Бакар

Бакар — хемиски елемент со симбол Cu (од |cuprum) и атомски број 29. Тоа е мек, податлив и нодуларен метал со многу висока топлинска и електрична спроводливост. Свежо изложената површина од чист бакар има розово портокалова боја. Бакарот се користи како проводник на топлина и електрична енергија, како градежен материјал и како составен дел од разни метални легури, како што се сјајно сребро кое се користи во накит, купроникел што се користи за производство на марински хардвер и монети и константан кој се користи во деформациски мерачи и термопарови за мерење на температурата.
Бакарот е еден од ретките метали што можат да се појават во природата во директно употреблива метален облик (самороден метал). Ова довело до многу рано човечко користење во неколку региони (од 8000 п.н.е.). Илјадници години подоцна, бакарот бил првиот метал оформен во калап (4000 п.н.е.) и првиот метал кој е намерно легиран со друг метал (калај) за да се создаде бронза (3500 п.н.е.).
Во римската ера, бакарот главно бил ваден на Кипар, потеклото на името на металот, од ''aes syprium'' (метал на Кипар), подоцна изменето во ''cuprum'' (на латински), од кое произлегуваат зборовите, ''coper'' (Староанглиски) и ''copper'', првпат започнало да се користи околу 1530 г.
Најчесто се среќаваат соединенијата со соли од бакар(II), кои честопати даваат сини или зелени бои на такви минерали како азурит, малахит и тиркиз , и се користат широко и историски како пигменти.
Бакарот кој се користи во зградите, обично за кров, оксидира за да формира зелен вердигрис (или патина). Бакар понекогаш се користи во декоративната уметност, и во неговата елементарна метална форма и во соединенијата како пигменти. Бакарни соединенија се користат како бактериостатски агенси, фунгициди и конзерванси за дрво.
Бакарот е од суштинско значење за сите живи организми како траен хранлив минерал, бидејќи е клучен состав на респираторниот ензим комплексот цитохром C оксидаза. Во мекотелите и раковите, бакар е составен дел на хемоцианинот во крвниот пигмент, заменет со хемоглобинот комплексен од железо во рибите и другите ’рбетници. Кај луѓето, бакар се наоѓа главно во црниот дроб, мускулите и коските. Телото на возрасни содржи помеѓу 1,4 и 2,1 мг бакар на килограм телесна тежина.
1 Особености
1.1 Физички
Бакарот среброто и златото спаѓаат во групата 11 од периодниот систем; овие три метали имаат еден s-орбитален електрон на врвот на пополнета d- електронска обвивка и се одликуваат со висока еластичност и електрична и топлинска спроводливост. Пополнетите d-отбитали во овие елементи придонесуваат малку за интератоматските интеракции, до кои доминираат s-електроните преку метални врски. За разлика од металите со нецелосни d-орбитали, металните врски во бакар недостасуваат ковалентен карактер и се релативно слаби. Оваа обзервација ја објаснува ниската цврстина и висока еластичност на монокристалите од бакар. На макроскопска скала, воведувањето на проширени дефекти на кристалната решетка, како што се границите на жилите, го попречува протокот на материјалот под примена на стресот, а со тоа ја зголемува својата цврстина. Поради оваа причина, бакар обично се испорачува во фино-грануларна поликристална форма, која има поголема сила од монокристални форми.
Мекоста на бакарот делумно ја објаснува неговата висока електрична спроводливост (59.6×Сименс/м) и висока топлинска спроводливост, втор највисок (втор само на сребро) меѓу чисти метали на собна температура. Тоа е затоа што отпорноста на транспортот на електрони во метали на собна температура потекнува првенствено од расејување на електрони на топлинска вибрација на решетката, кои се релативно слаби во мек метал. Максималната дозволена тековна густина на бакарот на отворено е приближно 3.1×10<sup>6</sup>A/м<sup>2</sup> на пресек, над која почнува да се загрева прекумерно.
