BAKAR: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, UPOTREBE, BIOLOŠKA ULOGA - KEMIJA - 2026

Bakra je prijelazni metal koji pripada skupini 11 periodičkog sustava i predstavljen kemijskom simbolom Cu. Karakterizira ga i razlikuje po tome što je crveno-narančasta kovina, vrlo plastična i probirljiva, a ujedno je i sjajni provodnik električne energije i topline.

U svom metalnom obliku nalazi se kao primarni mineral u bazaltskim stijenama. U međuvremenu se oksidira u sumpornim spojevima (onima veće eksploatacije ruda), arsenidima, kloridima i karbonatima; to jest ogromna kategorija minerala.

Budilica izrađena od bakra. Izvor: Pixabay.

Među mineralima koji ga sadrže možemo spomenuti halkocit, halkopirit, borit, kuprit, malahit i azurit. Bakar je prisutan i u pepelu algi, u morskim koraljima i člankonožcima.

Ovaj metal ima u zemljinoj kori oko 80 ppm, a prosječna koncentracija u morskoj vodi 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. U prirodi se javlja kao dva prirodna izotopa: ⁶³ Cu, s obiljem od 69,15%, i ⁶⁵ Cu, s obiljem od 30,85%.

Postoje dokazi da je bakar taljen 8000. godine prije Krista. C. i legiran kositrom kako bi tvorio broncu, 4000. godine prije Krista. C. Smatra se da mu samo prvi meteorski željezo i zlato pretežu kao prvi metali koje je čovjek koristio. Time je istovremeno sinonim za arhaični i narančasti sjaj.

Bakar se koristi uglavnom u proizvodnji kablova za provođenje električne energije u elektromotorima. Takvi kabeli, mali ili veliki, čine strojeve ili uređaje u industriji i u svakodnevnom životu.

Bakar je uključen u lanac elektroničkog transporta koji omogućava sintezu ATP-a; glavni energetski spoj živih bića. To je kofaktor superoksid dismutaze: enzim koji razgrađuje superoksidni ion, spoj visoko toksičan za živa bića.

Uz to, bakar ima ulogu hemocijana u transportu kisika u nekim paučama, rakovima i školjkama, što je slično onome koje željezo provodi u hemoglobinu.

Unatoč svim njenim blagotvornim djelovanjima za čovjeka, kada se bakar nakuplja u ljudskom tijelu, takav je slučaj s Wilsonovom bolešću, između ostalih promjena može izazvati cirozu jetre, poremećaje mozga i oštećenje očiju.

Povijest

Bakreno doba

Nativni bakar korišten je za izradu artefakata kao zamjene za kamen u neolitiku, vjerojatno između 9000. i 8000. godine prije Krista. C. Bakar je jedan od prvih metala koje je čovjek koristio, nakon željeza prisutnog u meteoritima i zlatu.

Postoje dokazi o korištenju rudarstva u dobivanju bakra 5000. godine prije Krista. C. Već za raniji datum izrađeni su bakarni predmeti; takav je slučaj s naušnicom napravljenom u Iraku koja se procjenjuje na 8700. godine prije Krista. C.

Zauzvrat, vjeruje se da je metalurgija rođena u Mezopotamiji (sada Irak) 4000. godine prije Krista. C. kada je bilo moguće smanjiti metal minerala upotrebom vatre i ugljena. Kasnije je bakar namjerno legiran kositrom da bi se dobila bronca (4000. pr. Kr.).

Neki povjesničari ukazuju na bakreno doba, koje bi bilo kronološki smješteno između neolitika i brončanog doba. Kasnije je željezno doba zamijenilo brončano doba između 2000. i 1000. pr. C.

Brončano doba

Brončano doba je započelo 4000 godina nakon topljenja bakra. Brončani predmeti iz vinčanske kulture datiraju iz 4500. godine prije Krista. C.; dok se u Sumeriji i Egiptu nalaze brončani predmeti napravljeni 3000 godina prije Krista. C.

Upotreba radioaktivnog ugljika utvrdila je postojanje ruda bakra u Alderley Edgeu, Cheshireu i Velikoj Britaniji, između 2280. i 1890. pr. C.

