KOBBER: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK, BIOLOGISK ROLLE - KJEMI

Den kobber er et overgangsmetall tilhørende gruppe 11 i det periodiske system, og er representert ved den kjemiske symbol Cu. Det kjennetegnes og kjennetegnes ved å være et rød-oransje metall, veldig behagelig og formbar, og er også en stor leder for strøm og varme.

I sin metalliske form finnes det som et primært mineral i basaltiske bergarter. I mellomtiden oksideres det i svovelholdige forbindelser (de med større utvinning av gruvedrift), arsenider, klorider og karbonater; det vil si en enorm kategori av mineraler.

Vekkerklokke laget av kobber. Kilde: Pixabay.

Blant mineralene som inneholder den, kan vi nevne kalkositt, kalkopyritt, bornitt, kupritt, malakitt og azuritt. Kobber er også til stede i asken til alger, i marine koraller og i leddyr.

Dette metallet har en overflod på 80 ppm i jordskorpen, og en gjennomsnittlig konsentrasjon i sjøvann på 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. I naturen forekommer det som to naturlige isotoper: ⁶³ Cu, med en overflod på 69,15%, og ⁶⁵ Cu, med en overflod på 30,85%.

Det er bevis på at kobber ble smeltet i 8000 f.Kr. C. og legert med tinn for å danne bronse, i 4000 f.Kr. C. Det anses at bare meteorisk jern og gull går foran det som de første metaller som ble brukt av mennesker. Det er dermed synonymt med arkaisk og oransje glød på samme tid.

Kobber brukes hovedsakelig i produksjon av kabler for ledning av elektrisitet i elektriske motorer. Slike kabler, små eller store, utgjør maskiner eller enheter i industrien og i hverdagen.

Kobber er involvert i den elektroniske transportkjeden som tillater syntese av ATP; viktigste energiforbindelse av levende vesener. Det er en kofaktor av superoksyd dismutase: et enzym som nedbryter superoksydionet, en forbindelse som er meget giftig for levende vesener.

I tillegg spiller kobber en rolle i hemocyanin i oksygentransport i noen arachnider, krepsdyr og bløtdyr, noe som tilsvarer det som utføres av jern i hemoglobin.

Til tross for alle fordelaktige handlinger for mennesker, når kobber hoper seg opp i menneskekroppen, slik tilfellet er Wilsons sykdom, kan det forårsake levercirrhosis, hjerneforstyrrelser og øyeskader, blant andre endringer.

Historie

Kobberalder

Innfødt kobber ble brukt til å lage gjenstander som erstatning for stein i det neolitiske, antagelig mellom 9000 og 8000 f.Kr. C. Kobber er en av de første metaller som er brukt av mennesker, etter jernet som finnes i meteoritter og gull.

Det er bevis på bruken av gruvedrift for å skaffe kopper i år 5000 f.Kr. C. Allerede for en tidligere dato ble kobberartikler konstruert; slik er tilfellet med en ørering laget i Irak anslått til å være 8700 f.Kr. C.

I sin tur antas det at metallurgi ble født i Mesopotamia (nå Irak) i 4000 f.Kr. C. når det var mulig å redusere metallet i mineralene ved bruk av brann og kull. Senere ble kobber med vilje legert med tinn for å produsere bronse (4000 f.Kr.).

Noen historikere peker på en kobberalder, som vil være lokalisert kronologisk mellom den neolitiske og bronsealderen. Senere erstattet jernalderen bronsealderen mellom 2000 og 1000 f.Kr. C.

Bronsealderen

Bronsealderen begynte 4000 år etter at kobber ble smeltet. Bronseartikler fra Vinca-kulturen går tilbake til 4500 f.Kr. C .; mens i Sumeria og Egypt er det bronseobjekter laget 3000 år f.Kr. C.

Bruken av radioaktivt karbon har etablert eksistensen av kobbergruvedrift i Alderley Edge, Cheshire og Storbritannia, mellom årene 2280 og 1890 f.Kr. C.

Det kan bemerkes at Ötzi, "Ismannen" med en estimert dato mellom 3300 og 3200 f.Kr. C., hadde en øks med et hode av rent kobber.

