МЕДЬ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ - ХИМИЯ - 2026

Меди представляет собой переходный металл , принадлежащий к группе 11 периодической таблицы и представлена химическим символом Cu. Он характеризуется и отличается тем, что это красно-оранжевый металл, очень пластичный и ковкий, а также отличный проводник электричества и тепла.

В металлической форме он встречается как первичный минерал в базальтовых породах. Между тем, он окисляется в сернистых соединениях (тех, которые используются в горнодобывающей промышленности), арсенидах, хлоридах и карбонатах; то есть обширная категория минералов.

Будильник из меди. Источник: Pixabay.

Среди минералов, которые его содержат, можно отметить халькоцит, халькопирит, борнит, куприт, малахит и азурит. Медь также присутствует в золе водорослей, морских кораллах и членистоногих.

Этот металл имеет содержание в земной коре 80 ppm, а средняя концентрация в морской воде составляет 2,5 ∙ 10 ^-4 мг / л. В природе он встречается в виде двух природных изотопов: ⁶³ Cu с содержанием 69,15% и ⁶⁵ Cu с содержанием 30,85%.

Есть сведения, что медь выплавляли в 8000 году до нашей эры. C. и сплавлен с оловом для образования бронзы, в 4000 г. до н. Э. C. Считается, что только метеоритное железо и золото предшествуют ему как первым металлам, использованным человеком. Таким образом, это синоним архаичного и оранжевого свечения одновременно.

Медь используется в основном в производстве кабелей для электропроводки электродвигателей. Такие кабели, малые или большие, составляют оборудование или устройства в промышленности и в повседневной жизни.

Медь участвует в электронной транспортной цепи, которая позволяет синтезировать АТФ; основной энергетический комплекс живых существ. Это кофактор супероксиддисмутазы: фермента, разлагающего супероксид-ион, соединение, очень токсичное для живых существ.

Кроме того, медь играет роль в гемоцианине в транспорте кислорода у некоторых паукообразных, ракообразных и моллюсков, который аналогичен тому, который осуществляется железом в гемоглобине.

Несмотря на все свои полезные действия для человека, когда медь накапливается в организме человека, как в случае болезни Вильсона, она может вызвать цирроз печени, нарушения головного мозга и повреждение глаз, среди других изменений.

история

Медный век

Самородная медь использовалась для изготовления артефактов вместо камня в неолите, вероятно, между 9000 и 8000 годами до нашей эры. C. Медь - один из первых металлов, используемых человеком после железа, присутствующего в метеоритах и ​​золоте.

Есть свидетельства использования горного дела для добычи меди в 5000 году до нашей эры. C. Уже раньше были изготовлены изделия из меди; Так обстоит дело с серьгой, сделанной в Ираке примерно в 8700 году до нашей эры. C.

В свою очередь, считается, что металлургия зародилась в Месопотамии (ныне Ирак) в 4000 году до нашей эры. C., когда можно было уменьшить содержание металлов в минералах с помощью огня и угля. Позже медь была намеренно сплавлена ​​с оловом для производства бронзы (4000 г. до н.э.).

Некоторые историки указывают на медный век, который в хронологическом порядке располагался между неолитом и бронзовым веком. Позже железный век сменил бронзовый век между 2000 и 1000 годами до нашей эры. C.

Бронзовый век

Бронзовый век начался через 4000 лет после выплавки меди. Бронзовые изделия культуры барвинка датируются 4500 годом до нашей эры. C.; а в Шумерии и Египте есть бронзовые предметы, изготовленные за 3000 лет до нашей эры. C.

Использование радиоактивного углерода позволило установить добычу меди в Олдерли-Эдж, Чешир и Соединенное Королевство в период с 2280 по 1890 годы до нашей эры. C.

Можно отметить, что Эци, «Ледяной человек», датируется примерно 3300–3200 годами до нашей эры. С., имел топор с головой из чистой меди.

Римляне с 6 века до нашей эры. В качестве валюты они использовали куски меди. Юлий Цезарь использовал монеты из латуни, сплава меди и цинка. Кроме того, монеты Октавиана были сделаны из сплава меди, свинца и олова.

Производство и название

Производство меди в Римской империи достигло 150 000 тонн в год, этот показатель был превзойден только во время промышленной революции. Римляне привезли медь с Кипра, зная ее как aes Cyprium («металл с Кипра»).

Позже этот термин переродился в медь: название использовалось для обозначения меди до 1530 года, когда для обозначения металла был введен английский корень «медь».

Великая медная гора в Швеции, которая действовала с 10 века по 1992 год, покрывала 60% потребления Европы в 17 веке. Завод La Norddeutsche Affinerie в Гамбурге (1876 г.) был первым современным гальваническим заводом, использующим медь.

