MIEDŹ: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZASTOSOWANIA, ROLA BIOLOGICZNA - CHEMIA - 2026

Miedzi metal przejściowy należący do grupy 11 układu okresowego pierwiastków, a reprezentowana jest przez symbol chemicznego Cu. Charakteryzuje się i wyróżnia czerwono-pomarańczowym metalem, bardzo plastycznym i plastycznym, będącym również świetnym przewodnikiem prądu i ciepła.

W swojej metalicznej postaci występuje jako podstawowy minerał w skałach bazaltowych. W międzyczasie utlenia się w związkach siarki (tych o większej eksploatacji górniczej), arsenach, chlorkach i węglanach; to znaczy ogromna kategoria minerałów.

Budzik wykonany z miedzi. Źródło: Pixabay.

Wśród minerałów, które go zawierają, możemy wymienić chalkozyn, chalkopiryt, bornit, cuprit, malachit i azuryt. Miedź jest również obecna w popiele glonów, koralowcach morskich i stawonogach.

Ten metal występuje w skorupie ziemskiej w ilości 80 ppm, a jego średnie stężenie w wodzie morskiej wynosi 2,5 ∙ ^10-4 mg / l. W przyrodzie występuje w postaci dwóch naturalnych izotopów: ⁶³ Cu w ilości 69,15% i ⁶⁵ Cu w ilości 30,85%.

Istnieją dowody na to, że miedź została wytopiona w 8000 rpne. C. i stopione z cyną w celu uzyskania brązu, w 4000 pne. C. Uważa się, że tylko meteorytowe żelazo i złoto poprzedzają je jako pierwsze metale używane przez człowieka. Jest więc synonimem archaicznego i pomarańczowego blasku jednocześnie.

Miedź jest wykorzystywana głównie do produkcji kabli do przewodzenia prądu w silnikach elektrycznych. Takie kable, małe lub duże, tworzą maszyny lub urządzenia w przemyśle i życiu codziennym.

Miedź bierze udział w elektronicznym łańcuchu transportowym, który umożliwia syntezę ATP; główny związek energetyczny istot żywych. Jest kofaktorem dysmutazy ponadtlenkowej: enzymu, który rozkłada jon ponadtlenkowy, związek silnie toksyczny dla istot żywych.

Ponadto miedź odgrywa rolę w hemocyjaninie w transporcie tlenu u niektórych pajęczaków, skorupiaków i mięczaków, podobnie jak żelazo w hemoglobinie.

Pomimo wszystkich korzystnych dla człowieka działań, gdy miedź gromadzi się w organizmie człowieka, tak jak w przypadku choroby Wilsona, może powodować m.in. marskość wątroby, zaburzenia pracy mózgu i uszkodzenia oczu.

Historia

Wiek miedzi

Miedź rodzima była używana do wytwarzania artefaktów jako substytutu kamienia w neolicie, prawdopodobnie między 9000 a 8000 pne. C. Miedź jest jednym z pierwszych metali używanych przez człowieka, po żelazie obecnym w meteorytach i złocie.

Istnieją dowody na wykorzystanie górnictwa do pozyskiwania miedzi w roku 5000 pne. C. Już wcześniej konstruowano wyroby z miedzi; tak jest w przypadku kolczyka wykonanego w Iraku, szacowanego na 8700 lat pne. DO.

Z kolei uważa się, że metalurgia narodziła się w Mezopotamii (obecnie Irak) w 4000 rpne. C., kiedy można było zredukować metal z minerałów za pomocą ognia i węgla. Później miedź została celowo stopiona z cyną w celu uzyskania brązu (4000 pne).

Niektórzy historycy wskazują na epokę miedzi, która byłaby umiejscowiona chronologicznie między neolitem a epoką brązu. Później epoka żelaza zastąpiła epokę brązu między 2000 a 1000 pne. DO.

Epoka brązu

Epoka brązu rozpoczęła się 4000 lat po wytopie miedzi. Brązowe przedmioty z kultury Vinca pochodzą z 4500 roku pne. C.; podczas gdy w Sumerii i Egipcie znajdują się przedmioty z brązu wykonane 3000 lat przed naszą erą. DO.

Zastosowanie radioaktywnego węgla dowiodło istnienia wydobycia miedzi w Alderley Edge, Cheshire i Wielkiej Brytanii w latach 2280–1890 pne. DO.

Można zauważyć, że Ötzi, „Człowiek Lodu” z szacowaną datą między 3300 a 3200 pne. C. miał topór z głową z czystej miedzi.

