се добија

Сировина

Минерали који се највише користе за вађење бакра су метални сулфиди, углавном халкопирит (ЦуФеС ₂ ) и борит (Цу ₅ ФеС ₄ ). Ови минерали доприносе 50% укупног излученог бакра. За добијање бакра такође се користе калелит (ЦуС) и халкоцит (Цу ₂ С).

Дробљење и мљевење

У почетку се камење дроби како би се добили каменити фрагменти величине 1,2 цм. Затим се наставља брушењем стеновитих фрагмената, док се не добију честице од 0,18 мм. Вода и реагенси се додају да се добије паста која се затим плута да би се добио бакарни концентрат.

Флотација

У овој фази настају мехурићи који заробљавају минерале бакра и сумпора који су присутни у пулпи. За прикупљање пене се врши неколико поступака, сушењем ради добијања концентрата који наставља пречишћавање.

Пречишћавање

Да би се бакар одвојио од осталих метала и нечистоћа, суви концентрат се подвргава високим температурама у посебним пећима. Ватро рафинирани бакар (РАФ) је уливан у плоче тежине око 225 кг које ће чинити аноде.

Електролиза

Електролиза се користи у рафинирању бакра. Аноде из топионице се преносе у електролитичке ћелије на рафинирање. Бакар путује катодом, а нечистоће се таложе на дну ћелија. Овим поступком се добијају бакарне катоде чистоће 99,99%.

Легуре бакра

Бронза

Брон је легура бакра и коситра, а бакар чини између 80 и 97%. Кориштен је у производњи оружја и прибора. Тренутно се користи у производњи механичких делова отпорних на трење и корозију.

Поред тога користи се у конструкцији музичких инструмената, попут звона, гонгова, чинела, саксофона и гудачких орлова, гитаре и клавира.

Месинг

Месинг је легура бакра и цинка. У индустријским грудима проценат цинка је мањи од 50%. Користи се за израду контејнера и металних конструкција.

Монел

Монел легура је легура никла-бакра, са односом никла у бакру 2: 1. Отпоран је на корозију и користи се у измењивачима топлоте, шипкама и луковима сочива.

Они су потврдили

Цонстатан је легура коју чине 55% бакра и 45% никла. Користи се за израду кованица и одликује га сталним отпором. Такође се легуре купро-никла користи за спољашњи премаз мањих кованица.

БеЦу

Бакар-берилијум-легура има проценат берилијума од 2%. Ова легура комбинује снагу, тврдоћу, електричну проводљивост и отпорност на корозију. Легура се обично користи у електричним конекторима, телекомуникационим производима, рачунарским компонентама и малим опругама.

Алати попут кључева, одвијача и чекића који се користе на нафтним платформама и рудницима угља имају иницијале БеЦу као гаранцију да неће производити искре.

Остало

Легирано сребро 90% и бакар 10% коришћено је у кованицама, све до 1965. године када је употреба сребра елиминисана у свим валутама, осим кованица од пола долара.

7% легура бакра алуминијума је златне боје и користи се у декорацији. У међувремену, Схакудо је јапанска украсна легура бакра и злата, у малом проценту (4 до 10%).

Апликације

Електрично ожичење и мотори

Бакарно електрично ожичење. Извор: Сцотт Ехардт

Бакар због своје високе електричне проводљивости и ниске цене метал је избора за употребу у електричном ожичењу. Бакрени кабл се користи у различитим фазама електричне енергије, као што су производња, пренос, дистрибуција електричне енергије итд.

50% бакра произведеног у свету користи се у производњи електричних каблова и жица, због велике електричне проводљивости, лакоће формирања жица (дуктилност), отпорности на деформације и корозије.

Бакар се такође користи за израду интегрисаних кола и штампаних плочица. Метал се користи у хладњацима и измењивачима топлоте због велике топлотне проводљивости, што олакшава расипање топлоте.

Бакар се користи у електромагнетима, вакум цеви, катодним цевима и магнетронима у микроталасним рернама.

Слично томе, користи се у конструкцији завојница електромотора и система који мотори раде, а ти елементи представљају око 40% светске потрошње електричне енергије.

Зграда

Бакар се због своје отпорности на корозију и дејства атмосферског ваздуха већ дуже време користи на крововима кућа, падовима, куполама, вратима, прозорима и сл.

Тренутно се користи у зидним облогама и украсним предметима, као што су додаци за купатило, ручке на вратима и лампе. Такође се користи у антимикробним производима.

Биостатичко деловање

Бакар спречава да се на њему расту бројни облици живота. Коришћен је у листовима који су били постављени на дну трупа бродова како би се спречио раст мекушаца, попут шкољки, као и барака.

Тренутно се боје на бази бакра користе за споменуту заштиту бродских трупа. Метални бакар може неутрализовати многе бактерије при контакту.

