KOPPAR: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGAR, BIOLOGISK ROLL - KEMI - 2026

Den koppar är en övergångsmetall tillhörande grupp 11 i det periodiska systemet och representeras av den kemiska symbolen Cu. Den kännetecknas och kännetecknas av att den är en rödorange metall, mycket mjuk och formbar, den är också en stor ledare för el och värme.

I sin metalliska form finns det som ett primärt mineral i basaltiska bergarter. Samtidigt oxideras det i svavelhaltiga föreningar (de som utnyttjar större gruvutnyttjande), arsenider, klorider och karbonater; det vill säga en stor kategori av mineraler.

Väckarklocka gjord av koppar. Källa: Pixabay.

Bland mineralerna som innehåller det kan vi nämna chalcocite, chalcopyrite, bornite, cuprite, malachite och azurite. Koppar finns också i askan hos alger, i marina koraller och i leddjur.

Denna metall har ett överflöd på 80 ppm i jordskorpan och en genomsnittlig koncentration i havsvatten på 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. I naturen förekommer det som två naturliga isotoper: ⁶³ Cu, med ett överflöd på 69,15%, och ⁶⁵ Cu, med ett överflöd på 30,85%.

Det finns bevis för att koppar smältes år 8000 f.Kr. C. och legerat med tenn för att bilda brons, 4000 f.Kr. C. Det anses att endast meteoriskt järn och guld föregår det som de första metallerna som används av människan. Det är alltså synonymt med arkaisk och orange glöd samtidigt.

Koppar används främst vid tillverkning av kablar för ledning av elektricitet i elmotorer. Sådana kablar, små eller stora, utgör maskiner eller apparater i industrin och i vardagen.

Koppar är involverat i den elektroniska transportkedjan som möjliggör syntes av ATP; levande varelser. Det är en kofaktor av superoxiddismutas: ett enzym som bryter ned superoxidjonen, en förening som är mycket giftig för levande varelser.

Dessutom spelar koppar en roll i hemocyanin i syretransport i vissa araknider, kräftdjur och blötdjur, vilket liknar det som utförs av järn i hemoglobin.

Trots alla dess gynnsamma handlingar för människan, när koppar samlas i människokroppen, vilket är fallet med Wilsons sjukdom, kan det orsaka levercirros, hjärtsjukdomar och ögonskador, bland andra förändringar.

Historia

Kopparålder

Native koppar användes för att göra artefakter som en ersättning för sten i den neolitiska, förmodligen mellan 9000 och 8000 f.Kr. C. Koppar är en av de första metallerna som används av människan, efter järn som finns i meteoriter och guld.

Det finns bevis för användningen av gruvdrift för att få koppar år 5000 f.Kr. C. Redan för ett tidigare datum konstruerades kopparartiklar; detta är fallet med en örhänge tillverkad i Irak uppskattad till 8700 f.Kr. C.

I sin tur tros det att metallurgi föddes i Mesopotamia (nu Irak) 4000 f.Kr. C. när det var möjligt att minska mineralens metall genom användning av eld och kol. Senare legades koppar avsiktligt med tenn för att producera brons (4000 f.Kr.).

Vissa historiker pekar på en kopparålder, som skulle ligga kronologiskt mellan den neolitiska och bronsåldern. Senare ersatte järnåldern bronsåldern mellan 2000 och 1000 f.Kr. C.

Bronsåldern

Bronsåldern började 4000 år efter koppar smälts. Bronsföremål från Vinca-kulturen går tillbaka till 4500 f.Kr. C .; medan i Sumerien och Egypten finns det bronsföremål gjorda 3000 år f.Kr. C.

Användningen av radioaktivt kol har fastställt förekomsten av kopparbrytning i Alderley Edge, Cheshire och Storbritannien, mellan åren 2280 och 1890 f.Kr. C.