Физические и химические свойства

Внешность

Медь - это блестящий оранжево-красный металл, а большинство самородных металлов - серые или серебряные.

Атомный номер (Z)

29

Атомный вес

63 546 u

Температура плавления

1 084,62 ºC

Обычные газы, такие как кислород, азот, диоксид углерода и диоксид серы, растворимы в расплавленной меди и влияют на механические и электрические свойства металла, когда он затвердевает.

Точка кипения

2,562 ºC

плотность

- 8,96 г / мл при комнатной температуре.

- 8,02 г / мл при температуре плавления (жидкость).

Обратите внимание, что нет значительного уменьшения плотности между твердой и жидкой фазами; оба представляют собой очень плотные материалы.

Теплота плавления

13,26 кДж / моль.

Теплота испарения

300 кДж / моль.

Молярная калорийность

24,44 Дж / (моль * К).

Термическое расширение

16,5 мкм / (м * К) при 25 ° C.

Теплопроводность

401 Вт / (м ∙ К).

Удельное электрическое сопротивление

16,78 Ом ∙ м при 20 ° C.

Электропроводность

59,6 ∙ 10 ⁶ См / м.

Медь обладает очень высокой электропроводностью, уступая только серебру.

Твердость по Моосу

3.0.

Следовательно, это мягкий металл, а также довольно пластичный. Прочность и ударная вязкость повышаются при холодной обработке из-за образования удлиненных кристаллов той же гранецентрированной кубической структуры, которая присутствует в меди.

Химические реакции

Испытание медным пламенем, которое определяется по цвету сине-зеленого пламени. Источник: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Медь не реагирует с водой, но реагирует с кислородом воздуха, будучи покрытой слоем черно-коричневого оксида, который обеспечивает защиту от коррозии нижележащих слоев металла:

2Cu (т) + O ₂ (г) → 2CuO

Медь не растворяется в разбавленных кислотах, но вступает в реакцию с горячей и концентрированной серной и азотной кислотами. Он также растворим в водном растворе аммиака и цианиде калия.

Он может противостоять воздействию атмосферного воздуха и морской воды. Однако при его продолжительном воздействии образуется тонкий зеленый защитный слой (патина).

Предыдущий слой представляет собой смесь карбоната и сульфата меди, наблюдаемую в старых зданиях или скульптурах, таких как Статуя Свободы в Нью-Йорке.

Медь, нагретая до красного цвета, реагирует с кислородом с образованием оксида меди (CuO), а при более высоких температурах образует оксид меди (Cu ₂ O). Он также горячо реагирует с серой с образованием сульфида меди; поэтому он становится туманным при воздействии некоторых соединений серы.

Медь I горит синим пламенем в испытании пламенем; а медь II излучает зеленое пламя.

Структура и электронная конфигурация

Кристаллы меди кристаллизуются в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре. В этом кристалле с ГЦК атомы Cu остаются прикрепленными благодаря металлической связи, которая сравнительно слабее, чем у других переходных металлов; факт проявляется в его большой пластичности и низкой температуре плавления (1084 ºC).

По электронной комплектации:

3д ¹⁰ 4с ¹

Все 3d-орбитали заполнены электронами, а на 4s-орбитали есть вакансия. Это означает, что 3d-орбитали не взаимодействуют в металлической связи, как можно было бы ожидать от других металлов. Таким образом, атомы Cu вдоль кристалла перекрывают свои 4s-орбитали, создавая полосы, влияя на относительно слабую силу их взаимодействия.

Фактически, возникающая в результате разность энергий между 3d (полными) и 4s (полуполными) орбитальными электронами отвечает за то, что кристаллы меди поглощают фотоны из видимого спектра, отражая их характерный оранжевый цвет.

Кристаллы ГЦК меди могут иметь разные размеры, и чем они меньше, тем прочнее будет металлическая деталь. Когда они очень маленькие, мы говорим о наночастицах, чувствительных к окислению и предназначенных для селективного применения.

Числа окисления

Первое число или степень окисления, которую можно ожидать от меди, - +1, из-за потери электрона с его 4s-орбитали. При его наличии в соединении предполагается наличие катиона Cu ⁺ (обычно называемого ионом одновалентной меди).

Это и степень окисления +2 (Cu ²⁺ ) являются наиболее известными и распространенными для меди; они, как правило, единственные, кого учат в старшей школе. Однако есть также степени окисления +3 (Cu ³⁺ ) и +4 (Cu ⁴⁺ ), которые не так редки, как может показаться на первый взгляд.

Например, соли купрат-аниона CuO ₂ ^- представляют собой соединения с медью (III) или +3; таков случай купрата калия, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Медь также, хотя и в меньшей степени и в очень редких случаях, может иметь отрицательную степень окисления: -2 (Cu ^2- ).