Može se primijetiti da je Ötzi, "ledeni čovjek" s procijenjenim datumom između 3300. i 3200. pr. C., imao je sjekiru s glavom od čistog bakra.

Rimljani iz 6. st. Pr. Koristili su komade bakra kao valutu. Julije Cezar koristio je kovanice izrađene od mesinga, bakra i cinkove legure. Nadalje, Octavianovi novci izrađeni su od legure bakra, olova i kositra.

Proizvodnja i naziv

Proizvodnja bakra u Rimskom carstvu dosegla je 150 000 tona godišnje, brojka je samo premašila tijekom industrijske revolucije. Rimljani su bakar donijeli s Cipra, poznavajući ga kao aes Cyprium ("metal s Cipra").

Kasnije se izraz izrodio u cuprum: naziv koji se označavao bakrom sve do 1530. godine, kada je za označavanje metala uveden engleski korijenski izraz 'bakar'.

Velika bakrena planina u Švedskoj koja je djelovala od 10. stoljeća do 1992. godine pokrivala je 60% potrošnje u Europi u 17. stoljeću. Postrojenje La Norddeutsche Affinerie u Hamburgu (1876.) bilo je prvo moderno postrojenje za galvanizaciju koje je koristilo bakar.

Fizička i kemijska svojstva

Izgled

Bakar je sjajan narančastocrveni metal, dok je većina izvornih metala siva ili srebrna.

Atomski broj (Z)

29

Atomska težina

63,546 u

Talište

1,084,62 ºC

Uobičajeni plinovi poput kisika, dušika, ugljičnog dioksida i sumpornog dioksida topljivi su u rastaljenom bakru i utječu na mehanička i električna svojstva metala kad se očvrsne.

Vrelište

2,562 ºC

Gustoća

- 8,96 g / ml na sobnoj temperaturi.

- 8,02 g / ml kod tališta (tekućina).

Imajte na umu da nema značajnog smanjenja gustoće između krute i tekuće faze; oba predstavljaju vrlo guste materijale.

Toplina fuzije

13,26 kJ / mol.

Toplina isparavanja

300 kJ / mol.

Molarni kalorijski kapacitet

24,44 J / (mol * K).

Toplinsko širenje

16,5 um / (m * K) na 25 ° C.

Toplinska vodljivost

401 W / (m ∙ K).

Električni otpor

16,78 Ω ∙ m na 20 ° C.

Električna vodljivost

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Bakar ima vrlo visoku električnu vodljivost, nadilazi ga samo srebro.

Mohsova tvrdoća

3.0.

Stoga je mekan metal i također prilično duktil. Čvrstoća i žilavost povećavaju se hladnim radom zbog produženog stvaranja kristala iste kubične strukture u središtu lica koja je prisutna u bakru.

Kemijske reakcije

Test bakrenog plamena koji se prepoznaje po boji plavo-zelenog plamena. Izvor: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Bakar ne reagira s vodom, ali reagira s atmosferskim kisikom, prekriven je slojem crno-smeđeg oksida koji pruža zaštitu od korozije u donjim slojevima metala:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Bakar nije topljiv u razrijeđenim kiselinama, međutim reagira s vrućom i koncentriranom sumpornom i dušičnom kiselinom. Topiv je i u amonijaku u vodenoj otopini i u kalijevom cijanidu.

Može odoljeti djelovanju atmosferskog zraka i morske vode. Međutim, njegova produljena izloženost rezultira stvaranjem tankog zelenog zaštitnog sloja (patine).

Prethodni sloj je mješavina karbonata i bakrenog sulfata, primijećena u starim zgradama ili skulpturama, poput Kip Slobode u New Yorku.

Bakra reagira zagrijavana na crvene s kisikom, čime se dobije bakrov oksid (CuO) i na višim temperaturama oblika bakrov oksid (Cu ₂ O). Također reagira vruće sa sumporom, čime nastaje bakreni sulfid; stoga postaje maglovit kada je izložen nekim sumpornim spojevima.

Bakar I gori plavim plamenom u testu plamena; dok bakar II odašilje zeleni plamen.

