KOBBER: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER, BIOLOGISK ROLLE - KEMI - 2025

Den kobber er et overgangsmetal, der tilhører gruppe 11 i det periodiske system og er repræsenteret ved det kemiske symbol Cu. Det er karakteriseret og kendetegnet ved at være et rød-orange metal, meget let og formbart, og det er også en stor leder af elektricitet og varme.

I sin metalliske form findes det som et primært mineral i basaltiske klipper. I mellemtiden oxideres det i svovlholdige forbindelser (forbindelser med større udnyttelse af minedrift), arsenider, chlorider og carbonater; det vil sige en enorm kategori af mineraler.

Vækkeur lavet af kobber. Kilde: Pixabay.

Blandt de mineraler, der indeholder det, kan vi nævne chalcocit, chalcopyrite, bornite, cuprite, malachite og azurite. Kobber er også til stede i asken fra alger, i marine koraller og i leddyr.

Dette metal har en overflod på 80 ppm i jordskorpen og en gennemsnitlig koncentration i havvand 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%.

Der er bevis for, at kobber blev smeltet i 8000 f.Kr. C. og legeret med tin til dannelse af bronze i 4000 f.Kr. C. Det betragtes som kun meteorisk jern og guld forud for det som de første metaller, der er brugt af mennesker. Det er således synonymt med arkaisk og orange glød på samme tid.

Kobber bruges hovedsageligt til fremstilling af kabler til ledning af elektricitet i elektriske motorer. Sådanne kabler, små eller store, udgør maskiner eller enheder i industrien og i hverdagen.

Kobber er involveret i den elektroniske transportkæde, der tillader syntese af ATP; levende væseners vigtigste energiforbindelse. Det er en kofaktor af superoxiddismutase: et enzym, der nedbryder superoxidionen, en forbindelse, der er meget giftig for levende væsener.

Derudover spiller kobber en rolle i hæmocyanin i ilttransport i nogle arachnider, krebsdyr og bløddyr, hvilket svarer til det, der udføres af jern i hæmoglobin.

På trods af alle dets fordelagtige handlinger for mennesker, når kobber ophobes i den menneskelige krop, sådan er tilfældet med Wilsons sygdom, kan det forårsage skrumplever i leveren, hjerneforstyrrelser og øjenskader, blandt andre ændringer.

Historie

Kobberalder

Indfødt kobber blev brugt til at fremstille artefakter som erstatning for sten i det neolitiske, sandsynligvis mellem 9000 og 8000 f.Kr. C. Kobber er et af de første metaller, der er brugt af mennesker, efter det jern, der er til stede i meteoritter og guld.

Der er bevis for brugen af ​​minedrift til at skaffe kobber i år 5000 f.Kr. C. Allerede til en tidligere dato blev kobberartikler konstrueret; sådan er tilfældet med en ørering lavet i Irak anslået til 8700 f.Kr. C.

Til gengæld antages det, at metallurgi blev født i Mesopotamia (nu Irak) i 4000 f.Kr. C. når det var muligt at reducere mineralet i metal ved hjælp af ild og kul. Senere blev kobber bevidst legeret med tin til fremstilling af bronze (4000 f.Kr.).

Nogle historikere peger på en kobberalder, som ville være placeret kronologisk mellem den neolitiske og bronzealderen. Senere erstattede jernalderen bronzealderen mellem 2000 og 1000 f.Kr. C.

Bronzealder

Bronzealderen begyndte 4000 år efter at kobber blev smeltet. Bronzeartikler fra Vinca-kulturen går tilbage til 4500 f.Kr. C.; mens i Sumeria og Egypten er der bronzegenstande lavet 3000 år f.Kr. C.

Brugen af ​​radioaktivt kulstof har konstateret eksistensen af ​​kobberminedrift i Alderley Edge, Cheshire og Det Forenede Kongerige mellem årene 2280 og 1890 f.Kr. C.

Det kan bemærkes, at Ötzi, "Ismanden" med en estimeret dato mellem 3300 og 3200 f.Kr. C., havde en øks med et hoved af rent kobber.