Rzymianie z VI wieku pne. Używali kawałków miedzi jako waluty. Juliusz Cezar używał monet wykonanych z mosiądzu, miedzi i stopu cynku. Ponadto monety Oktawiana były wykonane ze stopu miedzi, ołowiu i cyny.

Produkcja i nazwa

Produkcja miedzi w Cesarstwie Rzymskim osiągnęła 150 000 ton rocznie, liczbę przewyższoną jedynie podczas rewolucji przemysłowej. Rzymianie przywieźli miedź z Cypru, znając ją jako aes Cyprium („metal z Cypru”).

Później termin ten zdegenerował się do miedzi: nazwa używana do określania miedzi do roku 1530, kiedy to na oznaczenie metalu wprowadzono angielski termin „miedź”.

Wielka Góra Miedzi w Szwecji, która funkcjonowała od X wieku do 1992 roku, pokryła 60% konsumpcji Europy w XVII wieku. Fabryka La Norddeutsche Affinerie w Hamburgu (1876) była pierwszą nowoczesną galwanizernią wykorzystującą miedź.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd

Miedź jest błyszczącym metalem pomarańczowo-czerwonym, podczas gdy większość metali rodzimych jest szara lub srebrna.

Liczba atomowa (Z)

29

Masa atomowa

63,546 u

Temperatura topnienia

1084,62 ° C

Zwykłe gazy, takie jak tlen, azot, dwutlenek węgla i dwutlenek siarki, są rozpuszczalne w stopionej miedzi i wpływają na właściwości mechaniczne i elektryczne metalu, gdy ten się zestala.

Temperatura wrzenia

2562 ºC

Gęstość

- 8,96 g / ml w temperaturze pokojowej.

- 8,02 g / ml w temperaturze topnienia (ciecz).

Należy zauważyć, że nie ma znacznego spadku gęstości między fazą stałą i ciekłą; oba reprezentują bardzo gęste materiały.

Ciepło topnienia

13,26 kJ / mol.

Ciepło parowania

300 kJ / mol.

Molowa pojemność kaloryczna

24,44 J / (mol * K).

Rozszerzalność cieplna

16,5 µm / (m * K) w 25 ° C

Przewodność cieplna

401 W / (m ∙ K).

Rezystancja

16,78 Ω ∙ m przy 20 ° C.

Przewodność elektryczna

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Miedź ma bardzo wysokie przewodnictwo elektryczne, przewyższające jedynie srebro.

Twardość Mohsa

3.0.

Dlatego jest to miękki metal, a także dość plastyczny. Wytrzymałość i udarność są zwiększane przez obróbkę na zimno z powodu tworzenia się wydłużonych kryształów o tej samej, centrowanej powierzchniowo strukturze sześciennej, jaka występuje w miedzi.

Reakcje chemiczne

Test płomienia miedzi, który można rozpoznać po kolorze niebiesko-zielonego płomienia. Źródło: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Miedź nie reaguje z wodą, ale reaguje z tlenem atmosferycznym, pokryta warstwą czarnobrązowego tlenku, który zapewnia ochronę antykorozyjną leżących poniżej warstw metalu:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Miedź nie rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach, jednak reaguje z gorącymi i stężonymi kwasami siarkowym i azotowym. Jest również rozpuszczalny w amoniaku w roztworze wodnym oraz w cyjanku potasu.

Jest odporny na działanie powietrza atmosferycznego i wody morskiej. Jednak jego długotrwałe działanie powoduje powstanie cienkiej zielonej warstwy ochronnej (patyny).

Poprzednia warstwa to mieszanina węglanu i siarczanu miedzi, obserwowana w starych budynkach lub rzeźbach, takich jak Statua Wolności w Nowym Jorku.

Miedź reaguje podgrzana do czerwieni z tlenem, dając tlenek miedziowy (CuO), aw wyższych temperaturach tworzy tlenek miedziawy (Cu ₂ O). Reaguje również na gorąco z siarką, tworząc siarczek miedzi; dlatego staje się mglisty po wystawieniu na działanie niektórych związków siarki.

Miedź I pali się niebieskim płomieniem w teście płomienia; podczas gdy miedź II emituje zielony płomień.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Kryształy miedzi krystalizują w strukturze sześciennej centrowanej czołowo (fcc). W tym krysztale fcc atomy Cu pozostają połączone dzięki metalowemu wiązaniu, które jest stosunkowo słabsze niż w przypadku innych metali przejściowych; Fakt ten przejawiał się w jego dużej ciągliwości i niskiej temperaturze topnienia (1084 ºC).

