KUPARI: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT, BIOLOGINEN ROOLI - KEMIA - 2026

Kupari on siirtymämetallia, joka kuuluu ryhmään 11 jaksollisen ja edustaa kemiallinen merkki Cu. Sille on tunnusomaista ja se erottuu puna-oranssista metallista, erittäin muovautuvasta ja muokattavasta, sillä se on myös suuri sähkön ja lämmön johtaja.

Metallisessa muodossaan sitä löydetään primaarisena mineraalina basalttikiveissä. Samaan aikaan se hapetetaan rikkipitoisissa yhdisteissä (sellaisissa, joissa kaivostoiminta on suurempaa), arsenideissä, klorideissa ja karbonaateissa; eli laaja luokka mineraaleja.

Herätyskello kuparista. Lähde: Pixabay.

Sitä sisältävien mineraalien joukossa voidaan mainita kalsiitti, kalkopyriitti, syntyiitti, kupuri, malakiitti ja atsuriitti. Kuparia on myös levien tuhkassa, merikorallissa ja niveljalkaisissa.

Tämän metallin pitoisuus maakuoressa on 80 ppm, ja keskimääräinen pitoisuus merivedessä on 2,5 ∙ 10 - ⁴ mg / L. Luonnossa sitä esiintyy kahtena luonnollisena isotooppina: ⁶³ Cu, jossa on runsaasti 69,15%, ja ⁶⁵ Cu, jossa esiintyy 30,85%.

On todisteita siitä, että kupari sulatettiin vuonna 8000 eaa. C. ja seostettiin tinalla pronssin muodostamiseksi vuonna 4000 eKr. C. Katsotaan, että vain meteorinen rauta ja kulta edeltävät sitä ensimmäisenä ihmisen käyttämänä metallina. Se on siis synonyymi arkaaiselle ja oranssille hehkuu samaan aikaan.

Kuparia käytetään pääasiassa kaapeleiden valmistukseen sähkön johtamiseksi sähkömoottoreissa. Tällaiset kaapelit, pienet tai suuret, muodostavat koneita tai laitteita teollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä.

Kupari on mukana elektronisessa kuljetusketjussa, joka mahdollistaa ATP: n synteesin; elävien olentojen tärkein energiayhdiste. Se on superoksidi-dismutaasin kofaktori: entsyymi, joka hajottaa superoksidi-ionia, yhdiste, joka on erittäin myrkyllinen eläville olennoille.

Lisäksi kuparilla on merkitystä hemosyaniinissa hapen kuljetuksessa eräissä hämähäkkeissä, äyriäisissä ja nilviäisissä, mikä on samanlainen kuin rauta suorittaa hemoglobiinissa.

Kaikista ihmiselle hyödyllisistä vaikutuksista huolimatta, kun kupari kerääntyy ihmiskehoon, kuten Wilsonin tauti, se voi aiheuttaa muun muassa maksakirroosin, aivovaurioita ja silmävaurioita.

Historia

Kupari-ikä

Alkuperäistä kuparia käytettiin esineiden valmistamiseen kivin korvikkeena neoliittisissa, luultavasti välillä 9000 - 8000 eaa. C. Kupari on yksi ensimmäisistä ihmisen käyttämistä metalleista meteoriiteissa ja kullassa olevan raudan jälkeen.

On olemassa todisteita kaivostoiminnan käytöstä kuparin hankkimisessa vuonna 5000 eKr. C. Jo edellisenä päivänä kupariesineitä rakennettiin; näin on Irakissa tehty korvakoru, jonka arvioidaan olevan 8700 eKr. C.

Metallurgian uskotaan puolestaan ​​syntyneen Mesopotamiassa (nyt Irak) vuonna 4000 eKr. C., kun mineraalien metalli oli mahdollista pelkistää tulen ja hiilen avulla. Myöhemmin kupari seostettiin tarkoituksella tinalla pronssin tuottamiseksi (4000 eKr.).