Бакарот е еден од неколкуте метални елементи со природна боја, освен сива или сребрена боја. Чистиот бакар е портокалово-црвен и добива црвеникави оцрни кога е изложен на воздух. Карактеристичната боја на бакарот произлегува од електронските транзиции помеѓу пополнетите 3d и полупразни 4s атомски орбитали - енергетската разлика помеѓу овие орбитали одговара на портокаловата светлина.
Како и кај другите метали, ако бакарот се стави во контакт со друг метал, ќе настане галванска корозија.
1.2 Хемиски
Бакарот не реагира со вода, но полека реагира со атмосферскиот кислород за да створи слој од кафеаво-црн бакар оксид кој, за разлика од ’рѓата која се формира на железо во влажен воздух, го штити металниот метал од понатамошна корозија (пасивација). Зелен слој на вердигрис (бакар карбонат) често може да се види на старите бакарни структури, како што се покривот на многу постари згради и на Статуата на Слободата. Бакарот оцрнува кога е изложен на некои сулфурни соединенија, со кои реагира за формирање на различни бакар сулфиди.
1.3 Изотопи
Постојат 29 изотопи на бакар. <sup>63</sup>Cu и <sup>65</sup>Cu се стабилни, со <sup>63</sup>Cu содржи околу 69% самороден бакар; и двете имаат спин од . Другите изотопи се радиоактивни, од кои најстабилен е <sup>67</sup>Cu со полуживот од 61,83 часа. Се одликуваат седум метастабилни изотопи; <sup>68m</sup>Cu е најдолготраен со полуживот од 3,8 минути. Изотопи со масен број над 64 распаѓаат со β<sup>−</sup>, додека оние со масен број под 64 распаѓаат со β<sup>+</sup>. <sup>64</sup>Cu, кој има полуживот од 12,7 часа, се распаѓа во двата начина.<sup>62</sup>Cu и <sup>64</sup>Cu имаат значајни апликации. <sup>62</sup>Cu се користи во <sup>62</sup>Cu-PTSM како радиоактивен трасер за позитронска емисиона томографија.
1.4 Појава
Во природата, бакарот може да се јави како самороден, но поголемо значење за неговото добивање имаат рудите на бакарот кои содржат некои минерали, како што се купритот (Cu<sup>2</sup>O), халкозинот (Cu<sup>2</sup>S), ковелинот (CuS), халкопиритот (CuFeS<sup>2</sup>), малахитот (Cu<sup>2</sup>CO<sup>3</sup>) итн.
Бакарот се произведува во масивни ѕвезди и е присутен во Земјината кора во сооднос од околу 50 делови на милион (ppm). Во природата, бакар се јавува во различни минерали, вклучувајќи самороден бакар, бакарни сулфиди како халкопирит, борнит, дигенит , ковелит и чалкоцит, бакар сулфосоли како тетрахедит-тенанит и енаргит, бакар карбонати како азурит и малахит, и како бакар(I) или бакар(II) оксиди како што се куприт и тенорит, соодветно. Најголемата маса на откриен елементарен бакар тежи 420 тони и била пронајдена во 1857 година на полуостровот Кевина Пенинсула во Мичиген, САД. Самороден бакар е поликристал, со најголем единствен кристал досега опишан со мерење од 4.4×3.2×3.2см.
2 Производство
Најчесто, бакарот се екстрахира како бакар сулфиди од големи рудници во порфирни бакарни наноси кои содржат 0,4 до 1,0% бакар. Тоа се рудниците во Чукуикамата, во Чиле, рудникот Кајнон Бингам , во Јута, САД, и рудникот Ел Чино, во Ново Мексико, САД. Според британското геолошко истражување, во 2005 година, Чиле беше врвен производител на бакар со најмалку една третина од светскиот удел проследено со САД, Индонезија и Перу. Бакар, исто така, може да се добие преку процес на исцедок на самото место. Неколку локации во државата Аризона се сметаат за главни кандидати за овој метод. Количината на бакар во употреба се зголемува и достапната количина е едвај доволна за да им овозможи на сите земји да достигнат развиено светско ниво на употреба.