Zgodnie z konfiguracją elektroniczną:

3d ¹⁰ 4s ¹

Wszystkie orbitale 3D są wypełnione elektronami, podczas gdy na orbicie 4s jest pusta. Oznacza to, że orbitale 3D nie współpracują w wiązaniu metalicznym, jak można by oczekiwać od innych metali. Zatem atomy Cu wzdłuż kryształu zachodzą na swoje orbitale 4s, tworząc pasma, wpływając na stosunkowo słabą siłę ich oddziaływań.

W rzeczywistości wynikająca z tego różnica energetyczna między elektronami orbitalnymi 3d (pełne) i 4s (półpełne) jest odpowiedzialna za pochłanianie fotonów z widma widzialnego przez kryształy miedzi, odbijając ich charakterystyczny pomarańczowy kolor.

Kryształy miedziowe FCC mogą mieć różne rozmiary, które im mniejsze, tym mocniejszy będzie metalowy kawałek. Kiedy są bardzo małe, mówimy o nanocząstkach, wrażliwych na utlenianie i zarezerwowanych do selektywnych zastosowań.

Liczby utleniania

Pierwsza liczba lub stopień utlenienia miedzi, jakiego można się spodziewać, to +1, ze względu na utratę elektronu z jego orbity 4s. Mając go w związku, zakłada się istnienie kationu Cu ⁺ (powszechnie nazywanego jonem miedziawym).

To i stopień utlenienia +2 (Cu ²⁺ ) są najbardziej znane i występują w największej ilości w przypadku miedzi; na ogół są jedynymi uczniami na poziomie szkoły średniej. Istnieją jednak również stopnie utlenienia +3 (Cu ³⁺ ) i +4 (Cu ⁴⁺ ), które nie są tak rzadkie, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.

Na przykład sole anionu miedzianowego CuO ₂ ^- reprezentują związki z miedzią (III) lub +3; tak jest w przypadku miedzianu potasu, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Również miedź, choć w mniejszym stopniu i w bardzo rzadkich przypadkach, może mieć ujemny stopień utlenienia: -2 (Cu ^2- ).

Jak to się uzyskuje

Surowiec

Minerały najczęściej używane do ekstrakcji miedzi to siarczki metali, głównie chalkopiryt (CuFeS ₂ ) i bornit (Cu ₅ FeS ₄ ). Te minerały stanowią 50% całkowitej wydobytej miedzi. Do otrzymywania miedzi stosuje się również kalellit (CuS) i chalkozyn (Cu ₂ S).

Kruszenie i mielenie

Początkowo skały są kruszone, aby uzyskać skalne fragmenty o długości 1,2 cm. Następnie kontynuuje mielenie skalistych fragmentów, aż do uzyskania cząstek 0,18 mm. Woda i odczynniki są dodawane w celu uzyskania pasty, którą następnie poddaje się flotacji w celu uzyskania koncentratu miedzi.

Flotacja

Na tym etapie powstają pęcherzyki, które zatrzymują minerały miedzi i siarki obecne w miazdze. W celu zebrania piany, wysuszenia jej w celu uzyskania koncentratu, który kontynuuje oczyszczanie, przeprowadza się kilka procesów.

Oczyszczenie

Aby oddzielić miedź od innych metali i zanieczyszczeń, suchy koncentrat jest poddawany działaniu wysokich temperatur w specjalnych piecach. Miedź rafinowana ogniowo (RAF) jest formowana w płyty o wadze około 225 kg, które będą stanowić anody.

Elektroliza

Elektroliza jest stosowana w rafinacji miedzi. Anody z huty trafiają do ogniw elektrolitycznych w celu rafinacji. Miedź przemieszcza się do katody, a zanieczyszczenia osiadają na dnie ogniw. W procesie tym uzyskuje się katody miedziane o czystości 99,99%.

Stopy miedzi

Brązowy

Brąz to stop miedzi i cyny, którego miedź stanowi od 80 do 97%. Był używany do produkcji broni i przyborów kuchennych. Obecnie znajduje zastosowanie w produkcji części mechanicznych odpornych na tarcie i korozję.

Ponadto znajduje zastosowanie w budowie instrumentów muzycznych, takich jak dzwonki, gongi, cymbały, saksofony oraz struny harf, gitar i fortepianu.