Как это получается

Ингредиенты

Минералы, наиболее используемые для извлечения меди, - это сульфиды металлов, в основном халькопирит (CuFeS ₂ ) и борнит (Cu ₅ FeS ₄ ). Эти минералы составляют 50% от общего объема добываемой меди. Калеллит (CuS) и халькоцит (Cu ₂ S) также используются для получения меди .

Дробление и измельчение

Первоначально породы дробят до обломков скальной породы размером 1,2 см. Затем продолжается измельчение каменистых обломков до получения частиц размером 0,18 мм. Добавляют воду и реагенты, чтобы получить пасту, которую затем всплывают для получения медного концентрата.

плавучесть

На этом этапе образуются пузырьки, которые задерживают минералы меди и серы, присутствующие в пульпе. Выполняется несколько процессов для сбора пены, ее сушки и получения концентрата, который продолжает очистку.

очистка

Для отделения меди от других металлов и примесей сухой концентрат подвергают воздействию высоких температур в специальных печах. Огонь рафинированной меди (РФС) формуют в листы с массой тела около 225 кг, которые составят анодов.

электролиз

Электролиз используется при рафинировании меди. Аноды из плавильного завода отправляются в электролизеры для очистки. Медь попадает на катод, а примеси оседают на дно ячеек. В результате получают катоды из меди чистотой 99,99%.

Медные сплавы

бронза

Бронза - это сплав меди и олова, причем медь составляет от 80 до 97%. Его использовали при изготовлении оружия и утвари. В настоящее время он используется для изготовления механических деталей, устойчивых к трению и коррозии.

Кроме того, он используется при изготовлении музыкальных инструментов, таких как колокольчики, гонги, тарелки, саксофоны и струны арф, гитар и фортепиано.

Латунь

Латунь - это сплав меди и цинка. В промышленных латуни процентное содержание цинка менее 50%. Используется при разработке контейнеров и металлических конструкций.

монель

Монелевый сплав - это медно-никелевый сплав с соотношением никеля и меди 2: 1. Он устойчив к коррозии и используется в теплообменниках, стержнях и линзовых дугах.

Они подтвердили

Constatán - это сплав, состоящий из 55% меди и 45% никеля. Он используется для изготовления монет и отличается постоянным сопротивлением. Также медно-никелевый сплав используется для внешнего покрытия монет небольшого достоинства.

BeCu

Медно-бериллиевый сплав имеет процентное содержание бериллия 2%. Этот сплав сочетает в себе прочность, твердость, электропроводность и коррозионную стойкость. Сплав обычно используется в электрических соединителях, телекоммуникационных продуктах, компьютерных компонентах и ​​небольших пружинах.

Такие инструменты, как гаечные ключи, отвертки и молотки, используемые на нефтяных вышках и угольных шахтах, имеют инициалы BeCu как гарантию того, что они не образуют искр.

Другой

Сплав серебра 90% и меди 10% использовался в монетах до 1965 года, когда использование серебра было исключено во всех валютах, за исключением монеты в полдоллара.

Алюминиевый сплав с 7% меди имеет золотистый цвет и используется в отделке. Между тем, сякудо - это японский декоративный сплав меди и золота в небольшом количестве (от 4 до 10%).

Приложения

Электропроводка и двигатели

Медная электропроводка. Источник: Скотт Эхардт

Медь из-за ее высокой электропроводности и низкой стоимости является предпочтительным металлом для использования в электропроводке. Медный кабель используется на различных этапах производства электроэнергии, таких как производство, передача, распределение электроэнергии и т. Д.

50% производимой в мире меди используется в производстве электрических кабелей и проводов из-за ее высокой электропроводности, простоты формования проводов (пластичность), устойчивости к деформации и коррозии.

Медь также используется для изготовления интегральных схем и печатных плат. Металл используется в радиаторах и теплообменниках из-за его высокой теплопроводности, что облегчает отвод тепла.

Медь используется в электромагнитах, электронных лампах, электронно-лучевых трубках и магнетронах в микроволновых печах.

Точно так же он используется в конструкции катушек электродвигателей и систем, которые приводят в действие двигатели, на эти элементы приходится около 40% мирового потребления электроэнергии.

Здание

Медь, благодаря своей устойчивости к коррозии и воздействию атмосферного воздуха, давно используется в крышах домов, водостоках, куполах, дверях, окнах и т. Д.

В настоящее время он используется для облицовки стен и декоративных элементов, таких как аксессуары для ванных комнат, дверные ручки и лампы. Также он используется в противомикробных продуктах.