2.1 Резерви
Бакарот е во употреба најмалку 10.000 години, но повеќе од 95% од сиот бакар што бил миниран и извлакан е извлечен по 1900 година, а повеќе од половина е ископан во последните 24 години. Како и со многуте природни ресурси, вкупната количина на бакар на Земјата е огромна, со околу 10<sup>14</sup> тони во врвниот километар од Земјината кора, што е околу 5 милиони години на сегашната стапка на екстракција. Сепак, само мал дел од овие резерви е економски одржлив со денешните цени и технологии. Проценките на резерви на бакар достапни за рударството варираат од 25 до 60 години, во зависност од основните претпоставки, како што се стапката на раст. Рециклирањето е главен извор на бакар во модерниот свет. Поради овие и други фактори, иднината на производството и снабдувањето со бакар е предмет на многу дебати, вклучувајќи го и концептот на врвниот бакар, аналогно на врвното масло .
Цената на бакарот во минатото била нестабилна и нејзината цена се зголеми од 60-годишниот минимум од $1.32/кг во јуни 1999 година на $8.27/кг во мај 2006 година. Во февруари 2007 година падна на $5.29/кг, а потоа се зголеми на $7.71/кг во април 2007 година. Во февруари 2009 година, слабеењето на глобалната побарувачка и големиот пад на цените на стоките од порастот од претходната година ги оставија цените на бакарот на $3.32/кг.
2.2 Методи
Бакарните руди се сиромашни, односно содржината на бакар во нив е мала, па поради тоа, од нив најпрвин се добива концентрат. Притоа, со постапката, наречена флотација, сулфидните минерали на бакарот се одделуваат од некорисните минерали (јаловината), а потоа со жарење се добива соодветниот оксид. Редукцијата на образуваниот оксид може да се изврши со некое редукционо средство, на пример со водород или јаглерод, а најчесто редукцијата се врши со присутниот бакар сулфид. На тој начин се добива суров бакар кој не е сосема чист, а неговото натамошно прочистување се врши со електролиза при што суровиот бакар служи како позитивна електрода (анода), а катодата е од сосема чист бакар. Двете електроди се потопени во раствор од CuSO<sup>4</sup> кој содржи и сулфурна киселина и натриум хлорид. Кога низ ќелијата за електролиза ќе се пропушти еднонасочна струја, материјалот од анодата се раствора, давајќи Cu<sup>2+</sup> кони во растворот. Од друга страна, на негативната електрода, овие јони примаат електрони, се разелектризираат и врз катодата се таложи чист, т.е. електролитички бакар. Златото кое вообичаено го придружува бакарот паѓа под анодата, а ако е просутно и сребро, тоа образува нерастворлив сребро хлорид. Истото се случува и со платината, ако и таа е присутна. Така се образува т.н. анодна тиња која е извор за добивање злато, сребро и платина.