Det kan noteras att Ötzi, "Ismannen" med ett uppskattat datum mellan 3300 och 3200 f.Kr. C., hade en yxa med ett huvud av ren koppar.

Romarna från 600-talet f.Kr. De använde kopparbitar som valuta. Julius Caesar använde mynt av mässing, koppar och zinklegering. Dessutom tillverkades Octavians mynt med en legering av koppar, bly och tenn.

Produktion och namn

Kopparproduktionen i Romerska riket nådde 150 000 ton per år, en siffra som bara överträffades under den industriella revolutionen. Romarna tog med sig koppar från Cypern och kände det som aes Cyprium ("metall från Cypern").

Senare degenererade termen till cuprum: ett namn som användes för att beteckna koppar fram till år 1530, då det engelska rotuttrycket 'koppar' infördes för att beteckna metallen.

Stora kopparberget i Sverige, som opererade från 1100-talet till 1992, täckte 60% av Europas konsumtion på 1600-talet. La Norddeutsche Affinerie-anläggningen i Hamburg (1876) var den första moderna galvaniseringsanläggningen som använde koppar.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Koppar är en glansig orange-röd metall, medan de flesta inhemska metaller är grå eller silver.

Atomnummer (Z)

29

Atomvikt

63.546 u

Smältpunkt

1.084,62 ºC

Vanliga gaser som syre, kväve, koldioxid och svaveldioxid är lösliga i smält koppar och påverkar metallens mekaniska och elektriska egenskaper när den stelnar.

Kokpunkt

2,562 ºC

Densitet

- 8,96 g / ml vid rumstemperatur.

- 8,02 g / ml vid smältpunkten (vätska).

Observera att det inte finns någon avsevärd minskning i densitet mellan den fasta och flytande fasen; båda representerar mycket täta material.

Smältvärme

13,26 kJ / mol.

Förångningsvärme

300 kJ / mol.

Molär kalorikapacitet

24,44 J / (mol * K).

Termisk expansion

16,5 um / (m * K) vid 25 ° C.

Värmeledningsförmåga

401 W / (m 'K).

Elektrisk resistans

16,78 ∙ ∙ m vid 20 ° C

Elektrisk konduktivitet

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Koppar har en mycket hög elektrisk ledning, endast överträffad av silver.

Mohs hårdhet

3,0.

Det är därför en mjuk metall och också ganska duktil. Styrka och seghet ökar genom kallbearbetning på grund av långsträckt kristallbildning av samma ansiktscentrerade kubiska struktur som finns i koppar.

Kemiska reaktioner

Kopparflammatest, som identifieras med färgen på dess blågröna låga. Källa: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Koppar reagerar inte med vatten, men reagerar med atmosfäriskt syre och beläggs med ett lager svartbrun oxid som ger korrosionsskydd för de underliggande lagren av metallen:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Koppar är inte lösligt i utspädda syror, men reagerar med heta och koncentrerade svavelsyra och salpetersyra. Det är också lösligt i ammoniak i vattenlösning och i kaliumcyanid.

Det kan motstå verkan av atmosfärisk luft och havsvatten. Men dess långvariga exponering resulterar i bildandet av ett tunt grönt skyddande skikt (patina).

Det föregående lagret är en blandning av kopparkarbonat och sulfat som observerats i gamla byggnader eller skulpturer, såsom Frihetsgudinnan i New York.

Koppar reagerar upphettades till rött med syre för att ge kopparoxid (CuO) och vid högre temperaturer former kuprooxid (Cu ₂ O). Det reagerar också varmt med svavel för att producera kopparsulfid; därför blir det dimmigt när det utsätts för vissa svavelföreningar.

Koppar jag bränner med en blå flamma i ett flamtest; medan koppar II avger en grön flamma.

Struktur och elektronisk konfiguration

Kopparkristaller kristalliseras i ansiktscentrerad kubisk (fcc) struktur. I denna fcc-kristall förblir Cu-atomerna fästa tack vare den metalliska bindningen, som är relativt svagare än andra övergångsmetaller; ett faktum som manifesteras i sin stora duktilitet och låga smältpunkt (1084 ºC).