Mosiądz

Mosiądz to stop miedzi i cynku. W mosiądzach przemysłowych zawartość cynku jest mniejsza niż 50%. Wykorzystywany jest do wykonywania pojemników i konstrukcji metalowych.

Monel

Stop monelu to stop niklowo-miedziowy o stosunku niklu do miedzi 2: 1. Jest odporny na korozję i jest stosowany w wymiennikach ciepła, prętach i łukach soczewkowych.

Potwierdzili

Constatán to stop składający się w 55% z miedzi i 45% z niklu. Służy do produkcji monet i charakteryzuje się stałym oporem. Również stop miedziowo-niklowy jest używany do powlekania zewnętrznego monet o małych nominałach.

BeCu

Stop miedzi i berylu zawiera 2% berylu. Stop ten łączy w sobie wytrzymałość, twardość, przewodność elektryczną i odporność na korozję. Stop jest powszechnie stosowany w złączach elektrycznych, produktach telekomunikacyjnych, komponentach komputerowych i małych sprężynach.

Narzędzia takie jak klucze, śrubokręty i młotki używane na platformach wiertniczych i kopalniach węgla posiadają inicjały BeCu jako gwarancję, że nie będą wytwarzać iskier.

Inny

Srebro stopowe 90% i miedź 10% były używane w monetach do 1965 r., Kiedy to użycie srebra zostało wyeliminowane we wszystkich walutach, z wyjątkiem monety pół dolara.

7% stop miedzi i aluminium ma złoty kolor i jest używany do dekoracji. Tymczasem Shakudo to japoński dekoracyjny stop miedzi i złota w niewielkiej ilości (4 do 10%).

Aplikacje

Okablowanie elektryczne i silniki

Miedziane przewody elektryczne. Źródło: Scott Ehardt

Miedź ze względu na wysokie przewodnictwo elektryczne i niski koszt jest preferowanym metalem do stosowania w okablowaniu elektrycznym. Kabel miedziany jest używany na różnych etapach wytwarzania energii elektrycznej, takich jak wytwarzanie, przesyłanie, dystrybucja energii elektrycznej itp.

50% miedzi produkowanej na świecie jest wykorzystywane do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, ze względu na wysoką przewodność elektryczną, łatwość formowania drutów (plastyczność), odporność na odkształcenia i korozję.

Miedź jest również wykorzystywana do produkcji obwodów scalonych i płytek drukowanych. Metal jest stosowany w radiatorach i wymiennikach ciepła ze względu na wysokie przewodnictwo cieplne, które ułatwia odprowadzanie ciepła.

Miedź jest stosowana w elektromagnesach, lampach próżniowych, lampach katodowych i magnetronach w kuchenkach mikrofalowych.

Wykorzystuje się go również do budowy cewek silników elektrycznych i układów uruchamiających silniki, przy czym elementy te stanowią około 40% światowego zużycia energii elektrycznej.

Budynek

Miedź ze względu na swoją odporność na korozję i działanie powietrza atmosferycznego od dawna jest stosowana na dachach domów, rurach spustowych, kopułach, drzwiach, oknach itp.

Obecnie jest stosowany w okładzinach ściennych i elementach dekoracyjnych, takich jak akcesoria łazienkowe, klamki do drzwi i lampy. Jest również stosowany w produktach przeciwdrobnoustrojowych.

Działanie biostatyczne

Miedź zapobiega rozwojowi na niej wielu form życia. Stosowano go w arkuszach, które umieszczano na dnie kadłubów statków, aby zapobiec rozwojowi mięczaków, takich jak małże, a także pąkli.

Obecnie do wyżej wymienionego zabezpieczenia kadłubów statków stosowane są farby na bazie miedzi. Metaliczna miedź może zneutralizować wiele bakterii w kontakcie.

Jego mechanizm działania został zbadany na podstawie właściwości jonowych, korozyjnych i fizycznych. Wniosek był taki, że utleniające właściwości miedzi wraz z rozpuszczalnością jej tlenków są czynnikami, które powodują, że metaliczna miedź ma właściwości antybakteryjne.

Miedź metaliczna działa na niektóre szczepy E. coli, S. aureus i Clostridium difficile, wirusy z grupy A, adenowirusy i grzyby. Dlatego zaplanowano stosowanie stopów miedzi, które mają kontakt z rękami pasażerów w różnych środkach transportu.