Romerne fra 600-tallet f.Kr. De brukte biter av kobber som valuta. Julius Caesar brukte mynter laget av messing, kobber og sinklegering. Videre ble Octavians mynter laget med en legering av kobber, bly og tinn.

Produksjon og navn

Kobberproduksjonen i Romerriket nådde 150 000 tonn per år, et tall som bare overgikk under den industrielle revolusjonen. Romerne hentet kobber fra Kypros, og kjente det som aes Cyprium ("metall fra Kypros").

Senere degenererte begrepet til cuprum: et navn som ble brukt til å betegne kobber til året 1530, da det engelske rotuttrykket 'kobber' ble introdusert for å betegne metallet.

Det store kobberfjellet i Sverige, som opererte fra 1000-tallet til 1992, dekket 60% av Europas forbruk på 1600-tallet. La Norddeutsche Affinerie-anlegget i Hamburg (1876) var det første moderne galvaniseringsanlegget som brukte kobber.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Kobber er et glødende oransjerødt metall, mens de fleste innfødte metaller er grått eller sølv.

Atomnummer (Z)

Atomvekt

63.546 u

Smeltepunkt

1.084,62 ºC

Vanlige gasser som oksygen, nitrogen, karbondioksid og svoveldioksid er løselige i smeltet kobber og påvirker de mekaniske og elektriske egenskapene til metallet når det stivner.

Kokepunkt

2.562 ºC

tetthet

- 8,96 g / ml ved romtemperatur.

- 8,02 g / ml ved smeltepunkt (væske).

Merk at det ikke er noen betydelig reduksjon i tetthet mellom den faste og flytende fasen; begge representerer veldig tette materialer.

Fusjonsvarme

13,26 kJ / mol.

Fordampingsvarme

300 kJ / mol.

Molær kalorikapasitet

24,44 J / (mol * K).

Termisk ekspansjon

16,5 um / (m * K) ved 25 ° C.

Termisk ledningsevne

401 W / (m ∙ K).

Elektrisk resistivitet

16,78 Ω ∙ m ved 20 ° C.

Elektrisk ledningsevne

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Kobber har en veldig høy elektrisk ledning, bare overgått av sølv.

Mohs hardhet

3.0.

Det er derfor et mykt metall og også ganske så duktilt. Styrke og seighet økes ved kald arbeid på grunn av langstrakt krystalldannelse av den samme ansiktssentrerte kubiske strukturen som er i kobber.

Kjemiske reaksjoner

Kobberflammetest, som identifiseres ved fargen på den blågrønne flammen. Kilde: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Kobber reagerer ikke med vann, men reagerer med atmosfærisk oksygen, og dekkes med et lag svartbrunt oksyd som gir korrosjonsbeskyttelse til de underliggende lagene av metallet:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Kobber er ikke løselig i fortynnede syrer, men det reagerer med varme og konsentrerte svovelsyre og salpetersyrer. Det er også oppløselig i ammoniakk i vandig løsning og i kaliumcyanid.

Det kan motstå virkningen av atmosfærisk luft og sjøvann. Den forlengede eksponeringen resulterer imidlertid i dannelsen av et tynt grønt beskyttende lag (patina).

Det forrige laget er en blanding av karbonat og kobbersulfat, observert i gamle bygninger eller skulpturer, for eksempel Statue of Liberty i New York.

Kobber reagerer oppvarmet til rødt med oksygen under dannelse av kobber-II-oksyd (CuO) og ved høyere temperaturer danner kobberoksid (Cu ₂ O). Den reagerer også varmt med svovel for å produsere kobbersulfid; derfor blir det tåkete når det utsettes for noen svovelforbindelser.

Kobber jeg brenner med en blå flamme i en flammetest; mens kobber II avgir en grønn flamme.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Kobberkrystaller krystalliseres i ansiktet sentrert kubisk (fcc) struktur. I denne fcc-krystallen forblir Cu-atomene festet takket være den metalliske bindingen, som er relativt svakere enn andre overgangsmetaller; et faktum manifestert i sin store duktilitet og lave smeltepunkt (1084 ºC).

I henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

3d ¹⁰ 4s ¹

Alle 3d orbitaler er fylt med elektroner, mens det er ledig plass i 4s-bane. Dette betyr at 3d-orbitalene ikke samarbeider i den metalliske bindingen som man kan forvente av andre metaller. Således overlapper Cu-atomene langs krystallene deres 4-talls orbitaler for å skape bånd, noe som påvirker den relativt svake kraften i deres interaksjoner.

Faktisk er den resulterende energiske forskjellen mellom 3d (full) og 4s (halvfulle) orbitale elektronene ansvarlig for at kobberkrystallene absorberer fotoner fra det synlige spekteret, og gjenspeiler deres karakteristiske oransje farge.

Kobber fcc-krystaller kan ha forskjellige størrelser, som, jo mindre de er, jo sterkere blir metallstykket. Når de er veldig små, snakker vi om nanopartikler, følsomme for oksidasjon og forbeholdt selektiv anvendelse.

Oksidasjonsnummer

Det første tallet eller oksidasjonstilstanden som kan forventes av kobber er +1, på grunn av tapet av elektronet fra dets 4s-bane. Når man har den i en forbindelse, antas eksistensen av Cu ⁺ -kation (ofte kalt kobberion).

Dette og oksidasjonsnummeret +2 (Cu ²⁺ ) er det mest kjente og mest tallrike for kobber; de er vanligvis de eneste som blir undervist på videregående nivå. Imidlertid er det også oksidasjonstall +3 (Cu ³⁺ ) og +4 (Cu ⁴⁺ ), som ikke er så sjeldne som du kanskje tror ved første øyekast.

For eksempel, kan saltene av kuprat-anion, CuO ₂^- , representerer forbindelser med kobber (III) eller 3; slik tilfellet av kalium kuprat, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂² ).

Selv om kobber i mindre grad og i veldig sjeldne tilfeller kan kobber også ha et negativt oksidasjonsnummer: -2 (Cu ^2- ).

Hvordan oppnås det

Råmateriale

Mineralene som brukes mest til kobberekstraksjon er metallsulfider, hovedsakelig chalcopyrite (CuFeS ₂ ) og bornitt (Cu ₅ FeS ₄ ). Disse mineralene bidrar med 50% av det totale ekstraherte kobberet. Calellite (CuS) og chalcocite (Cu ₂ S) brukes også for å oppnå kobber .

Knusing og sliping

Opprinnelig knuses bergartene for å få steinete fragmenter på 1,2 cm. Deretter fortsetter det med en sliping av de steinete fragmentene, inntil partikler på 0,18 mm er oppnådd. Vann og reagenser tilsettes for å oppnå en pasta, som deretter flytes for å få et kobberkonsentrat.

Flyte

I dette stadiet dannes det bobler som fanger kobber- og svovelmineraler som er til stede i massen. Flere prosesser blir utført for å samle skummet, tørke det for å oppnå konsentratet som fortsetter rensingen.

rensing

For å skille kobber fra andre metaller og urenheter blir det tørre konsentratet utsatt for høye temperaturer i spesielle ovner. Brannraffinert kobber (RAF) blir støpt til plater som veier cirka 225 kg som vil utgjøre anoder.

elektrolyse

Elektrolyse brukes i raffinering av kobber. Anodene fra smelteren føres til elektrolytiske celler for raffinering. Kobber reiser til katoden og urenheter legger seg til bunnen av cellene. I denne prosessen oppnås kobberkatoder med 99,99% renhet.

Kobberlegeringer

Bronse

Bronse er en legering av kobber og tinn, med kobber som utgjør mellom 80 og 97% av det. Det ble brukt til fremstilling av våpen og redskaper. Det brukes for tiden til fremstilling av mekaniske deler som er motstandsdyktige mot friksjon og korrosjon.

I tillegg brukes det i konstruksjon av musikkinstrumenter, som klokker, gonger, cymbaler, saksofoner og strenger av harper, gitarer og piano.