Struktura i elektronička konfiguracija

Bakreni kristali kristaliziraju se u kubnoj (fcc) strukturi u središtu lica. U ovom fcc kristalu Cu atomi ostaju vezani zahvaljujući metalnoj vezi koja je razmjerno slabija od ostalih prijelaznih metala; činjenica koja se očituje u velikoj duktilnosti i niskom talištu (1084 ºC).

Prema elektroničkoj konfiguraciji:

3d ¹⁰ 4s ¹

Sve 3d orbitale su ispunjene elektronima, dok je u orbiti 4s slobodno mjesto. To znači da 3d orbitale ne surađuju u metalnoj vezi kao što bi se moglo očekivati ​​od drugih metala. Prema tome, Cu atomi duž kristala preklapaju se njihove 4s orbitale i stvaraju zavoje, što utječe na relativno slabu silu njihovih interakcija.

Zapravo, rezultirajuća energetska razlika između 3d (punih) i 4s (polupunih) orbitalnih elektrona odgovorna je za bakrene kristale koji apsorbiraju fotone iz vidljivog spektra, odražavajući njihovu karakterističnu narančastu boju.

Bakreni fcc kristali mogu imati različite veličine, a što su manji, to će metalni komad biti jači. Kad su vrlo male, tada govorimo o nanočesticama, osjetljivim na oksidaciju i rezerviranim za selektivnu primjenu.

Oksidacijski brojevi

Prvo stanje ili oksidacijsko stanje koje se može očekivati ​​od bakra je +1, zbog gubitka elektrona iz njegove 4s orbite. Kad ga imamo u spoju, pretpostavlja se postojanje Cu ⁺ kationa (uobičajeno zvanog kuprijski ion).

Ovaj i oksidacijski broj +2 (Cu ²⁺) su najpoznatiji i najobilniji za bakar; oni su u pravilu jedini koji se uče na razini srednje škole. Međutim, postoje i oksidacijski brojevi +3 (Cu ³⁺) i +4 (Cu ⁴⁺), koji nisu tako rijetki kao što možda mislite na prvi pogled.

Na primjer, soli kupratno aniona, CuO ₂ ^- predstavljaju spojeve s bakar (III) ili +3; takav je slučaj kalijevog kurarata, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-).

Bakar, iako u manjoj mjeri i vrlo rijetko, može imati negativan oksidacijski broj: -2 (Cu ^2-).

Kako se dobiva

Sirovina

Minerali koji se najviše koriste za vađenje bakra su metalni sulfidi, uglavnom halkopirit (CuFeS ₂) i borit (Cu ₅ FeS ₄). Ovi minerali doprinose 50% ukupnog izlučenog bakra. Za dobivanje bakra koriste se i kalelit (CuS) i halkocit (Cu ₂ S).

Drobljenje i mljevenje

U početku se stijene drobe kako bi se dobili kameni ulomci od 1,2 cm. Zatim se nastavlja brušenjem kamenitih fragmenata, dok se ne dobiju čestice od 0,18 mm. Voda i reagensi se dodaju radi dobivanja paste, koja se zatim pluta da bi se dobio bakreni koncentrat.

floatation

U ovoj fazi nastaju mjehurići koji hvataju minerale od bakra i sumpora koji su prisutni u pulpi. Za prikupljanje pjene se provodi nekoliko postupaka, sušenjem radi dobivanja koncentrata koji nastavlja pročišćavanje.

Pročišćavanje

Da bi se bakar odvojio od ostalih metala i nečistoća, suhi se koncentrat podvrgava visokim temperaturama u posebnim pećima. Vatro rafinirani bakar (RAF) lijeva se u ploče težine oko 225 kg koje će činiti anode.

Elektroliza

Pri rafiniranju bakra koristi se elektroliza. Anode iz topionice odvode se u elektrolitičke ćelije na rafiniranje. Bakar putuje na katodu, a nečistoće se talože na dnu stanica. U ovom se procesu dobivaju bakreni katodi čistoće 99,99%.

Legure bakra

bronza

Bronza je legura bakra i kositra, a bakar ga čini između 80 i 97%. Korištena je u proizvodnji oružja i pribora. Trenutno se koristi u proizvodnji mehaničkih dijelova otpornih na trenje i koroziju.