Nanocząsteczki

Przeciwbakteryjne działanie miedzi jest dodatkowo wzmocnione, gdy stosowane są jej nanocząsteczki, które okazały się przydatne w leczeniu endodontycznym.

Podobnie nanocząstki miedzi są doskonałymi adsorbentami, a ponieważ są one pomarańczowe, zmiana ich koloru reprezentuje utajoną metodę kolorymetryczną; na przykład opracowany do wykrywania pestycydów ditiokarbaminianów.

Rola biologiczna

W elektronicznym łańcuchu transportowym

Miedź jest niezbędnym pierwiastkiem do życia. Bierze udział w elektronicznym łańcuchu transportowym, stanowiąc część kompleksu IV. W tym kompleksie zachodzi ostatni etap elektronicznego łańcucha transportowego: redukcja cząsteczki tlenu do postaci wody.

Kompleks IV składa się z dwóch grup hae, cytochromu a, cytochromu a ₃ oraz dwóch centrów Cu; jeden zwany CuA, a drugi CuB. Cytochrom a ₃ i CuB tworzą dwujądrowe centrum, w którym następuje redukcja tlenu do wody.

Na tym etapie Cu przechodzi ze swojego stopnia utlenienia +1 do +2, dając elektrony cząsteczce tlenu. Elektroniczny łańcuch transportowy wykorzystuje NADH i FADH ₂ z cyklu Krebsa jako donory elektronów, z którymi tworzy elektrochemiczny gradient wodoru.

Ten gradient służy jako źródło energii do wytwarzania ATP w procesie znanym jako fosforylacja oksydacyjna. Tak więc ostatecznie obecność miedzi jest niezbędna do produkcji ATP w komórkach eukariotycznych.

W enzymie dysmutaza ponadtlenkowa

Miedź jest częścią enzymu dysmutazy ponadtlenkowej, enzymu, który katalizuje rozkład jonu ponadtlenkowego (O ₂ ^- ), związku toksycznego dla istot żywych.

Dysmutaza ponadtlenkowa katalizuje rozkład jonu ponadtlenkowego na tlen i / lub nadtlenek wodoru.

Dysmutaza ponadtlenkowa może wykorzystywać redukcję miedzi do utleniania ponadtlenku do tlenu lub może powodować utlenianie miedzi z wytworzeniem nadtlenku wodoru z ponadtlenku.

W hemocyjaninie

Hemocyjanina to białko obecne we krwi niektórych pajęczaków, skorupiaków i mięczaków. Pełni podobną funkcję jak hemoglobina u tych zwierząt, ale zamiast żelaza w miejscu transportu tlenu ma miedź.

Hemocyjanina ma w swoim miejscu aktywnym dwa atomy miedzi. Z tego powodu hemocyjanina ma kolor niebiesko-zielony. Centra metalicznej miedzi nie mają bezpośredniego kontaktu, ale znajdują się blisko siebie. Cząsteczka tlenu jest umieszczona pomiędzy dwoma atomami miedzi.

Koncentracja w organizmie człowieka

Ciało ludzkie zawiera od 1,4 do 2,1 mg Cu / kg masy ciała. Miedź jest wchłaniana w jelicie cienkim, a następnie wraz z albuminą przenoszona jest do wątroby. Stamtąd miedź jest transportowana do reszty ludzkiego ciała, przyłączona do ceruloplazminy będącej białkiem osocza.

Nadmiar miedzi jest wydalany z żółcią. Jednak w niektórych przypadkach, np. W chorobie Wilsona, w organizmie gromadzi się miedź, powodując toksyczne działanie metalu, które wpływa na układ nerwowy, nerki i oczy.

Bibliografia

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM i wsp. (2019). Zastosowania nanocząstek miedzi do kolorymetrycznego wykrywania pestycydów ditiokarbaminianowych. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela i Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanocząsteczki miedzi jako potencjalny środek przeciwdrobnoustrojowy w dezynfekcji kanałów korzeniowych: przegląd systematyczny. International Journal of odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Miedź. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 września 2018). Właściwości fizyczne miedzi berylowej. Odzyskane z: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 lipca 2019). Fakty dotyczące miedzi: właściwości chemiczne i fizyczne. Odzyskany z: thinkco.com
6. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (26 lipca 2019). Miedź: pierwiastek chemiczny. Encyclopaedia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
7. Redaktor. (10 listopada 2018). Chalkopiryt. Odzyskany z: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Układ okresowy: miedź. Odzyskany z: lenntech.com