Enligt den elektroniska konfigurationen:

3d ¹⁰ 4s ¹

Alla 3d orbitaler är fyllda med elektroner, medan det finns en ledig plats i 4-talsbanan. Detta innebär att de 3d orbitalerna inte samarbetar i den metalliska bindningen som man kan förvänta sig av andra metaller. Således överlappar Cu-atomerna längs kristallen sina fyra orbital för att skapa band, vilket påverkar den relativt svaga kraften i deras interaktioner.

I själva verket är den resulterande energiförskjellen mellan de 3d (fulla) och 4s (halvfulla) orbitalelektronerna ansvariga för kopparkristallerna som absorberar fotoner från det synliga spektrumet och återspeglar deras distinkta orange färg.

Koppar-fcc-kristaller kan ha olika storlekar, desto mindre de är, desto starkare blir metallstycket. När de är väldigt små talar vi om nanopartiklar, känsliga för oxidation och reserverade för selektiv användning.

Oxidationsnummer

Det första numret eller oxidationstillståndet som kan förväntas av koppar är +1, på grund av förlusten av elektron från dess 4s-bana. När man har den i en förening antas förekomsten av Cu ⁺ -katjonen (vanligtvis kallat kopparjon).

Detta och oxidationsnumret +2 (Cu ²⁺ ) är det mest kända och mest förekommande för koppar; de är i allmänhet de enda som undervisas på gymnasiet. Men det finns också oxidationsnummer +3 (Cu ³⁺ ) och +4 (Cu ⁴⁺ ), som inte är så sällsynta som du kanske tror vid första anblicken.

Till exempel, salterna av kuprat anjon, CuO ₂ ^- , utgör föreningar med koppar (III) eller 3; såsom är fallet med kalium-kuprat, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Koppar kan även om det i mindre grad och vid mycket sällsynta tillfällen ha ett negativt oxidationsnummer: -2 (Cu ^2- ).

Hur erhålls det

Råmaterial

De mineraler som används mest för kopparutvinning är metallsulfider, främst kalkkopyrit (CuFeS ₂ ) och bornit (Cu ₅ FeS ₄ ). Dessa mineraler bidrar med 50% av det totala extraherade koppar. Calellite (CuS) och chalcocite (Cu ₂ S) används också för att erhålla koppar .

Krossning och slipning

Ursprungligen krossades klipporna för att erhålla steniga fragment på 1,2 cm. Därefter fortsätter det med en slipning av de steniga fragmenten tills partiklar på 0,18 mm erhålls. Vatten och reagens tillsättes för att erhålla en pasta, som sedan flyts för att erhålla ett kopparkoncentrat.

Flotation

I detta steg bildas bubblor som fångar koppar- och svavelmineraler som finns i massan. Flera processer genomförs för att samla skummet, torka det för att erhålla koncentratet som fortsätter att rena det.

Rening

För att separera koppar från andra metaller och föroreningar utsätts det torra koncentratet för höga temperaturer i speciella ugnar. Eldraffinerad koppar (RAF) formas till plattor som väger cirka 225 kg som utgör anoder.

Elektrolys

Elektrolys används vid raffinering av koppar. Anoderna från smältverket tas till elektrolytiska celler för raffinering. Koppar reser till katoden och föroreningar sätter sig till botten av cellerna. I denna process erhålls kopparkatoder med 99,99% renhet.

Kopparlegeringar

Brons

Brons är en legering av koppar och tenn, med koppar som utgör mellan 80 och 97% av det. Det användes för tillverkning av vapen och redskap. Det används för närvarande vid tillverkning av mekaniska delar som är resistenta mot friktion och korrosion.

Dessutom används det för konstruktion av musikinstrument, som klockor, gonger, cymbaler, saxofoner och strängar av harper, gitarrer och piano.