Romerne fra det 6. århundrede f.Kr. De brugte kobberstykker som valuta. Julius Caesar brugte mønter lavet af messing, kobber og zinklegering. Desuden blev Octavians mønter lavet med en legering af kobber, bly og tin.

Produktion og navn

Kobberproduktionen i det romerske imperium nåede 150.000 tons om året, et tal kun overgik under den industrielle revolution. Romerne bragte kobber fra Cypern, kendte det som aes Cyprium ("metal fra Cypern").

Senere degenererede udtrykket til cuprum: et navn, der blev brugt til at betegne kobber, indtil år 1530, hvor det engelske rodudtryk 'kobber' blev indført for at betegne metallet.

Det store kobberberg i Sverige, der opererede fra det 10. århundrede til 1992, dækkede 60% af Europas forbrug i det 17. århundrede. La Norddeutsche Affinerie-anlægget i Hamborg (1876) var det første moderne galvaniseringsanlæg, der brugte kobber.

Fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Kobber er et skinnende orange-rødt metal, mens de fleste indfødte metaller er gråt eller sølv.

Atomnummer (Z)

29

Atomvægt

63.546 u

Smeltepunkt

1.084,62 ºC

Almindelige gasser som ilt, nitrogen, carbondioxid og svovldioxid er opløselige i smeltet kobber og påvirker de mekaniske og elektriske egenskaber ved metallet, når det størkner.

Kogepunkt

2.562 ºC

Massefylde

- 8,96 g / ml ved stuetemperatur.

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

Bemærk, at der ikke er nogen væsentlig reduktion i densitet mellem den faste og flydende fase; begge repræsenterer meget tætte materialer.

Fusionsvarme

13,26 kJ / mol.

Fordampningsvarme

300 kJ / mol.

Molær kalorikapacitet

24,44 J / (mol * K).

Varmeudvidelse

16,5 um / (m * K) ved 25 ° C.

Varmeledningsevne

401 W / (m ∙ K).

Elektrisk modstand

16,78 ∙ ∙ m ved 20 ° C

Elektrisk ledningsevne

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Kobber har en meget høj elektrisk ledning, kun overgået af sølv.

Mohs hårdhed

3.0.

Det er derfor et blødt metal og også ret duktilt. Styrke og sejhed øges ved koldbearbejdning på grund af langstrakt krystaldannelse af den samme ansigt-centrerede kubiske struktur, der findes i kobber.

Kemiske reaktioner

Kobberflammetest, der identificeres ved farven på dens blågrønne flamme. Kilde: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Kobber reagerer ikke med vand, men det reagerer med atmosfærisk ilt og er dækket med et lag sortbrunt oxid, der giver korrosionsbeskyttelse til de underliggende lag af metallet:

2Cu (r) + O ₂ (g) → 2CuO

Kobber er ikke opløseligt i fortyndede syrer, men det reagerer med varme og koncentrerede svovlsyre og salpetersyrer. Det er også opløseligt i ammoniak i vandig opløsning og i kaliumcyanid.

Det kan modstå virkningen af ​​atmosfærisk luft og havvand. Imidlertid resulterer dens forlængede eksponering i dannelsen af ​​et tyndt grønt beskyttende lag (patina).

Det foregående lag er en blanding af carbonat og kobbersulfat, observeret i gamle bygninger eller skulpturer, såsom Statue of Liberty i New York.

Kobber reagerer opvarmet til rød med oxygen til dannelse af cuprioxid (CuO) og ved højere temperaturer former cuprooxid (Cu ₂ O). Det reagerer også varmt med svovl for at producere kobbersulfid; derfor bliver det tåget, når det udsættes for nogle svovlforbindelser.

Kobber jeg brænder med en blå flamme i en flammeprøve; mens kobber II udsender en grøn flamme.

Struktur og elektronisk konfiguration

Kobberkrystaller krystalliserer i den ansigt centrerede kubiske (fcc) struktur. I denne fcc-krystal forbliver Cu-atomerne bundet takket være den metalliske binding, der er relativt svagere end andre overgangsmetaller; et faktum, der manifesterer sig i sin store duktilitet og lave smeltepunkt (1084 ºC).

