BAKER: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE, BIOLOŠKA VLOGA - KEMIJA - 2026

Bakra je prehodna kovina, ki spada v skupino 11 periodnega sistema in je predstavljen s kemijskim simbolom Cu. Zanj je značilno in odlikovano, da je kovina rdeče-oranžne barve, zelo nodična in kovljiva, hkrati pa je odličen prevodnik električne energije in toplote.

V svoji kovinski obliki ga najdemo kot primarni mineral v bazaltnih kamninah. Medtem se oksidira v žveplove spojine (tiste večje izkoriščanja rudarstva), arsenide, kloride in karbonate; torej ogromno kategorijo mineralov.

Budilka iz bakra. Vir: Pixabay.

Med minerali, ki ga vsebujejo, lahko omenimo halkocit, halkopirit, borit, kuprit, malahit in azurit. Baker je prisoten tudi v pepelu alg, v morskih koralah in členonožcih.

Ta kovina ima v zemeljski skorji veliko 80 ppm, povprečna koncentracija v morski vodi pa 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. V naravi se pojavlja kot dva naravna izotopa: ⁶³ Cu z obilico 69,15% in ⁶⁵ Cu z obilico 30,85%.

Obstajajo dokazi, da je bil baker taljen leta 8000 pr. C. in zlit s kositrom, da je oblikoval bron, leta 4000 pr. C. Šteje se, da jo kot prve kovine, ki jih uporablja človek, pred njo samo meteorno železo in zlato. Tako je istočasno arhaičen in oranžen sijaj hkrati.

Baker se uporablja predvsem pri izdelavi kablov za vodenje električne energije v elektromotorjih. Takšni kabli, majhni ali veliki, sestavljajo stroje ali naprave v industriji in v vsakdanjem življenju.

Baker je vključen v elektronsko transportno verigo, ki omogoča sintezo ATP; glavna energijska spojina živih bitij. Je kofaktor superoksidne dismutaze: encim, ki razgradi superoksidni ion, spojino, zelo strupeno za živa bitja.

Poleg tega baker igra vlogo hemociana pri prenosu kisika v nekaterih pajkovicah, rakih in mehkužcih, kar je podobno tistemu, ki ga v hemoglobinu izvaja železo.

Kljub vsem njegovim koristnim delovanjem za človeka, ko se baker nabira v človeškem telesu, kot je to Wilsonova bolezen, lahko med drugimi spremembami povzroči cirozo jeter, možganske motnje in poškodbe oči.

Zgodovina

Bakrena doba

Nativen baker je bil uporabljen za izdelavo artefaktov kot nadomestek kamna v neolitiku, verjetno med 9000 in 8000 pr. C. Baker je ena prvih kovin, ki jih človek uporablja, po železu v meteoritih in zlatu.

Obstajajo dokazi o uporabi rudarstva pri pridobivanju bakra v letu 5000 pred našim štetjem. C. Že za prejšnji datum so bili izdelani izdelki iz bakra; tak primer je bil uhan v Iraku, ocenjen na 8700 pr. C.

Po drugi strani velja, da se je metalurgija rodila v Mezopotamiji (zdaj Irak) leta 4000 pr. C. ko je bilo mogoče z uporabo ognja in premoga zmanjšati kovino mineralov. Kasneje je bil baker namerno legiran s kositrom, da je nastal bron (4000 pr. N. Št.).

Nekateri zgodovinarji opozarjajo na bakreno dobo, ki bi bila kronološko umeščena med neolitik in bronasto dobo. Kasneje je železna doba med letoma 2000 in 1000 pr. C.

Bronasta doba

Bronasta doba se je začela 4000 let po taljenju bakra. Bronasti predmeti iz vinčanske kulture segajo v leto 4500 pr. C .; medtem ko v Sumeriji in Egiptu obstajajo bronasti predmeti, izdelani 3000 let pred našim štetjem. C.

Uporaba radioaktivnega ogljika je med letoma 2280 in 1890 pred našim štetjem ugotovila obstoj rudarstva bakra v Alderley Edge, Cheshire in Združeno kraljestvo. C.

Omenimo lahko, da je Ötzi, "ledeni človek" z ocenjenim datumom med 3300 in 3200 pr. C., imel sekiro z glavo iz čistega bakra.