Jotkut historioitsijat viittaavat kuparikauteen, joka sijaitsi kronologisesti neoliittisen ja pronssikauden välillä. Myöhemmin rautakausi korvasi pronssikauden vuosina 2000–1000 eKr. C.

Pronssikausi

Pronssikausi alkoi 4000 vuotta kuparin sulatuksen jälkeen. Pronssituotteet Vinca-kulttuurista ovat peräisin vuodelta 4500 eKr. C.; kun taas Sumeriassa ja Egyptissä on pronssiesineitä, jotka on valmistettu 3000 vuotta eKr. C.

Radioaktiivisen hiilen käyttö on osoittanut kuparin louhinnan olemassaolon Alderley Edgessä, Cheshiressä ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa vuosina 2280–1890 eKr. C.

Voidaan huomata, että Ötzi, "Ice Man", jonka arvioitu päivämäärä on välillä 3300-3200 eaa. C.: lla oli kirves, jonka pää oli puhdasta kuparia.

Roomalaiset 6. vuosisadalta eKr. He käyttivät valuutana kuparinpalasia. Julius Caesar käytti messinki-, kupari- ja sinkkiseoksesta valmistettuja kolikoita. Lisäksi Octavianin kolikot valmistettiin kuparin, lyijyn ja tinan seoksella.

Tuotanto ja nimi

Kuparituotanto Rooman valtakunnassa nousi 150 000 tonniin vuodessa, luku ylitti vasta teollisen vallankumouksen aikana. Roomalaiset toivat kuparin Kyproksesta, tietäen sen aes Cyprium ("Kyproksen metalli").

Myöhemmin termi muuttui cuprumiksi: nimi, jota käytettiin kuparin nimeämiseen vuoteen 1530 saakka, jolloin englanninkielisen juuren nimitys "copper" otettiin käyttöön metallin kuvaamiseksi.

100-luvulta vuoteen 1992 toiminut Ruotsin suuri kuparimäki kattoi 60 prosenttia Euroopan kulutuksesta 1700-luvulla. Hampurissa sijaitseva La Norddeutsche Affinerie -tehdas (1876) oli ensimmäinen moderni kuparia käyttävä galvanointilaitos.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Ulkomuoto

Kupari on kiiltävä oranssi-punainen metalli, kun taas useimmat natiivit metallit ovat harmaata tai hopeaa.

Atominumero (Z)

29

Atomipaino

63 546 u

Sulamispiste

1 084,62 ºC

Tavalliset kaasut, kuten happi, typpi, hiilidioksidi ja rikkidioksidi, liukenevat sulaan kupariin ja vaikuttavat metallin mekaanisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin, kun se jähmettyy.

Kiehumispiste

2562 ° C

Tiheys

- 8,96 g / ml huoneenlämpötilassa.

- 8,02 g / ml sulamispisteessä (neste).

Huomaa, että kiinteän ja nestemäisen faasin välillä ei ole merkittävää tiheyden laskua; molemmat edustavat erittäin tiheää materiaalia.

Fuusion lämpö

13,26 kJ / mol.

Höyrystymislämpö

300 kJ / mol.

Kaloriarvo

24,44 J / (mol * K).

Lämpölaajeneminen

16,5 um / (m * K) 25 ° C: ssa.

Lämmönjohtokyky

401 W / (m ∙ K).

Sähkövastus

16,78 Ω m 20 ° C: ssa.

Sähkönjohtavuus

59,6 - 10 ⁶ S / m.

Kuparilla on erittäin korkea sähkönjohtavuus, vain hopea ylitti sen.

Mohsin kovuus

3.0.

Siksi se on pehmeää metallia ja myös melko muovautuvaa. Lujuutta ja sitkeyttä lisää kylmätyöstö, joka johtuu pitkänomaisesta kiteiden muodostumisesta samassa kuparissa olevassa pintakeskeisessä kuutiorakenteessa.