Messing

Messing er en legering av kobber og sink. I industrielle messinger er sinkprosenten mindre enn 50%. Det brukes til utdyping av containere og metalliske strukturer.

Monel

Monel-legering er en nikkel-kobberlegering, med en forholdet mellom nikkel og kobber. Den er motstandsdyktig mot korrosjon og brukes i varmevekslere, stenger og linsebuer.

Det bekreftet de

Constatán er en legering som består av 55% kobber og 45% nikkel. Den brukes til å lage mynter og er preget av å ha en konstant motstand. Også cupro-nikkel-legering brukes til det ytre belegget av små mynter.

BeCu

Kobber-berylliumlegeringen har en berylliumprosent på 2%. Denne legeringen kombinerer styrke, hardhet, elektrisk ledningsevne og korrosjonsmotstand. Legeringen brukes ofte i elektriske kontakter, telekommunikasjonsprodukter, datamaskinkomponenter og små fjærer.

Verktøy som skiftenøkler, skrutrekkere og hammere som brukes på oljerigger og kullgruver har initialene BeCu som en garanti for at de ikke produserer gnister.

Annen

Legeringssølvet 90% og kobber 10% ble brukt i mynter, frem til 1965 da bruken av sølv ble eliminert i alle valutaer, bortsett fra den halve dollar mynten.

7% aluminiumslegering av kobber er gyllen i fargen og brukes til dekorasjon. I mellomtiden er Shakudo en japansk dekorativ legering av kobber og gull, i en lav prosentandel (4 til 10%).

applikasjoner

Elektriske ledninger og motorer

Kobber elektriske ledninger. Kilde: Scott Ehardt

Kobber på grunn av sin høye elektriske ledning og lave kostnader er det metallet du velger for bruk i elektriske ledninger. Kobberkabelen brukes i de forskjellige stadiene av elektrisitet, for eksempel elektrisk kraftproduksjon, overføring, distribusjon, etc.

50% av kobberet som produseres i verden brukes til produksjon av elektriske kabler og ledninger, på grunn av dets høye elektriske ledningsevne, enkle dannelse av ledninger (duktilitet), motstand mot deformasjon og korrosjon.

Kobber brukes også til å lage integrerte kretsløp og kretskort. Metall brukes i kjølerier og varmevekslere på grunn av sin høye termiske ledning, noe som letter varmespredning.

Kobber brukes i elektromagneter, vakuumrør, katodestrålerør og magnetroner i mikrobølgeovner.

På samme måte brukes den i konstruksjonen av spolene til elektriske motorer og systemene som setter motorene i arbeid, og disse gjenstandene representerer rundt 40% av verdens strømforbruk.

Bygning

Kobber har på grunn av sin motstand mot korrosjon og virkningen av atmosfærisk luft blitt brukt i lang tid på takene til hus, nedløp, kupler, dører, vinduer, etc.

Det brukes for tiden i veggbekledning og dekorative gjenstander, for eksempel baderomsutstyr, dørhåndtak og lamper. Den brukes også i antimikrobielle produkter.

Biostatisk handling

Kobber forhindrer at mange livsformer vokser oppå det. Det ble brukt i ark som ble plassert på bunnen av skrogene til skip for å forhindre vekst av bløtdyr, for eksempel blåskjell, så vel som fjellkaker.

For tiden brukes kobberbasert maling for den nevnte beskyttelsen av skipsskrog. Metallisk kobber kan nøytralisere mange bakterier ved kontakt.

Dets virkningsmekanisme er studert basert på dets ioniske, etsende og fysiske egenskaper. Konklusjonen var at den oksiderende oppførselen til kobber, sammen med løselighetsegenskapene til oksydene, er faktorene som får metallisk kobber til å være antibakteriell.

Metallisk kobber virker på noen stammer av E. coli, S. aureus og Clostridium difficile, gruppe A-virus, adenovirus og sopp. Derfor er det planlagt å bruke kobberlegeringer som er i kontakt med hendene på passasjerer i forskjellige transportmidler.

Nanopartikler

Den antimikrobielle virkningen av kobber forbedres ytterligere når dens nanopartikler brukes, noe som har vist seg nyttig for endodontiske behandlinger.