Rimljani iz 6. stoletja pred našim štetjem. Kot valuto so uporabljali koščke bakra. Julij Cezar je uporabljal kovance iz medenine, bakra in cinkove zlitine. Poleg tega so Oktavianovi kovanci izdelani iz zlitine bakra, svinca in kositra.

Proizvodnja in ime

Proizvodnja bakra v rimskem cesarstvu je dosegla 150.000 ton na leto, številka je presegla le med industrijsko revolucijo. Rimljani so s Cipra pripeljali baker, saj so ga poznali kot aes Cyprium ("kovina s Cipra").

Kasneje se je izraz izrodil v cuprum: ime, ki se je uporabljalo za poimenovanje bakra do leta 1530, ko je bil angleški koren izraz "baker" uveden za označevanje kovine.

Velika bakrena gora na Švedskem, ki je delovala od 10. stoletja do 1992, je v 17. stoletju pokrivala 60% potrošnje Evrope. Obrat La Norddeutsche Affinerie v Hamburgu (1876) je bil prvi sodobni obrat za galvansko uporabo, ki je uporabljal baker.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz

Baker je bujna oranžno-rdeča kovina, medtem ko je večina domačih kovin siva ali srebrna.

Atomska številka (Z)

29

Atomska teža

63,546 u

Tališče

1,084,62 ºC

Navadni plini, kot so kisik, dušik, ogljikov dioksid in žveplov dioksid, so topni v staljenem bakru in vplivajo na mehanske in električne lastnosti kovine, ko se strdi.

Vrelišče

2.562 ºC

Gostota

- 8,96 g / ml pri sobni temperaturi.

- 8,02 g / ml pri tališču (tekočina).

Upoštevajte, da med trdno in tekočo fazo ni občutnega zmanjšanja gostote; oba predstavljata zelo goste materiale.

Vročina fuzije

13,26 kJ / mol.

Toplota izparevanja

300 kJ / mol.

Molarna kalorična zmogljivost

24,44 J / (mol * K).

Toplotno raztezanje

16,5 µm / (m * K) pri 25 ° C.

Toplotna prevodnost

401 W / (m ∙ K).

Električni upor

16,78 Ω ∙ m pri 20 ° C.

Električna prevodnost

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Baker ima zelo visoko električno prevodnost, ki jo presega le srebro.

Mohsova trdota

3.0.

Je torej mehka kovina in tudi precej nodularna. Trdnost in žilavost se povečata s hladnim obdelovanjem zaradi podolgovatih kristalnih tvorb iste kubične strukture, usmerjene v sredino, ki je prisotna v bakru.

Kemijske reakcije

Preskus z bakrenim plamenom, ki ga prepoznamo po barvi modro-zelenega plamena. Vir: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Baker ne reagira z vodo, ampak reagira z atmosferskim kisikom in je prekrit s plastjo črno-rjavega oksida, ki zagotavlja korozijsko zaščito spodnjim slojem kovine:

2Cu (y) + O ₂ (g) → 2CuO

Baker ni topen v razredčenih kislinah, vendar reagira z vročo in koncentrirano žveplovo in dušikovo kislino. Topen je tudi v amonijaku v vodni raztopini in v kalijevem cianidu.

Lahko se upira delovanju atmosferskega zraka in morske vode. Vendar pa njegova dolgotrajna izpostavljenost povzroči nastanek tanke zelene zaščitne plasti (patine).

Prejšnja plast je mešanica karbonata in bakrovega sulfata, ki jo opazimo v starih stavbah ali skulpturah, kot je Kip svobode v New Yorku.

Baker reagira segreto do rdeče s kisikom, da dobi kurikov oksid (CuO) in pri višjih temperaturah tvori bakrov oksid (Cu ₂ O). Prav tako vroče reagira z žveplom, da nastane bakrov sulfid; zato postane meglen, ko je izpostavljen nekaterim žveplovim spojinam.

Baker I gori z modrim plamenom v plamenskem testu; medtem ko baker II oddaja zeleni plamen.