Kemialliset reaktiot

Kupari liekin testi, joka tunnistetaan sen sinivihreä liekki väri. Lähde: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Kupari ei reagoi veden kanssa, mutta se reagoi ilmakehän hapen kanssa, päällystettynä mustanruskean oksidikerroksen kanssa, joka suojaa korroosiota metallin alla olevissa kerroksissa:

2Cu (t) + O ₂ (g) → 2CuO

Kupari ei liukene laimeisiin happoihin, mutta se reagoi kuumien ja väkevöityjen rikki- ja typpihappojen kanssa. Se liukenee myös ammoniakkiin vesiliuoksessa ja kaliumsyanidiin.

Se voi vastustaa ilmakehän ilman ja meriveden vaikutusta. Sen pitkäaikainen altistuminen johtaa kuitenkin ohuen vihreän suojakerroksen (patina) muodostumiseen.

Edellinen kerros on karbonaatin ja kuparisulfaatin seos, jota on havaittu vanhoissa rakennuksissa tai veistoksissa, kuten New Yorkissa sijaitsevassa Vapaudenpatsaassa.

Kupari reagoi kuumennettiin punainen hapen kanssa, jolloin saatiin kuparioksidia (CuO) ja korkeammissa lämpötiloissa muodot kuparioksidia (Cu ₂ O). Se reagoi myös kuumalla rikin kanssa kuparisulfidin tuottamiseksi; siksi siitä tulee sumuista, kun se altistetaan joillekin rikkiyhdisteille.

Kupari I palaa sinisellä liekillä liekkikokeessa; kun taas kupari II säteilee vihreää liekkiä.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Kuparikiteet kiteytyvät kasvokeskittyneessä kuutiomaisessa (fcc) rakenteessa. Tässä fcc-kiteessä Cu-atomit pysyvät kiinnittyneinä metallisidoksen ansiosta, joka on suhteellisen heikompi kuin muut siirtymämetallit; tosiasia, joka ilmenee sen suuresta taipuisuudesta ja alhaisesta sulamispisteestä (1084 ºC).

Sähköisen kokoonpanon mukaan:

3d ¹⁰ 4s ¹

Kaikki 3D-kiertoradat ovat täynnä elektroneja, kun taas 4s: n kiertoradalla on vajaakäyttö. Tämä tarkoittaa, että 3D-kiertoradat eivät toimi yhdessä metallisessa sidoksessa kuten muilta metalleilta voidaan odottaa. Siten Cu-atomit kristallia pitkin limittyvät 4s: n kiertoradallaansa muodostaen kaistoja, vaikuttaen niiden vuorovaikutusten suhteellisen heikkoon voimaan.

Itse asiassa tuloksena oleva energinen ero 3d (täynnä) ja 4s (puoliksi täynnä) kiertorataelektronien välillä on vastuussa kuparikiteistä, jotka absorboivat fotoneja näkyvästä spektristä heijastaen niiden erottuvaa oranssia väriä.

Kupari-fcc-kiteillä voi olla erikokoisia, mitä pienempiä ne ovat, sitä vahvempi metalliosa on. Kun ne ovat hyvin pieniä, puhumme nanohiukkasista, herkät hapettumiselle ja varattu valikoiville sovelluksille.

Hapetusnumerot

Ensimmäinen luku tai hapetustila, jota voidaan odottaa kuparista, on +1, johtuen elektronin menetyksestä sen 4s kiertoradalta. Kun se on yhdisteessä, Cu ⁺ -kationin (yleisesti kutsutaan kupari-ioniksi) olemassaolon oletetaan olevan.

Tämä ja hapetusluku +2 (Cu ²⁺) ovat kuparille tunnetuimpia ja runsaimpia; he ovat yleensä ainoita, joita opetetaan lukion tasolla. On kuitenkin myös hapetuslukuja +3 (Cu ³⁺) ja +4 (Cu ⁴⁺), jotka eivät ole niin harvinaisia ​​kuin ensi silmäyksellä voi ajatella.

Esimerkiksi suoloja kupraatiksi anionin, CuO ₂ ^-, ovat yhdisteitä, kupari (III) tai +3; näin on kalium kupraatin, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ²).

Kuparilla voi myös olla negatiivinen hapettumisluku: vaikkakin vähäisemmässä määrin ja hyvin harvoissa tapauksissa: -2 (Cu ²).