Mässing

Mässing är en legering av koppar och zink. I industriella mässingar är zinkprocenten mindre än 50%. Det används vid utarbetandet av behållare och metallkonstruktioner.

monel

Monellegering är en nickel-kopparlegering, med ett förhållande mellan nickel och koppar. Den är resistent mot korrosion och används i värmeväxlare, stänger och linsbågar.

De bekräftade

Constatán är en legering som består av 55% koppar och 45% nickel. Det används för att göra mynt och kännetecknas av att ha ett konstant motstånd. Även cupro-nickellegering används för den yttre beläggningen av små valörer.

BeCu

Koppar-berylliumlegeringen har en berylliumprocent på 2%. Denna legering kombinerar styrka, hårdhet, elektrisk ledningsförmåga och korrosionsbeständighet. Legeringen används vanligtvis i elektriska kontakter, telekommunikationsprodukter, datorkomponenter och små fjädrar.

Verktyg som skiftnycklar, skruvdragare och hammare som används på oljeriggar och kolgruvor har initialerna BeCu som en garanti för att de inte producerar gnistor.

Övrig

Legeringssilver 90% och koppar 10% användes i mynt, fram till 1965 då användningen av silver eliminerades i alla mynt, med undantag för halvdollsmynt.

7% kopparaluminiumlegering är gyllene i färg och används i dekoration. Samtidigt är Shakudo en japansk dekorativ legering av koppar och guld, i en låg procentandel (4 till 10%).

tillämpningar

Elektriska ledningar och motorer

Koppling elektriska ledningar. Källa: Scott Ehardt

Koppar på grund av dess höga elektriska ledningar och låga kostnader är den metall som valts för användning i elektriska ledningar. Kopparkabeln används i de olika stadierna i elektricitet, såsom elproduktion, transmission, distribution etc.

50% av koppar som produceras i världen används för produktion av elektriska kablar och ledningar på grund av dess höga elektriska ledningsförmåga, enkla formningstrådar (duktilitet), motstånd mot deformation och korrosion.

Koppar används också för att tillverka integrerade kretsar och kretskort. Metall används i kylflänsar och värmeväxlare på grund av dess höga värmeledning, vilket underlättar värmeavledning.

Koppar används i elektromagneter, vakuumrör, katodstrålerör och magnetroner i mikrovågsugnar.

På samma sätt används det i konstruktionen av spolarna för elmotorer och de system som sätter på motorerna, vilket representerar dessa artiklar cirka 40% av världens elförbrukning.

Byggnad

Koppar har på grund av sin motståndskraft mot korrosion och verkan av atmosfärisk luft använts under lång tid i taken på hus, nedåpningar, kupoler, dörrar, fönster etc.

Det används för närvarande i väggbeklädnad och dekorativa föremål, som tillbehör för badrum, dörrhandtag och lampor. Dessutom används det i antimikrobiella produkter.

Biostatisk handling

Koppar förhindrar att många livsformer växer ovanpå det. Det användes i ark som placerades på botten av fartygsskroven för att förhindra tillväxt av blötdjur, t.ex. musslor, såväl som barnkakor.

För närvarande används kopparbaserade färger för ovannämnda skydd av fartygsskrov. Metallisk koppar kan neutralisera många bakterier vid kontakt.

Dess verkningsmekanism har studerats baserat på dess joniska, frätande och fysiska egenskaper. Slutsatsen var att kopparnas oxiderande beteende, tillsammans med dess oxiders löslighetsegenskaper, är de faktorer som gör att metalliskt koppar är antibakteriellt.

Metallisk koppar verkar på vissa stammar av E. coli, S. aureus och Clostridium difficile, grupp A-virus, adenovirus och svampar. Därför har det planerats att använda kopparlegeringar som är i kontakt med passagerarnas händer i olika transportmedel.