I henhold til den elektroniske konfiguration:

3d ¹⁰ 4s ¹

Alle 3d orbitaler er fyldt med elektroner, mens der er en ledig plads i 4'erne orbital. Dette betyder, at de 3d orbitaler ikke samarbejder i den metalliske binding, som man kunne forvente af andre metaller. Således overlapper Cu-atomerne langs krystallen deres 4'erne orbitaler for at skabe bånd, hvilket påvirker den relativt svage kraft af deres interaktioner.

Faktisk er den resulterende energiske forskel mellem de 3d (fulde) og 4'ere (halvfulde) orbitalelektroner ansvarlig for de kobberkrystaller, der optager fotoner fra det synlige spektrum, hvilket afspejler deres markante orange farve.

Kobber fcc krystaller kan have forskellige størrelser, som, jo ​​mindre de er, jo stærkere er metalstykket. Når de er meget små, taler vi om nanopartikler, der er følsomme over for oxidation og er forbeholdt selektiv anvendelse.

Oxidationsnumre

Det første tal eller oxidationstilstand, der kan forventes af kobber, er +1 på grund af tabet af elektronet fra dets 4-orbital. Når man har det i en forbindelse, antages eksistensen af ​​Cu ⁺ -kationen (ofte kaldet kobberion).

Dette og oxidationsnummeret +2 (Cu ²⁺) er det bedst kendte og mest rigelige for kobber; de er generelt de eneste, der undervises på gymnasieniveau. Der er dog også oxidationsnumre +3 (Cu ³⁺) og +4 (Cu ⁴⁺), som ikke er så sjældne, som du måske tror ved første øjekast.

For eksempel saltene af cuprat anion, CuO ₂ ^-, repræsenterer forbindelser med kobber (III) eller +3; dette er tilfældet af kalium cuprat, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-).

Kobber kan også have et negativt oxidationsnummer: skønt i mindre grad og i meget sjældne tilfælde: -2 (Cu ^2-).

Hvordan opnås det

Råmateriale

De mineraler, der er mest anvendt til kobberekstraktion, er metallsulfider, hovedsageligt chalcopyrit (CuFeS ₂) og bornit (Cu ₅ FeS ₄). Disse mineraler bidrager med 50% af det samlede ekstraherede kobber. Calellite (CuS) og chalcocit (Cu ₂ S) bruges også til at opnå kobber.

Knusing og slibning

Oprindeligt knuses klipperne for at opnå stenede fragmenter på 1,2 cm. Derefter fortsætter det med en formaling af de stenede fragmenter, indtil der opnås partikler på 0,18 mm. Vand og reagenser tilsættes for at opnå en pasta, der derefter flydes til opnåelse af et kobberkoncentrat.

Floatation

I dette trin dannes bobler, der fanger kobber- og svovlmineraler, der er til stede i massen. Flere processer udføres til opsamling af skummet, tørring af det for at opnå det koncentrat, der fortsætter rensningen.

oprensning

For at adskille kobber fra andre metaller og urenheder underkastes det tørre koncentrat høje temperaturer i specielle ovne. Brandraffineret kobber (RAF) støbes til plader, der vejer ca. 225 kg, der vil udgøre anoder.

Elektrolyse

Elektrolyse anvendes til raffinering af kobber. Anoderne fra smelteren føres til elektrolytiske celler til raffinering. Kobber rejser til katoden, og urenheder sætter sig ned i bunden af ​​cellerne. I denne proces opnås kobberkatoder med 99,99% renhed.

Kobberlegeringer

Bronze

Bronze er en legering af kobber og tin, hvor kobber udgør mellem 80 og 97% af det. Det blev brugt til fremstilling af våben og redskaber. Det bruges i øjeblikket til fremstilling af mekaniske dele, der er modstandsdygtige over for friktion og korrosion.

Derudover bruges det i konstruktionen af ​​musikinstrumenter, såsom klokker, gonger, cymbaler, saxofoner og strenge af harper, guitarer og klaver.