Kuinka se saadaan

Raaka materiaali

Kuparin uuttamiseen eniten käytettyjä mineraaleja ovat metallisulfidit, pääasiassa kalkopyriitti (CuFeS ₂) ja syntyveniitti (Cu ₅ FeS ₄). Nämä mineraalit muodostavat 50% uutetusta kuparista. Calellite (CuS) ja kuparijohteesta (Cu ₂ S) käytetään myös saada kupari.

Murskaus ja jauhaminen

Alun perin kivet murskataan, jotta saadaan 1,2 cm kivisiä katkelmia. Sitten se jatkuu kivisten fragmenttien jauhamisella, kunnes saadaan 0,18 mm hiukkasia. Vettä ja reagensseja lisätään tahnan saamiseksi, joka sitten kelluu kuparirikasteen saamiseksi.

emissio

Tässä vaiheessa muodostuu kuplia, jotka vangitsevat massassa olevat kupari- ja rikkimineraalit. Vaahdon keräämiseksi suoritetaan useita prosesseja kuivaamalla, jolloin saadaan konsentraatti, joka jatkaa puhdistustaan.

puhdistaminen

Kuparin erottamiseksi muista metalleista ja epäpuhtauksista kuiva kuiva konsentraatti altistetaan korkeille lämpötiloille erityisissä uuneissa. Tulenkestävä kupari (RAF) muovataan levyiksi, joiden paino on noin 225 kg ja jotka muodostavat anodit.

elektrolyysin

Elektrolyysiä käytetään kuparin puhdistukseen. Sulattimen anodit viedään elektrolyyttisiin kennoihin puhdistamista varten. Kupari kulkee katodille ja epäpuhtaudet laskeutuvat kennojen pohjalle. Tässä prosessissa saadaan kuparikatodeja, joiden puhtaus on 99,99%.

Kupraseokset

Pronssi

Pronssi on kuparin ja tinan seos, kuparin osuus siitä on 80–97%. Sitä käytettiin aseiden ja ruokailuvälineiden valmistukseen. Sitä käytetään tällä hetkellä kitkaan ja korroosiota kestävien mekaanisten osien valmistuksessa.

Lisäksi sitä käytetään soittimien, kuten soittokellojen, gongien, symbaalien, saksofonien ja harppujen, kitaran ja pianon, valmistamiseen.

Messinki

Messinki on kuparin ja sinkin seos. Teollisessa messingissä sinkin osuus on alle 50%. Sitä käytetään konttien ja metallirakenteiden valmistukseen.

monel

Monel-lejeerinki on nikkeli-kupariseos, nikkelin ja kuparin suhteessa 2: 1. Se kestää korroosiota ja sitä käytetään lämmönvaihtimissa, tankoissa ja linssikaareissa.

He vahvistivat

Constatán on seos, joka koostuu 55% kuparista ja 45% nikkelistä. Sitä käytetään kolikoiden valmistukseen, ja sille on ominaista jatkuva vastus. Myös kuparinikkeliseosta käytetään pienten nimellisrahojen ulkopinnoitukseen.

BeCu

Kupari-berylliumlejeeringin berrylliprosentti on 2%. Tämä seos yhdistää lujuuden, kovuuden, sähkönjohtavuuden ja korroosionkestävyyden. Seosta käytetään yleisesti sähköliittimissä, tietoliikennetuotteissa, tietokonekomponenteissa ja pienissä jousissa.

Öljynporauslautoissa ja hiilikaivoksissa käytetyillä työkaluilla, kuten avaimilla, ruuvimeisselillä ja vasaralla on BeCu-alkukirjaimet takeena siitä, että ne eivät aiheuta kipinöitä.

muut

90%: n seoshopeaa ja 10%: n kuparia käytettiin kolikoissa vuoteen 1965 saakka, jolloin hopean käyttö oli poistettu kaikissa valuutoissa paitsi puolidollarin kolikoita.