Концентрацијата на бакар во рудите во просек изнесува само 0,6%, а повеќето комерцијални руди се сулфиди, особено халкопирит (CuFeS<sub>2</sub>), борнит (Cu<sub>5</sub>FeS<sub>4</sub>) и, во помала мера, ковелит (CuS) и халкоцит (Cu<sub>2</sub>S). Овие минерали се концентрирани од растурени руди на ниво од 10-15% бакар со флотација или биоекстрахирање. Загревањето на овој материјал со силициум диоксид со топење го отстранува поголемиот дел од железото како остаток. Процесот ја искористува големата леснотија на претворање на сулфиди на железо во оксиди, кои пак реагираат со силициум диоксид за да формираат силикатен остаток кој плови на врвот на загреаната маса. Резултантниот ''бакар мат,'' кој се состои од Cu<sub>2</sub>S, се пече за да се претворат сите сулфиди во оксиди::2 Cu<sub>2</sub>S + 3 O<sub>2</sub> → 2 Cu<sub>2</sub>O + 2 SO<sub>2</sub>
Побојниот оксид се претвора во ''блистер'' бакар при загревање:
:2 Cu<sub>2</sub>O → 4 Cu + O<sub>2</sub>
Судбериевиот процес во металургијата претвора само половина од сулфидот во оксид и потоа се користи овој оксид за отстранување на остатокот на сулфур како оксид. Тогаш е електролитички рафиниран и анодната кал е експлоатирана за платината и златото кои ги содржи. Овој чекор го експлоатира релативно лесното намалување на бакарни оксиди на бакарни метали. Природниот гас се разнесува низ блистер за да се отстрани поголемиот дел од преостанатиот кислород и се изведува електроразладување на добиениот материјал за да се произведе чист бакар::Cu<sup>2+</sup> + 2 e<sup>−</sup> → Cu
2.3 Рециклирање
Како алуминиум, бакарот може да се рециклира без никакво губење на квалитетот, како од сурова состојба, така и од произведени производи. Во обемот, бакар е трет најмногу рециклиран метал по железо и алуминиум. Се проценува дека околу 80% од сиот бакар досега ископан денес сè уште се користат. Според извештајот на Меѓународниот ресурсен панел за метални резерви во општеството, глобалната залиха на бакар во употреба во општеството е 35–55кг. по глава на жител. Повеќето е во поразвиените земји (140–300кг по глава на /жител), а во помалку развиените земји (30–40кг по глава на жител).
Процесот на рециклирање на бакар е приближно ист како што се користи за екстракција на бакар, но бара помалку чекори. Отпадниот бакар со висока чистота се топи во печка, а потоа се редуцира и оформува во прачки и плочки; отпадот со ниска чистота се пречистува со галванизација во бања со сулфурна киселина
3 Легури
Формирани се бројни бакарни легури, многу од нив со важни употреби. Месинг е легура на бакар и цинк. Бронза обично се однесува на бакар-калај легури, но може да се однесува на било која легура на бакар, како што е алуминиум бронза. Бакар е еден од најважните состојки на сребрените и каратните златни спојки што се користат во индустријата за накит, модифицирање на бојата, тврдоста и топењето на добиените легури. Некои безоловни заварувачи се калајски легурирани со мал дел од бакар и други метали.
Легурата на бакар и никел, наречена купроникел, се користи во монетите со ниска деноминација, често за надворешната обвивка. Монета од пет центи (во моментов се нарекува ''nickel'') се состои од 75% бакар и 25% никел во хомогена композиција. Легурата од 90% бакар и 10% никел, извонредна за неговата отпорност кон корозија, се користи за разни предмети изложени на морска вода, иако е ранлива за сулфидите што понекогаш се наоѓаат во загадени пристаништа и устија. Легурите од бакар со алуминиум (околу 7%) имаат златна боја и се користат во украси.''Шакудо'' е јапонска декоративна легура на бакар која содржи низок процент на злато, обично 4-10%, што може да патинира до темносина или црна боја.
4 Соединенија
Бакар формира богата разновидност на соединенија, обично со оксидациски состојби +1 и +2, кои честопати се нарекуваат ''бакарни.'' Бакарни соединенија, без разлика дали се органски комплекси или органометали , промовираат или катализираат бројни хемиски и биолошки процеси.
4.1 Бинарни соединенија
Како и кај другите елементи, наједноставните соединенија на бакар се бинарни соединенија, односно оние кои содржат само два елемента, главни примери се оксиди, сулфиди и халиди. И двата бакар(I) оксид и бакар(II) оскид се познати. Меѓу бројните бакар сулфиди, важни примери се бакар(I) сулфид и бакар(II) сулфид.