Његов механизам деловања је проучаван на основу његових јонских, корозивних и физичких својстава. Закључак је био да је оксидационо понашање бакра, заједно са својствима растворљивости његових оксида, фактори који узрокују да метални бакар буде антибактеријски.

Метални бакар делује на неке сојеве вируса Е. цоли, С. ауреус и Цлостридиум диффициле, групе А, аденовируса и гљивица. Стога је планирано да се користе легуре бакра које су у контакту с рукама путника у различитим превозним средствима.

Наночестице

Антимикробно деловање бакра је додатно појачано када се користе његове наночестице, које су се показале корисним за ендодонтски третман.

Исто тако, наночестице бакра су одлични адсорбенси, а пошто су наранџасте, промена боје у њима представља латентну колориметријску методу; на пример, развијено за детекцију дитиокарбамата пестицида.

Биолошка улога

У ланцу електронског транспорта

Бакар је важан елемент живота. Укључен је у ланац електронског транспорта, који је део комплекса ИВ. Завршни корак ланца електронског транспорта одвија се у овом комплексу: смањење молекула кисеоника да би се формирала вода.

Комплекс ИВ чине две хае групе, цитокром а, цитокром а ₃ , као и два Цу центра; један се зове ЦуА, а други ЦуБ. Цитохром а ₃ и ЦуБ формирају бинуклеарни центар у коме долази до смањења кисеоника до воде.

У овој фази, Цу прелази из свог оксидационог стања од +1 до +2, дајући електроне молекули кисеоника. Ланац електронског транспорта користи НАДХ и ФАДХ ₂ , из Кребсова циклуса, као даваоце електрона, са којима ствара електрохемијски градијент водоника.

Овај градијент служи као извор енергије за стварање АТП-а, у процесу познатом као оксидативна фосфорилација. Дакле, и на крају, присуство бакра је неопходно за производњу АТП-а у еукариотским ћелијама.

У ензиму супероксид дисмутаза

Бакар је део ензима супероксид дисмутазе, ензим који катализује разлагање супероксид ион (О ₂ ^- ), једињење које је отрован према живим бићима.

Супероксид дисмутаза катализује распадање супероксидног јона у кисеоник и / или водоник пероксид.

Супероксид дисмутаза може да користи редукцију бакра за оксидацију супероксида у кисеоник, или може да проузрокује оксидацију бакра, да би из супероксида формирао водоник пероксид.

У хемоцијанину

Хемоцијанин је протеин присутан у крви неких паука, ракова и шкољки. Он испуњава сличну функцију као хемоглобин код ових животиња, али уместо да гвожђе има на месту транспорта кисеоника, има бакар.

Хемоцијанин има два атома бакра на свом активном месту. Из тог разлога, хемоцијанин је плаво-зелена. Метални бакарни центри нису у директном контакту, али имају блиску локацију. Молекули кисеоника се увлаче између два атома бакра.

Концентрација у људском телу

Људско тело садржи између 1,4 и 2,1 мг Цу / кг телесне тежине. Бакар се апсорбује у танком цреву и потом преноси у јетру заједно са албумином. Одатле се бакар транспортује у остатак људског тела везан за протеин плазме церулоплазмин.

Вишак бакра излучује се путем жучи. Међутим, у неким случајевима, попут Вилсон-ове болести, бакар се накупља у телу, изазивајући токсичне ефекте метала који утичу на нервни систем, бубреге и очи.

Референце

1. Гхото, СА, Кхухавар, МИ, Јахангир, ТМ и др. (2019). Примена бакарних наночестица за колориметријску детекцију дитиокарбамата пестицида. Ј Наноструцт Цхем 9: 77. дои.орг/10.1007/с40097-019-0299-4
2. Санцхез-Санхуеза, Габриела, Фуентес-Родригуез, Даниела, & Белло-Толедо, Хелиа. (2016). Наночестице бакра као потенцијално антимикробно средство у дезинфекцији коријенских канала: систематски преглед. Међународни часопис одонтостоматологије, 10 (3), 547-554. дк.дои.орг/10.4067/С0718-381Кс2016000300024
3. Википедиа. (2019). Бакар. Опоравак од: ен.википедиа.орг
4. Теренце Белл (19. септембра 2018.). Физичка својства берилијум бакра. Опоравак од: тхебаланце.цом
5. Хелменстине, др Анне Марие (03. јула 2019.). Чињенице бакра: Хемијска и физикална својства. Опоравак од: тхинкцо.цом
6. Уредници Енцицлопаедиа Британница. (26. јула 2019.). Бакар: хемијски елемент. Енцицлопаедиа Британница. Опоравак од: британница.цом
7. Уредник. (10. новембра 2018.). Халкопирит. Опоравак од: минериаенлинеа.цом
8. Леннтецх БВ (2019). Периодна табела: бакар. Опоравак од: леннтецх.цом