7% kuparialumiiniseos on väri kultainen ja sitä käytetään koristeluun. Samanaikaisesti Shakudo on japanilainen kuparin ja kullan koristeseos, alhaisena prosenttina (4-10%).

Sovellukset

Sähköjohdot ja moottorit

Kuparin sähköjohdot. Lähde: Scott Ehardt

Kupari on korkean sähkönjohtavuutensa ja alhaisten kustannustensa vuoksi valittu metalli käytettäväksi sähköjohdotuksissa. Kuparikaapelia käytetään sähkön eri vaiheissa, kuten sähköntuotannossa, siirrossa, jakelussa jne.

50% maailman tuotetusta kuparista käytetään sähkökaapeleiden ja johtimien tuotantoon, koska sen korkea sähkönjohtavuus, johtojen muodostumisen helppous (muovattavuus), muodonkestävyys ja korroosio johtuvat.

Kuparia käytetään myös integroitujen piirien ja piirilevyjen valmistukseen. Metallia käytetään jäähdytyselementteissä ja lämmönvaihtimissa korkean lämmönjohtavuutensa takia, mikä helpottaa lämmönpoistumista.

Kuparia käytetään sähkömagneeteissa, tyhjiöputkissa, katodisädeputkissa ja magnetronissa mikroaaltouuneissa.

Samoin sitä käytetään sähkömoottorien käämien ja järjestelmien, jotka käynnistävät moottorit, rakentamisessa. Nämä osat edustavat noin 40 prosenttia maailman sähkönkulutuksesta.

Rakennus

Kuparia on korroosionkestävyytensä ja ilmailman vaikutuksensa vuoksi jo pitkään käytetty talojen kattoihin, alamäkiin, kupoliin, oviin, ikkunoihin jne.

Sitä käytetään tällä hetkellä seinäverhouksissa ja koriste-esineissä, kuten kylpytuotteissa, ovenkahvoissa ja lampuissa. Sitä käytetään myös mikrobilääkkeissä.

Biostaattinen toiminta

Kupari estää lukuisia elämänmuotoja kasvamasta sen päälle. Sitä käytettiin arkeissa, jotka asetettiin alusten rungon pohjalle nilviäisten, kuten simpukoiden, sekä merirokkojen kasvun estämiseksi.

Nykyisin kuparipohjaisia ​​maaleja käytetään edellä mainittuihin laivanrunkojen suojaamiseen. Metallinen kupari voi neutraloida monia bakteereja kosketuksessa.

Sen vaikutustapa on tutkittu sen ionisten, syövyttävien ja fysikaalisten ominaisuuksien perusteella. Johtopäätöksenä oli, että kuparin hapettava käyttäytyminen yhdessä sen oksidien liukoisuusominaisuuksien kanssa ovat tekijöitä, jotka aiheuttavat metalliselle kuparille antibakteerisen vaikutuksen.

Metallinen kupari vaikuttaa joihinkin E. colin, S. aureuksen ja Clostridium difficile -kantoihin, ryhmän A viruksiin, adenoviruksiin ja sieniin. Siksi on suunniteltu käyttää kupariseoksia, jotka ovat kosketuksissa matkustajien käsien kanssa eri kuljetusvälineissä.

nanopartikkelit

Kuparin antimikrobinen vaikutus paranee entisestään, kun käytetään sen nanohiukkasia, jotka ovat osoittautuneet käyttökelpoisiksi endodontisissa hoidoissa.

Samoin kuparinanohiukkaset ovat erinomaisia ​​adsorbentteja, ja koska ne ovat oransseja, niiden värinmuutos edustaa piilevää kolorimetrista menetelmää; esimerkiksi kehitetty ditiokarbamaattien torjunta-aineiden havaitsemiseksi.

Biologinen rooli

Sähköisessä kuljetusketjussa

Kupari on olennainen osa elämää. Se on mukana elektronisessa kuljetusketjussa, muodostaen osan kompleksista IV. Sähköisen kuljetusketjun viimeinen vaihe tapahtuu tässä kompleksissa: happimolekyylin pelkistyminen veden muodostamiseksi.