Nanopartiklar

Koppars antimikrobiella verkan förbättras ytterligare när dess nanopartiklar används, vilket har visat sig vara användbart för endodontiska behandlingar.

På samma sätt är koppar-nanopartiklar utmärkta adsorbenter, och eftersom de är orange representerar en färgförändring i dem en latent kolorimetrisk metod; till exempel utvecklad för att detektera bekämpningsmedel av ditiokarbamater.

Biologisk roll

I den elektroniska transportkedjan

Koppar är ett viktigt element för livet. Det är involverat i den elektroniska transportkedjan, som utgör en del av komplex IV. Det sista steget i den elektroniska transportkedjan äger rum i detta komplex: reduktionen av syremolekylen till vatten.

Komplex IV består av två haegrupper, en cytokrom a, en cytokrom a ₃ samt två Cu-centra; den ena kallas CuA och den andra CuB. Cytokrom a ₃ och CuB bildar ett binuklärt centrum, där reduktionen av syre till vatten sker.

I detta steg passerar Cu från dess +1 till +2 oxidationstillstånd, vilket ger elektroner till syremolekylen. Den elektroniska transportkedjan använder NADH och FADH ₂ , från Krebs-cykeln, som elektroniska givare, med vilka den skapar en elektrokemisk vätgradient.

Denna gradient tjänar som en energikälla för generering av ATP, i en process som kallas oxidativ fosforylering. Så, och i slutändan, är närvaron av koppar nödvändig för produktion av ATP i eukaryota celler.

I enzymet superoxid-dismutas

Koppar är en del av enzymet superoxiddismutas, ett enzym som katalyserar nedbrytningen av superoxid jon (O ₂ ^- ), en förening toxiska för levande varelser.

Superoxiddismutas katalyserar nedbrytningen av superoxidjonen till syre och / eller väteperoxid.

Superoxiddismutas kan använda reduktion av koppar för att oxidera superoxid till syre, eller det kan orsaka oxidation av koppar för att bilda väteperoxid från superoxid.

I hemocyanin

Hemocyanin är ett protein som finns i blodet hos vissa araknider, kräftdjur och blötdjur. Den uppfyller en liknande funktion som hemoglobin hos dessa djur, men istället för att ha järn på platsen för syretransport, har den koppar.

Hemocyanin har två kopparatomer på sin aktiva plats. Av denna anledning är färgen på hemocyanin blågrön. De metalliska kopparcentren är inte i direktkontakt utan har en nära plats. Syremolekylen är inklämd mellan de två kopparatomerna.

Koncentration i människokroppen

Den mänskliga kroppen innehåller mellan 1,4 och 2,1 mg Cu / kg kroppsvikt. Koppar absorberas i tunntarmen och transporteras sedan till levern tillsammans med albumin. Därifrån transporteras koppar till resten av människokroppen fäst vid plasmaprotein ceruloplasmin.

Överskottet koppar utsöndras genom gallan. I vissa fall, till exempel vid Wilsons sjukdom, samlas koppar i kroppen, vilket visar toxiska effekter av metallen som påverkar nervsystemet, njurarna och ögonen.

referenser

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Användningar av koppar-nanopartiklar för kolorimetrisk upptäckt av ditiokarbamatbekämpningsmedel. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela & Bello-Toledo, Helia. (2016). Koppar-nanopartiklar som potentiellt antimikrobiellt medel vid desinficering av rotkanaler: en systematisk översyn. International journal of odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Koppar. Återställd från: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 september 2018). Berylliumkoppars fysikaliska egenskaper. Återställd från: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 juli 2019). Kopparfakta: kemiska och fysikaliska egenskaper. Återställd från: thoughtco.com
6. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (26 juli 2019). Koppar: kemiskt element. Encyclopaedia Britannica. Återställd från: britannica.com
7. Redaktör. (10 november 2018). Kopparkis. Återställd från: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: koppar. Återställd från: lenntech.com