Struktura in elektronska konfiguracija

Bakreni kristali kristalizirajo v kubični (fcc) strukturi. V tem fcc kristalu ostajajo atomi Cu povezani zaradi kovinske vezi, ki je sorazmerno šibkejša od drugih prehodnih kovin; dejstvo se kaže v veliki duktilnosti in nizkem tališču (1084 ºC).

Glede na elektronsko konfiguracijo:

3d ¹⁰ 4s ¹

Vse 3d orbitale so napolnjene z elektroni, medtem ko je v orbiti 4s prosto mesto. To pomeni, da 3d orbitale ne sodelujejo v kovinski vezi, kot bi pričakovali pri drugih kovinah. Tako atomi Cu vzdolž kristala prekrivajo svoje 4s orbitale, da ustvarijo pasove, kar vpliva na razmeroma šibko silo njihovih interakcij.

Pravzaprav je nastala energijska razlika med 3d (polnimi) in 4s (napol polnimi) orbitalnimi elektroni odgovorna za bakrene kristale, ki absorbirajo fotone iz vidnega spektra, kar odraža njihovo izrazito oranžno barvo.

Bakreni fcc kristali imajo lahko različne velikosti, ki pa so manjši, močnejši bo kovinski kos. Kadar so zelo majhni, govorimo o nanodelcih, občutljivih na oksidacijo in rezervirani za selektivno uporabo.

Oksidacijske številke

Prvo število ali oksidacijsko stanje, ki ga lahko pričakujemo z bakrom, je +1 zaradi izgube elektrona iz njegove 4s orbite. Kadar ga imamo v spojini, domnevamo, da obstaja kation Cu ⁺ (običajno imenovan bakrov ion).

To in oksidacijsko število +2 (Cu ²⁺ ) sta najbolj znana in najbolj bogata za baker; na splošno so edini, ki jih poučujejo na srednji šoli. Vendar pa obstajajo tudi oksidacijske številke +3 (Cu ³⁺ ) in +4 (Cu ⁴⁺ ), ki niso tako redke, kot se vam morda zdi na prvi pogled.

Na primer, soli kupratnega aniona, CuO ₂ ^- , predstavljajo spojine z bakrovim (III) ali +3; takšen je primer kalijevega kuparata, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Tudi baker lahko, čeprav v manjši meri in zelo redko, negativno oksidacijsko število: -2 (Cu ^2- ).

Kako se pridobiva

Surovina

Minerali, ki se najpogosteje uporabljajo za pridobivanje bakra, so kovinski sulfidi, predvsem halkopirit (CuFeS ₂ ) in borit (Cu ₅ FeS ₄ ). Ti minerali prispevajo 50% vsega pridobljenega bakra. Za pridobivanje bakra se uporabljata tudi kalelit (CuS) in halkocit (Cu ₂ S).

Drobljenje in mletje

Sprva se kamnine drobijo, da dobijo kamnite drobce 1,2 cm. Nato se nadaljuje z mletjem drobcev kamnine, dokler ne dobimo delcev 0,18 mm. Vodo in reagente dodamo, da dobimo pasto, ki jo nato plavamo, da dobimo bakreni koncentrat.

Plavanje

V tej fazi nastanejo mehurčki, ki lovijo minerale iz bakra in žvepla, ki so prisotni v kaši. Za zbiranje pene se izvede več postopkov, pri čemer se posuši, da dobimo koncentrat, ki nadaljuje s čiščenjem.

Prečiščenje

Za ločitev bakra od drugih kovin in nečistoč suh koncentrat podvržemo visokim temperaturam v posebnih pečeh. Ognjeno rafiniran baker (RAF) se vliva v plošče s težo približno 225 kg, ki bodo tvorile anode.

Elektroliza

Pri rafiniranju bakra se uporablja elektroliza. Anode iz topilnice se odnesejo v elektrolitske celice za rafiniranje. Baker potuje na katodo in nečistoče se naselijo na dnu celic. Pri tem dobimo bakrene katode s 99,99% čistostjo.

Zlitine bakra

Bronasta

Bron je zlitina bakra in kositra, ki vsebuje med 80 in 97% bakra. Uporabljali so ga pri izdelavi orožja in pripomočkov. Trenutno se uporablja pri izdelavi mehanskih delov, odpornih proti trenju in koroziji.