Osim toga, koristi se u konstrukciji glazbenih instrumenata, poput zvona, gongova, činela, saksofona i gudačkih orica, gitara i klavira.

mesing

Mesing je legura bakra i cinka. U industrijskim grudnjacima postotak cinka manji je od 50%. Koristi se u izradi spremnika i metalnih konstrukcija.

Monel

Monel legura je legura nikla-bakra, s omjerom 2: 1 u odnosu na bakar. Otporan je na koroziju i koristi se u izmjenjivačima topline, šipkama i lukovima leća.

Oni su potvrdili

Constatán je legura koju čine 55% bakra i 45% nikla. Koristi se za izradu kovanica, a karakterizira ga stalni otpor. Kupino-nikal legura također se koristi za vanjski premaz manjih kovanica.

Beču

Bakar-berilijeva legura ima udio berilija od 2%. Ova legura kombinira čvrstoću, tvrdoću, električnu vodljivost i otpornost na koroziju. Legura se obično koristi u električnim konektorima, telekomunikacijskim proizvodima, računalnim komponentama i malim oprugama.

Alati poput ključeva, odvijača i čekića koji se koriste na naftnim platformama i rudnicima ugljena imaju inicijale BeCu kao jamstvo da ne stvaraju iskre.

drugo

Legirano srebro 90% i bakar 10% korišteno je u kovanicama do 1965. kada je upotreba srebra eliminirana u svim valutama, osim za novac od pola dolara.

7% legure bakra aluminij je zlatne boje i koristi se u ukrasu. U međuvremenu, Shakudo je japanska ukrasna legura bakra i zlata, u malom postotku (4 do 10%).

Prijave

Električno ožičenje i motori

Bakreno električno ožičenje. Izvor: Scott Ehardt

Bakar zbog svoje visoke električne provodljivosti i niske cijene metal je izbora za upotrebu u električnom ožičenju. Bakreni kabel koristi se u različitim fazama električne energije, kao što su proizvodnja, prijenos, distribucija električne energije itd.

50% bakra proizvedenog u svijetu koristi se u proizvodnji električnih kabela i žica, zbog velike električne vodljivosti, lakoće formiranja žica (duktilnost), otpornosti na deformacije i korozije.

Bakar se također koristi u izradi integriranih krugova i tiskanih pločica. Metal se koristi u hladnjacima i izmjenjivačima topline zbog velike toplinske vodljivosti, što olakšava rasipanje topline.

Bakar se koristi u elektromagnetima, vakuumskim cijevima, katodnim cijevima i magnetronima u mikrovalnim pećnicama.

Isto tako, koristi se u konstrukciji zavojnica elektromotora i sustava koji motori rade, a ti elementi predstavljaju oko 40% svjetske potrošnje električne energije.

zgrada

Bakar se zbog svoje otpornosti na koroziju i djelovanja atmosferskog zraka već duže vrijeme koristi u krovovima kuća, padova, kupola, vrata, prozora itd.

Trenutno se koristi u zidnim oblogama i ukrasnim predmetima, kao što su kupaonski pribor, ručke na vratima i svjetiljke. Također, koristi se u antimikrobnim proizvodima.

Biostatsko djelovanje

Bakar sprječava da se na njemu rastu brojni životni oblici. Korišten je u plahtama koje su bile postavljene na dnu trupa brodova kako bi se spriječio rast mekušaca, poput dagnji, kao i baraka.

Trenutno se boje na bazi bakra koriste za spomenutu zaštitu brodskih trupa. Metalni bakar može neutralizirati mnoge bakterije pri kontaktu.

Proučen je njegov mehanizam djelovanja na temelju njegovih ionskih, korozivnih i fizikalnih svojstava. Zaključak je bio da je oksidacijsko ponašanje bakra, zajedno sa svojstvima topljivosti njegovih oksida, faktori zbog kojih je metalni bakar antibakterijski.