Messing

Messing er en legering af kobber og zink. I industrielle messinger er procentdelen af ​​zink mindre end 50%. Det bruges til udarbejdelse af containere og metalliske strukturer.

Monel

Monel-legering er en nikkel-kobberlegering med et forhold på 2: 1 nikkel til kobber. Den er modstandsdygtig over for korrosion og bruges i varmevekslere, stænger og linsebuer.

De bekræftede

Constatán er en legering, der består af 55% kobber og 45% nikkel. Det bruges til at fremstille mønter og er kendetegnet ved at have en konstant modstand. Også cupro-nikkellegering bruges til den ydre belægning af små pålydende mønter.

BeCu

Kobber-berylliumlegeringen har en berylliumprocent på 2%. Denne legering kombinerer styrke, hårdhed, elektrisk ledningsevne og korrosionsbestandighed. Legeringen bruges ofte i elektriske stik, telekommunikationsprodukter, computerkomponenter og små fjedre.

Værktøjer som skruenøgler, skruetrækkere og hamre, der bruges på olierigge og kulminer, har initialerne BeCu som en garanti for, at de ikke producerer gnister.

Andet

Legeringssølvet 90% og kobber 10% blev brugt i mønter, indtil 1965, da brugen af ​​sølv blev fjernet i alle valutaer, bortset fra den halve dollars mønt.

7% kobberaluminiumlegering er gylden i farve og bruges til dekoration. I mellemtiden er Shakudo en japansk dekorativ legering af kobber og guld i en lav procentdel (4 til 10%).

Applikationer

Elektriske ledninger og motorer

Kobber elektriske ledninger. Kilde: Scott Ehardt

Kobber på grund af dets høje elektriske ledning og lave omkostninger er det foretrukne metal til brug i elektriske ledninger. Kobberkablet bruges i de forskellige stadier af elektricitet, såsom elproduktion, transmission, distribution osv.

50% af det kobber, der produceres i verden, bruges til fremstilling af elektriske kabler og ledninger på grund af dets høje elektriske ledningsevne, lette formning af ledninger (duktilitet), modstand mod deformation og korrosion.

Kobber bruges også til fremstilling af integrerede kredsløb og trykte kredsløbskort. Metal bruges i kølelegemer og varmevekslere på grund af dets høje termiske ledning, hvilket letter varmeafledning.

Kobber bruges i elektromagneter, vakuumrør, katodestrålerør og magnetroner i mikrobølgeovne.

Ligeledes bruges det til konstruktion af spoler af elektriske motorer og systemer, der sætter motorerne i arbejde, hvilket repræsenterer disse artikler omkring 40% af verdens elforbrug.

Bygning

Kobber er på grund af sin modstandsdygtighed mod korrosion og påvirkningen af ​​atmosfærisk luft blevet brugt i lang tid på tagene på huse, downspouts, kupler, døre, vinduer osv.

Det bruges i øjeblikket i vægbeklædning og dekorative ting, såsom tilbehør til badeværelset, dørhåndtag og lamper. Det bruges også i antimikrobielle produkter.

Biostatisk handling

Kobber forhindrer, at adskillige livsformer vokser oven på det. Det blev brugt i plader, der blev anbragt på bunden af ​​skrogets skrog for at forhindre vækst af bløddyr, såsom muslinger, såvel som bøller.

I øjeblikket anvendes kobberbaseret maling til den førnævnte beskyttelse af skrogskrog. Metallisk kobber kan neutralisere mange bakterier ved kontakt.

Dets virkningsmekanisme er blevet undersøgt baseret på dets ioniske, ætsende og fysiske egenskaber. Konklusionen var, at den oxiderende opførsel af kobber sammen med dets opløselighedsegenskaber af dets oxider er de faktorer, der forårsager, at metallisk kobber er antibakterielt.

Metallisk kobber virker på nogle stammer af E. coli, S. aureus og Clostridium difficile, gruppe A-vira, adenovirus og svampe. Derfor er det planlagt at bruge kobberlegeringer, der er i kontakt med passagerernes hænder i forskellige transportmidler.