Poleg tega se uporablja pri izdelavi glasbenih inštrumentov, kot so zvonovi, gongi, činele, saksofoni in godala harf, kitare in klavir.

Medenina

Medenina je zlitina bakra in cinka. V industrijskih modrčkih je odstotek cinka manjši od 50%. Uporablja se pri izdelavi posod in kovinskih konstrukcij.

Monel

Monelova zlitina je zlitina niklja in bakra z razmerjem 2: 1 niklja in bakra. Odporen je na korozijo in se uporablja v toplotnih izmenjevalcih, palicah in lokih.

Potrdili so

Constatán je zlitina, sestavljena iz 55% bakra in 45% niklja. Uporablja se za izdelavo kovancev in je značilen po stalnem uporu. Kupro-nikljeva zlitina se uporablja tudi za zunanjo prevleko kovancev z majhnimi aponi.

BeCu

Bakro-berilijeva zlitina ima delež berilija 2%. Ta zlitina združuje trdnost, trdoto, električno prevodnost in odpornost proti koroziji. Zlitina se običajno uporablja v električnih konektorjih, telekomunikacijskih izdelkih, računalniških komponentah in majhnih vzmetih.

Orodja, kot so ključi, izvijači in kladiva, ki se uporabljajo na naftnih ploščadih in premogovnikih, imajo začetnice BeCu kot zagotovilo, da ne bodo povzročale iskre.

Drugo

V kovancih se je uporabljalo zlitinsko srebro 90% in baker 10% do leta 1965, ko je bila uporaba srebra odpravljena v vseh valutah, razen za kovanca za pol dolarja.

7% bakrena aluminijeva zlitina je zlate barve in se uporablja pri dekoraciji. Medtem je Shakudo japonska dekorativna zlitina bakra in zlata, v nizkem odstotku (od 4 do 10%).

Prijave

Električna napeljava in motorji

Bakreno električno ožičenje Vir: Scott Ehardt

Baker zaradi visoke električne prevodnosti in nizkih stroškov je kovina, ki jo lahko uporabimo v električnih ožičenju. Bakren kabel se uporablja v različnih fazah električne energije, kot so proizvodnja električne energije, prenos, distribucija električne energije itd.

50% bakra, proizvedenega na svetu, se uporablja pri izdelavi električnih kablov in žic zaradi visoke električne prevodnosti, enostavnosti oblikovanja žic (duktilnost), odpornosti na deformacije in korozije.

Baker se uporablja tudi pri izdelavi integriranih vezij in tiskanih vezij. Kovina se uporablja v toplotnih koritih in toplotnih izmenjevalcih zaradi svoje visoke toplotne prevodnosti, kar olajša odvajanje toplote.

Baker se uporablja v elektromagnetih, vakuumskih ceveh, katodnih ceveh in magnetronih v mikrovalovnih pečicah.

Prav tako se uporablja pri izdelavi tuljav elektromotorjev in sistemov, ki motorje delajo, ti predmeti pa predstavljajo približno 40% svetovne porabe električne energije.

Gradnja

Baker se zaradi svoje odpornosti proti koroziji in delovanju atmosferskega zraka že dolgo uporablja v strehah hiš, izpustov, kupolah, vratih, oknih itd.

Trenutno se uporablja v stenskih oblogah in okrasnih predmetih, kot so kopalniški dodatki, ročaji vrat in svetilke. Prav tako se uporablja v protimikrobnih izdelkih.

Biostatično delovanje

Baker preprečuje, da bi se na njej razraščale številne oblike življenja. Uporabljali so ga v rjuhah, ki so jih postavili na dno ladijskih trupov, da preprečijo rast mehkužcev, kot so školjke, pa tudi žolni.

Trenutno se na omenjeni zaščiti ladijskih trupov uporabljajo barve na osnovi bakra. Kovinski baker lahko pri stiku nevtralizira številne bakterije.

Njegov mehanizem delovanja je bil preučen na podlagi njegovih ionskih, jedkih in fizikalnih lastnosti. Zaključek je bil, da so oksidacijsko delovanje bakra skupaj z lastnostmi topnosti njegovih oksidov dejavniki, zaradi katerih je kovinski baker antibakterijski.