På samme måte er kobber nanopartikler utmerkede adsorbenter, og fordi de er oransje, representerer en fargeendring i dem en latent kolorimetrisk metode; for eksempel utviklet for påvisning av dithiocarbamates sprøytemidler.

Biologisk rolle

I den elektroniske transportkjeden

Kobber er et essensielt element for livet. Den er involvert i den elektroniske transportkjeden, som er en del av kompleks IV. Det siste trinnet i den elektroniske transportkjeden finner sted i dette komplekset: reduksjon av oksygenmolekylet til å danne vann.

Kompleks IV består av to hae-grupper, en cytokrom a, en cytokrom a ₃ , samt to Cu-sentre; den ene kalt CuA og den andre CuB. Cytokrom a ₃ og CuB danner et binukleært senter hvor reduksjonen av oksygen til vann skjer.

I dette stadiet går Cu fra oksidasjonstilstanden +1 til +2, og gir elektroner til oksygenmolekylet. Den elektroniske transportkjeden bruker NADH og FADH ₂ , fra Krebs-syklusen, som elektrondonorer som den skaper en elektrokjemisk hydrogengradient.

Denne gradienten fungerer som en energikilde for generering av ATP, i en prosess kjent som oksidativ fosforylering. Så til syvende og sist er tilstedeværelsen av kobber nødvendig for produksjon av ATP i eukaryote celler.

I enzymet superoksyd dismutase

Kobber er en del av enzymet superoksyd dismutase, et enzym som katalyserer nedbrytningen av superoksydionet (O ₂^- ), en forbindelse som er giftig for levende vesener.

Superoksyd-dismutase katalyserer nedbrytningen av superoksydionet til oksygen og / eller hydrogenperoksyd.

Superoksid-dismutase kan bruke reduksjon av kobber for å oksidere superoksyd til oksygen, eller det kan føre til oksidasjon av kobber for å danne hydrogenperoksyd fra superoksyd.

I hemocyanin

Hemocyanin er et protein som finnes i blodet til noen arachnider, krepsdyr og bløtdyr. Den har en lignende funksjon som hemoglobin hos disse dyrene, men i stedet for å ha jern på stedet for oksygentransport, har den kobber.

Hemocyanin har to kobberatomer på det aktive stedet. Av denne grunn er fargen på hemocyanin blågrønn. De metalliske kobbersentrene er ikke i direkte kontakt, men har en nær beliggenhet. Oksygenmolekylet er klemt mellom de to kobberatomene.

Konsentrasjon i menneskekroppen

Menneskekroppen inneholder mellom 1,4 og 2,1 mg Cu / kg kroppsvekt. Kobber absorberes i tynntarmen og føres deretter til leveren sammen med albumin. Derfra blir kobber transportert til resten av menneskekroppen festet til plasmaprotein ceruloplasmin.

Overskytende kobber skilles ut gjennom gallen. I noen tilfeller akkumuleres det imidlertid kobber i kroppen, for eksempel ved Wilsons sykdom, og forårsaker giftige effekter av metallet som påvirker nervesystemet, nyrene og øynene.

referanser

Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Bruksområder av kobber nanopartikler for kolorimetrisk deteksjon av ditiokarbamat plantevernmidler. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela, & Bello-Toledo, Helia. (2016). Kobber nanopartikler som potensielt antimikrobiell middel ved desinfisering av rotkanaler: En systematisk gjennomgang. International Journal of odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
Wikipedia. (2019). Kobber. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
Terence Bell. (19. september 2018). Fysiske egenskaper av berylliumkobber. Gjenopprettet fra: thebalance.com
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. juli 2019). Kobberfakta: Kjemiske og fysiske egenskaper. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (26. juli 2019). Kobber: kjemisk element. Encyclopaedia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
Redaktør. (10. november 2018). Kobberkis. Gjenopprettet fra: mineriaenlinea.com
Lenntech BV (2019). Periodisk bord: kobber. Gjenopprettet fra: lenntech.com

KOBBER: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK, BIOLOGISK ROLLE - KJEMI - 2025