Nanopartikler

Kobberens antimikrobielle virkning forbedres yderligere, når dets nanopartikler anvendes, hvilket har vist sig at være nyttigt til endodontiske behandlinger.

Ligeledes er kobber nanopartikler fremragende adsorbenter, og fordi de er orange, repræsenterer en farveændring i dem en latent kolorimetrisk metode; for eksempel udviklet til påvisning af dithiocarbamates pesticider.

Biologisk rolle

I den elektroniske transportkæde

Kobber er et vigtigt element i livet. Det er involveret i den elektroniske transportkæde, der udgør en del af kompleks IV. Det sidste trin i den elektroniske transportkæde finder sted i dette kompleks: reduktionen af ​​iltmolekylet til dannelse af vand.

Kompleks IV består af to haegrupper, en cytokrom a, en cytokrom a ₃ samt to Cu-centre; den ene kaldet CuA og den anden CuB. Cytochrome a ₃ og CuB danner et binuclear centrum, hvor reduktionen af ​​ilt til vand forekommer.

I dette trin passerer Cu fra sin +1 til +2 oxidationstilstand, hvilket giver elektroner til iltmolekylet. Den elektroniske transportkæde bruger NADH og FADH ₂ fra Krebs-cyklussen som elektrondonorer, hvormed den skaber en elektrokemisk brintgradient.

Denne gradient tjener som en energikilde til frembringelse af ATP i en proces, der er kendt som oxidativ phosphorylering. Så til sidst er tilstedeværelsen af ​​kobber nødvendig for produktionen af ​​ATP i eukaryote celler.

I enzymet superoxid dismutase

Kobber er en del af enzymet superoxid dismutase, et enzym, der katalyserer nedbrydningen af ​​superoxidionen (O ₂ ^-), en forbindelse, der er giftig for levende væsener.

Superoxiddismutase katalyserer nedbrydningen af ​​superoxidionen til ilt og / eller hydrogenperoxid.

Superoxiddismutase kan bruge reduktionen af ​​kobber til at oxidere superoxid til ilt, eller det kan forårsage oxidation af kobber til dannelse af hydrogenperoxid fra superoxid.

I hæmocyanin

Hemocyanin er et protein, der findes i blodet fra nogle arachnider, krebsdyr og bløddyr. Det udfører en lignende funktion som hæmoglobin hos disse dyr, men i stedet for at have jern på stedet for ilttransport, har det kobber.

Hemocyanin har to kobberatomer på det aktive sted. Af denne grund er farven på hæmocyanin blågrøn. De metalliske kobbercentre er ikke i direkte kontakt, men har en tæt placering. Oxygenmolekylet er klemt fast mellem de to kobberatomer.

Koncentration i den menneskelige krop

Den menneskelige krop indeholder mellem 1,4 og 2,1 mg Cu / kg kropsvægt. Kobber absorberes i tyndtarmen og føres derefter til leveren sammen med albumin. Derfra transporteres kobber til resten af ​​den menneskelige krop, der er knyttet til plasmaprotein ceruloplasmin.

Overskydende kobber udskilles gennem galden. I nogle tilfælde ophobes kobber imidlertid i kroppen, såsom i Wilsons sygdom, hvilket forårsager toksiske virkninger af metallet, der påvirker nervesystemet, nyrerne og øjnene.

Referencer

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Anvendelser af kobbernanopartikler til kolorimetrisk påvisning af dithiocarbamatpesticider. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela & Bello-Toledo, Helia. (2016). Kobber nanopartikler som potentielt antimikrobielt middel til at desinficere rodkanaler: En systematisk gennemgang. International tidsskrift for odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Kobber. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. september 2018). Berylliumkobbers fysiske egenskaber. Gendannes fra: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (3. juli 2019). Kobberfakta: Kemiske og fysiske egenskaber. Gendannes fra: thoughtco.com
6. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (26. juli 2019). Kobber: kemisk element. Encyclopaedia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
7. Editor. (10. november 2018). Chalkopyrit. Gendannes fra: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodisk tabel: kobber. Gendannes fra: lenntech.com