Kovinski baker deluje na nekatere seve E. coli, S. aureus in Clostridium difficile, skupine A, adenovirusov in gliv. Zato je bila načrtovana uporaba bakrovih zlitin, ki so v stiku z rokami potnikov v različnih prevoznih sredstvih.

Nanodelci

Protimikrobno delovanje bakra se še poveča pri uporabi njegovih nanodelcev, ki so se izkazali za koristne za endodontsko zdravljenje.

Prav tako so bakreni nanodelci odlični adsorbenti, in ker so oranžne barve, sprememba barve v njih predstavlja latentno kolorimetrično metodo; na primer razvit za odkrivanje ditiokarbamata pesticidov.

Biološka vloga

V elektronski prometni verigi

Baker je bistven element za življenje. Vključena je v elektronsko prometno verigo, ki je del kompleksa IV. Končni korak elektronske transportne verige je v tem kompleksu: redukcija molekule kisika, da nastane voda.

Kompleks IV sestavljata dve skupini hae, citokrom a, citokrom a ₃ , ter dva Cu središča; ena se imenuje CuA, druga pa CuB. Citokrom a ₃ in CuB tvorita dvojedrno središče, v katerem pride do redukcije kisika v vodo.

V tej fazi Cu preide iz svojega oksidacijskega stanja +1 v +2, kar daje elektron molekuli kisika. Elektronska transportna veriga uporablja NADH in FADH ₂ iz Krebsovega cikla kot darovalce elektronov, s katerimi ustvarja elektrokemični gradient vodika.

Ta gradient služi kot vir energije za tvorbo ATP v postopku, ki ga poznamo kot oksidativno fosforilacijo. Torej in navsezadnje je prisotnost bakra nujna za proizvodnjo ATP v evkariontskih celicah.

V encimu superoksid dismutaza

Baker je del encima superoksid dismutaza, encima, ki katalizira razgradnjo superoksidnega iona (O ₂ ^- ), spojine, ki je strupena za živa bitja.

Superoksid dismutaza katalizira razgradnjo superoksidnega iona v kisik in / ali vodikov peroksid.

Superoksid dismutaza lahko uporabi redukcijo bakra za oksidacijo superoksida v kisik ali pa lahko povzroči oksidacijo bakra in tvori vodikov peroksid iz superoksida.

V hemocianinu

Hemocijanin je beljakovina, ki je prisotna v krvi nekaterih paradnjakov, rakov in mehkužcev. Pri teh živalih izpolnjuje podobno funkcijo kot hemoglobin, vendar namesto da ima železo na mestu prevoza kisika, ima baker.

Hemocijanin ima na svojem aktivnem mestu dva bakrova atoma. Zaradi tega je barva hemociana modro-zelena. Kovinska središča bakra niso v neposrednem stiku, imajo pa bližino. Molekul kisika je med dvema atomoma bakra zasipan.

Koncentracija v človeškem telesu

Človeško telo vsebuje med 1,4 in 2,1 mg Cu / kg telesne teže. Baker se absorbira v tankem črevesu in se nato z albuminom prenese v jetra. Od tam se baker prevaža v preostalem človeškem telesu, ki je vezan na beljakovinski ceruloplazmin v plazmi.

Presežek bakra se izloči skozi žolč. V nekaterih primerih pa se, denimo pri Wilsonovi bolezni, baker nabira v telesu, kar kaže na toksične učinke kovine, ki vplivajo na živčni sistem, ledvice in oči.

Reference

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Uporaba bakrovih nanodelcev za kolorimetrično odkrivanje ditiokarbamata pesticidov. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela in Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanodelci bakra kot potencialno protimikrobno sredstvo pri razkuževanju koreninskih kanalov: sistematičen pregled. Mednarodna revija odontostomatologije, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedija. (2019). Baker. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. september 2018). Fizikalne lastnosti bakra iz berilija. Pridobljeno od: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, dr. (03. julij 2019). Dejstva o bakru: kemijske in fizikalne lastnosti. Pridobljeno: misel.com
6. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (26. julij 2019). Baker: kemični element. Enciklopedija Britannica. Pridobljeno: britannica.com
7. Urednik. (10. november 2018). Halkopirit. Pridobljeno: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodična tabela: baker. Pridobljeno: lenntech.com