Бакар(I) халиди (со хлор, бром и јод) се познати, како и бакар(II) халиди со флуор, хлор и бром. Обидите да се подготви бакар(II) јодид даваат само бакар јодид и јод.:2 Cu<sup>2+</sup> + 4 I<sup>−</sup> → 2 CuI + I<sub>2</sub>
4.2 Координативна хемија
Бакар формира координатни комплекси со лиганди. Во воден раствор, бакар(II) постои како [Cu(H<sub>2</sub>O)<sub>6</sub>]<sup>2+</sup>. Овој комплекс го покажува најбрзиот девизен курс на вода (брзина на прицврстување и одвојување на водени лиганди) за било кој транзициски метало аква комплекс. Додавањето на воден натриум хидроксид предизвикува преципитација на светлосиниот цврст бакар(II) хидроксид. Поедноставената равенка е:
:Cu<sup>2+</sup> + 2 OH<sup>−</sup> → Cu(OH)<sub>2</sub>
Воден амонијак резултира со истиот талог. По додавањето вишок амонијак, талогот се раствора, формирајќи тетрааминобакар(II):
:Cu(H<sub>2</sub>O)<sub>4</sub>(OH)<sub>2</sub> + 4 NH<sub>3</sub> → [Cu(H<sub>2</sub>O)<sub>2</sub>(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>]<sup>2+</sup> + 2 H<sub>2</sub>O + 2 OH<sup>−</sup>
Многу други оксианјони формираат комплекси; овие вклучуваат бакар(II) ацетат, бакар(II) нитрат и бакар(II) карбонат. Бакар(II) сулфат формира син кристален пентахидрат, најзастапено бакарно соединение во лабораторијата. Се користи во фунгицид наречен мешавина на Бордокс.
Полиоли, соединенија кои содржат повеќе од една алкохолна функционална група, генерално се во интеракција со бакарни соли. На пример, бакарни соли се користат за тестирање за намалувачки шеќери. Поточно, со користење на реагенсот на Бенедикт и Фелинговиот раствор присуството на шеќер е сигнализирано со промена на бојата од синиот Cu(II) до црвениот бакар(I) оксид. Реагенсот на Schweizer и сродните комплекси со етилендиамин и други амини раствораат целулоза. Аминокиселините формираат многу стабилни хелатни комплекси со бакар(II). Постојат многу влажни хемиски тестови за бакарни јони, од кои едниот вклучува калиум фероцијанид, кој дава кафеав талог со бакарни (II) соли.
4.3 Органобакарска хемија
Соединенија кои содржат јаглерод-бакар врска се познати како органобакарни соединенија. Тие се многу реактивни кон кислородот за да формираат бакар(I) оксид и имаат многу употреби во хемијата. Тие се синтетизираат со третирање на бакар(I) соединенија со Григнал реагенси, терминални алкини или органолитни реагенси; Особено, последната опишана реакција создава реагенс на Гилман. Тие можат да бидат заменети со алкилни халиди за да формираат производи за спојување; како такви, тие се важни во областа на органската синтеза. Бакар(I) ацетилид е високо чувствителен на удар, но е полупроизвод во реакциите како што е спојувањето на Кадиот-Ходкевич и спојувањето на Сонагошира. Коњугатното додавање на енони и карбокурацијата на алкини исто така, може да се постигне со органобакарни соединенија. Бакар(I) формира различни слаби комплекси со алкени и јаглерод моноксид, особено во присуство на аминални лиганди.
4.4 Бакар(III) и бакар(IV)
Бакар(III) најчесто се наоѓа во оксиди. Едноставен пример е калиум купрат, KCuO<sub>2</sub>, кој е сино-црн и цврст Најшироко проучуваните бакарни (III) соединенија се купратни суперпроводници. Итриум бариум бакар оксид (YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>) се состои од Cu (II) и Cu (III) центри. Како оксид, флуоридот е високо основен анјон и е познат да ги стабилизира металните јони во високи оксидациски состојби. И бакар(III), па дури и бакар(IV) флуориди се познати, K<sub>3</sub>CuF<sub>6</sub> и Cs<sub>2</sub>CuF<sub>6</sub>, соодветно.
Некои бакарни белковини формираат оксо комплекси, кои исто така имаат бакар(III). Со тетрапептиди, комплексите од бакар(III) со пурпурна боја се стабилизираат со депротонирани амидни лиганди.