Kompleksi IV koostuu kahdesta hee-ryhmästä, sytokromi a, sytokromi a ₃, sekä kahdesta Cu-keskuksesta; yksi nimeltään CuA ja toinen CuB. Sytokromi a ₃ ja CuB muodostavat binukleaarisen keskuksen, jossa tapahtuu hapen pelkistys veteen.

Tässä vaiheessa Cu siirtyy +1 - +2-hapetustilastaan, jolloin elektronit saavat aikaan happimolekyylin. Elektronisessa kuljetusketjussa käytetään Kredin syklin NADH: ta ja FADH _2: ta elektroninluovuttajina, joiden avulla se luo sähkökemiallisen vetygradientin.

Tämä gradientti toimii energialähteenä ATP: n tuottamiseksi prosessissa, joka tunnetaan nimellä oksidatiivinen fosforylaatio. Joten ja viime kädessä kuparin läsnäolo on välttämätöntä ATP: n tuottamiseksi eukaryoottisoluissa.

Entsyymissä superoksididi dismutaasi

Kupari on osa superoksididismutaasi-entsyymiä, entsyymiä, joka katalysoi superoksiidi-ionin (O ₂ ^-) hajoamista, yhdiste, joka on myrkyllinen eläville olennoille.

Superoksidi-dismutaasi katalysoi superoksidionin hajoamista happea ja / tai vetyperoksidia.

Superoksididismutaasi voi käyttää kuparin pelkistystä hapettamaan superoksidin happeaksi, tai se voi aiheuttaa kuparin hapettumisen muodostaen vetyperoksidia superoksidista.

Hemosyaniinissa

Hemosyaniini on proteiini, jota esiintyy joidenkin hämähäkkien, äyriäisten ja nilviäisten veressä. Se suorittaa samanlaisen toiminnan kuin hemoglobiini näillä eläimillä, mutta sen sijaan, että sillä olisi rautaa hapen kuljetuskohdassa, siinä on kuparia.

Hemosyaniinilla on kaksi kupariatomia aktiivisessa paikassa. Tästä syystä hemosyaniinin väri on sinivihreä. Metalliset kuparikeskukset eivät ole suorassa kosketuksessa, mutta niiden sijainti on lähellä. Happimolekyyli on kerrostettu kahden kupariatomin väliin.

Pitoisuus ihmiskehossa

Ihmiskehossa on välillä 1,4–2,1 mg Cu / painokilo. Kupari imeytyy ohutsuoleen ja kuljetetaan sitten maksaan yhdessä albumiinin kanssa. Sieltä kupari kuljetetaan muuhun ihmiskehoon, joka on kiinnittynyt ceruloplasmiiniin plasmaproteiiniin.

Ylimääräinen kupari erittyy sapen kautta. Joissakin tapauksissa, kuten esimerkiksi Wilsonin taudissa, kupari kerääntyy kehoon, ja siinä ilmenee metallin toksisia vaikutuksia, jotka vaikuttavat hermostoon, munuaisiin ja silmiin.

Viitteet

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MIN, Jahangir, TM et ai. (2019). Kuparinanohiukkasten käyttö ditiokarbamaatti-torjunta-aineiden kolorimetriseen havaitsemiseen. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela ja Bello-Toledo, Helia. (2016). Kuparinanohiukkaset potentiaalisena antimikrobisena aineena juurikanavien desinfioinnissa: systemaattinen katsaus. Kansainvälinen odontostomatologialehti, 10 (3), 547 - 554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Kupari. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. syyskuuta 2018). Berylliumkuparin fysikaaliset ominaisuudet. Palautettu osoitteesta: thebalance.com
5. Helmenstine, tohtori Anne Marie (3. heinäkuuta 2019). Kupari-tosiasiat: Kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Palautettu osoitteesta: gondo.com
6. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (26. heinäkuuta 2019). Kupari: kemiallinen alkuaine. Encyclopaedia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
7. Editori. (10. marraskuuta 2018). Kuparikiisu. Palautettu osoitteesta: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Jaksollinen taulukko: kupari. Palautettu sivustolta: lenntech.com