Metalni bakar djeluje na neke sojeve virusa E. coli, S. aureus i Clostridium difficile, skupine A, adenovirusa i gljivica. Stoga se planira koristiti bakrene legure koje su u dodiru s rukama putnika u različitim prijevoznim sredstvima.

nanočestice

Antimikrobno djelovanje bakra dodatno se pojačava kada se koriste njegove nanočestice koje su se pokazale korisnim za endodontski tretman.

Isto tako, bakrene nanočestice odlični su adsorbensi, a budući da su narančaste, promjena boje u njima predstavlja latentnu kolorimetrijsku metodu; na primjer, razvijen za otkrivanje ditiokarbamata pesticida.

Biološka uloga

U lancu elektroničkog prometa

Bakar je važan element života. Sudjeluje u lancu elektroničkog transporta koji čini dio kompleksa IV. Posljednji korak lanca elektroničkog transporta odvija se u ovom kompleksu: redukcija molekule kisika da bi nastala voda.

Kompleks IV čine dvije skupine hae, citokrom a, citokrom a ₃, kao i dva Cu centra; jedan se zove CuA, a drugi CuB. Citokrom a ₃ i CuB tvore binuklearni centar u kojem dolazi do redukcije kisika u vodu.

U ovom stadiju Cu prelazi iz svog oksidacijskog stanja u +1 do +2, dajući elektrone molekuli kisika. Lanac elektronskog transporta koristi NADH i FADH ₂, iz Krebsova ciklusa, kao donore elektrona, s kojima stvara elektrokemijski gradijent vodika.

Ovaj gradijent služi kao izvor energije za stvaranje ATP-a, u procesu poznatom kao oksidativna fosforilacija. Dakle, i u konačnici, prisutnost bakra nužna je za proizvodnju ATP-a u eukariotskim stanicama.

U enzimu superoksid dismutaza

Bakar je dio enzima superoksid dismutaza, enzima koji katalizira raspadanje superoksidnog iona (O ₂ ^-), spoja toksičnog za živa bića.

Superoksid dismutaza katalizira raspadanje superoksidnog iona u kisik i / ili vodikov peroksid.

Superoksid dismutaza može koristiti redukciju bakra za oksidaciju superoksida u kisik, ili može uzrokovati oksidaciju bakra radi stvaranja vodikovog peroksida iz superoksida.

U hemocijaninu

Hemocijanin je protein prisutan u krvi nekih pauka, rakova i mekušaca. Ona ispunjava sličnu funkciju kao hemoglobin kod ovih životinja, ali umjesto da željezo ima na mjestu transporta kisika, ima bakar.

Hemocijanin ima dva atoma bakra na svom aktivnom mjestu. Iz tog razloga, boja hemocijana je plavo-zelena. Metalni bakreni centri nisu u izravnom kontaktu, ali imaju blisku lokaciju. Molekula kisika se usijava između dva atoma bakra.

Koncentracija u ljudskom tijelu

Ljudsko tijelo sadrži između 1,4 i 2,1 mg Cu / kg tjelesne težine. Bakar se apsorbira u tankom crijevu i potom prenosi u jetru zajedno s albuminom. Odatle se bakar transportira u ostatak ljudskog tijela vezan za protein plazme ceruloplazmin.

Višak bakra izlučuje se putem žuči. U nekim se slučajevima, poput Wilson-ove bolesti, bakar nakuplja u tijelu, manifestirajući toksične učinke metala koji utječu na živčani sustav, bubrege i oči.

Reference

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM i sur. (2019). Primjene bakrenih nanočestica za kolorimetrijsko otkrivanje ditiokarbamata pesticida. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela, & Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanočestice bakra kao potencijalno antimikrobno sredstvo u dezinfekciji korijenskih kanala: sustavni pregled. Međunarodni časopis odontostomatologije, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Bakar. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. rujna 2018.). Fizička svojstva bakra iz berilija. Oporavilo od: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (03. srpnja 2019.). Činjenice bakra: Kemijska i fizikalna svojstva. Oporavilo od: misel.com
6. Urednici Encyclopaedia Britannica. (26. srpnja 2019.). Bakar: kemijski element. Encyclopaedia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
7. Urednik. (10. studenog 2018.). Halkopirit. Oporavilo od: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodna tablica: bakar. Oporavilo od: lenntech.com