Комплексите на бакар(III), исто така, се наоѓаат како посредници во реакциите на органобакарни соединенија. На пример, во реакцијата на Караш-Сосновски.
5 Историја
Временската рамка на бакар илустрира како металот ја има напредната човечка цивилизација во изминатите 11.000 години.
5.1 Праисторија
5.1.1 Бакарнко време
Бакар се јавува природно како самороден метален бакар и бил познат на некои од најстарите цивилизации. Историјата на употребата на бакар датира од 9000 г. п.н.е. на Блискиот Исток; Бакарен приврзок беше пронајден во северен Ирак кој датира од 8700 г. п.н.е. Доказите сугерираат дека злато и метеорично железо (но не и топено железо) биле единствените метали што ги користеле луѓето пред бакар. Се смета дека историјата на бакарната металургија ја следи оваа низа: прво, ладното работење на самороден бакар, потоа жарење, топење и, конечно, восочно лиење. Во југоисточната Анадолија, сите четири техники се појавуваат повеќе или помалку истовремено на почетокот на неолитот 7500 г. п.н.е.
Топењето на бакарот е независно измислено на различни места. Веројатно било откриено во Кина пред 2800 г. п.н.е., во Средна Америка околу 600 г. н.е., и во западна Африка околу 9 или 10 век од н.е. Инвестирачкото лиење е измислено во 4500-4000 г. п.н.е. во Југоисточна Азија, а јаглеродното датирање воспостави рударство во Алдерли Еџ во Чешир, Велика Британија, во периодот од 2280 до 1890 г. п.н.е. Отзи Ледениот-човек, маж кој датира од 3300-3200 г. п.н.е., беше пронајден со секира со бакарна глава 99,7% чиста; високите нивоа на арсен во косата укажуваат на вклучување во топење на бакар. Искуството со бакар помогна во развојот на други метали; особено, топењето на бакар доведе до откривање на топење на железо. Производството во стариот комплекс за бакар во Мичиген и Висконсин е датиран помеѓу 6000 и 3000 г. п.н.е.<ref>Плегер, Томас Ц. "Краток вовед во стариот бакар комплекс на западните големи езера: 4000-1000 п.н.е.", '''', Оконто, Висконсин, 5 октомври 2002 година, стр. 10-18. Фабриката за тутун лесно ги апсорбира и акумулира тешките метали, како што е бакар од околното тло во лисјата. Тие лесно се апсорбираат во телото на корисникот по вдишување на чад. Здравствените импликации не се јасни.
9 Галерија
10 Поврзано
*Бакар наночестички
*Ерозија корозија на бакарни цевки
**Ладна вода во бакарна цевка
*Список на земји со производство на бакар
*Метална кражба
**Операција Тремор
*Топилница
*Пик бакар
**Anaconda Copper
**Антофагаста Саладин
**рудник Бингам Кањон
**Codelco
**Грасберг рудник
**Ел Болео рудник
11 Наводи
12 Белешки
+ Дијаграми на Pourbaix за бакар
во чиста вода, или кисели или алкални услови. Бакар во неутрална вода е повеќе благороден од водород., во вода која содржи сулфид, во 10 М раствор на амонијак, во раствор за хлорид
13 Дополнителна литература
*
*
* Тековна медицинска хемија, том 12, број 10, мај 2005, стр. 1161-1208 (48) метали, токсичност и оксидативен стрес
*
* , MEMS и Нанотехнолошки центар за клиринг.
*
* : инстантен увид од Кралското друштво за хемија
14 Надворешни врски
*
* на ''Периодниот систем на видеа'' (Универзитет во Нотингем)
* од Националниот загадувачки залихи на Австралија
* од Центарот за контрола на болести и превенција Националниот институт за безбедност и здравје при работа
* од Центарот за контрола на болести и превенција Националниот институт за безбедност и здравје при работа
* - официјално мрежно место на Здружението за развој на бакар со широк простор за својства и употреби на бакар
** - исто така управувана од Здружението за развој на бакар; посветен на месинг , бакарна легура.
*