Биостатическое действие

Медь препятствует росту на ней множества форм жизни. Его использовали в листах, которые помещали на дно корпусов кораблей, чтобы предотвратить рост моллюсков, таких как мидии, а также ракушек.

В настоящее время краски на основе меди используются для вышеупомянутой защиты корпусов судов. Металлическая медь при контакте нейтрализует многие бактерии.

Механизм его действия был изучен на основе его ионных, коррозионных и физических свойств. Был сделан вывод о том, что окислительное поведение меди вместе со свойствами растворимости ее оксидов являются факторами, которые делают металлическую медь антибактериальной.

Металлическая медь действует на некоторые штаммы E. coli, S. aureus и Clostridium difficile, вирусы группы А, аденовирусы и грибы. Поэтому планируется использовать медные сплавы, контактирующие с руками пассажиров в различных транспортных средствах.

Наночастицы

Антимикробное действие меди еще больше усиливается при использовании ее наночастиц, которые оказались полезными для эндодонтического лечения.

Точно так же наночастицы меди являются отличными адсорбентами, и, поскольку они оранжевые, изменение цвета в них представляет собой скрытый колориметрический метод; например, разработан для обнаружения пестицидов дитиокарбаматов.

Биологическая роль

В электронной транспортной цепочке

Медь - незаменимый элемент для жизни. Он участвует в электронной транспортной цепи, составляя часть комплекса IV. В этом комплексе происходит заключительный этап электронной транспортной цепи: восстановление молекулы кислорода с образованием воды.

Комплекс IV состоит из двух групп hae, цитохрома а, цитохрома а ₃ , а также двух центров Cu; один называется CuA, а другой - CuB. Цитохром a ₃ и CuB образуют биядерный центр, в котором происходит восстановление кислорода до воды.

На этой стадии Cu переходит из степени окисления +1 в +2, отдавая электроны молекуле кислорода. Электронная транспортная цепь использует НАДН и ФАДН ₂ из цикла Кребса в качестве доноров электронов, с которыми он создает электрохимический градиент водорода.

Этот градиент служит источником энергии для выработки АТФ в процессе, известном как окислительное фосфорилирование. Итак, и, в конечном итоге, присутствие меди необходимо для производства АТФ в эукариотических клетках.

В ферменте супероксиддисмутаза

Медь является частью фермента супероксиддисмутазы, фермента, катализирующего разложение супероксид-иона (O ₂ ^- ), соединения, токсичного для живых существ.

Супероксиддисмутаза катализирует разложение иона супероксида на кислород и / или перекись водорода.

Супероксиддисмутаза может использовать восстановление меди для окисления супероксида до кислорода или может вызывать окисление меди с образованием пероксида водорода из супероксида.

В гемоцианине

Гемоцианин - это белок, содержащийся в крови некоторых паукообразных, ракообразных и моллюсков. У этих животных он выполняет ту же функцию, что и гемоглобин, но вместо железа в месте переноса кислорода в нем есть медь.

Гемоцианин имеет два атома меди в активном центре. По этой причине цвет гемоцианина сине-зеленый. Центры металлической меди не находятся в прямом контакте, а расположены близко друг к другу. Молекула кислорода зажата между двумя атомами меди.

Концентрация в теле человека

В организме человека содержится от 1,4 до 2,1 мг Cu / кг массы тела. Медь всасывается в тонком кишечнике и затем вместе с альбумином попадает в печень. Оттуда медь транспортируется в остальную часть человеческого тела, прикрепленную к белку плазмы церулоплазмин.

Избыток меди выводится с желчью. Однако в некоторых случаях, например, при болезни Вильсона, медь накапливается в организме, проявляя токсические эффекты металла, влияющие на нервную систему, почки и глаза.

Ссылки

1. Гото, С.А., Хухавар, М.Ю., Джахангир, Т.М. и др. (2019). Применение наночастиц меди для колориметрического обнаружения дитиокарбаматных пестицидов. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Санчес-Сануэса, Габриэла, Фуэнтес-Родригес, Даниэла и Белло-Толедо, Хелия. (2016). Наночастицы меди как потенциальный антимикробный агент при дезинфекции корневых каналов: систематический обзор. Международный журнал одонтостоматологии, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Медь. Получено с: en.wikipedia.org
4. Теренс Белл. (19 сентября 2018 г.). Физические свойства бериллиевой меди. Получено с: thebalance.com
5. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 июля 2019 г.). Факты о меди: химические и физические свойства. Получено с: thinkco.com
6. Редакторы энциклопедии Британника. (26 июля 2019 г.). Медь: химический элемент. Британская энциклопедия. Получено с: britannica.com
7. Редактор. (10 ноября 2018 г.). Халькопирит. Получено с: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: медь. Получено с: lenntech.com