CUPRU: ISTORIE, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI, ROL BIOLOGIC - CHIMIE - 2025

Cuprul este un metal de tranziție aparținând grupului 11 din tabelul periodic și este reprezentat prin simbolul chimic Cu. Se caracterizează și se remarcă prin faptul că este un metal roșu-portocaliu, foarte ductil și maleabil, fiind, de asemenea, un mare conductor de electricitate și căldură.

În forma sa metalică se găsește ca un mineral primar în rocile bazaltice. Între timp, este oxidat în compuși sulfuroși (cei cu o exploatare mai mare a mineritului), arsenide, cloruri și carbonate; adică o categorie vastă de minerale.

Ceas cu alarmă din cupru. Sursa: Pixabay.

Printre mineralele care o conțin, putem menționa calcocitul, calcopiritul, bornita, cuprita, malachitul și azuritul. Cuprul este prezent și în cenușa algelor, în coralii marini și în artropode.

Acest metal are o abundență de 80 ppm în scoarța terestră și o concentrație medie în apa de mare de 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. În natură apare ca doi izotopi naturali: ⁶³ Cu, cu o abundență de 69,15% și ⁶⁵ Cu, cu o abundență de 30,85%.

Există dovezi că cupru a fost topit în 8000 î.Hr. C. și aliat cu staniu pentru a forma bronzul, în 4000 î.Hr. C. Se consideră că doar fierul și aurul meteorice îl preced ca primele metale folosite de om. Astfel, este sinonim cu strălucirea arhaică și portocalie în același timp.

Cuprul este utilizat în principal la fabricarea cablurilor pentru conducerea energiei electrice în motoarele electrice. Astfel de cabluri, mici sau mari, alcătuiesc utilaje sau dispozitive în industrie și în viața de zi cu zi.

Cuprul este implicat în lanțul de transport electronic care permite sinteza ATP; principalul compus energetic al ființelor vii. Este un cofactor al superoxidului dismutaza: o enzimă care degradează ionul superoxid, un compus extrem de toxic pentru ființele vii.

În plus, cuprul joacă un rol în hemocianină în transportul oxigenului în unele arahnide, crustacee și moluște, care este similar cu cel realizat de fier în hemoglobină.

În ciuda tuturor acțiunilor sale benefice pentru om, atunci când cuprul se acumulează în corpul uman, cum este cazul bolii Wilson, poate provoca ciroza hepatică, tulburări ale creierului și leziuni ale ochilor, printre alte modificări.

Istorie

Vârsta cuprului

Cuprul autohton a fost folosit pentru a face artefacte ca substitut pentru piatră în Neolitic, probabil între 9000 și 8000 î.Hr. C. Cuprul este unul dintre primele metale utilizate de om, după fierul prezent în meteoriți și aur.

Există dovezi despre utilizarea mineritului în obținerea cuprului în anul 5000 î.Hr. C. Deja pentru o dată anterioară, s-au construit articole de cupru; este cazul unui cercel realizat în Irak, estimat la 8700 î.Hr. C.

La rândul său, se crede că metalurgia s-a născut în Mesopotamia (acum Irak) în 4000 î.Hr. C., când a fost posibilă reducerea metalului mineralelor prin utilizarea focului și a cărbunelui. Ulterior, cuprul a fost aliat intenționat cu staniu pentru a produce bronz (4000 î.Hr.).

Unii istorici indică o epocă a cuprului, care ar fi situată cronologic între neolitic și epoca bronzului. Mai târziu, epoca fierului a înlocuit epoca bronzului între 2000 și 1000 î.Hr. C.

Epoca de bronz

Epoca bronzului a început la 4000 de ani de la topirea cuprului. Articole din bronz din cultura Vinca datează din 4500 î.Hr. C .; în timp ce în Sumeria și Egipt există obiecte din bronz realizate cu 3000 de ani î.Hr. C.

Utilizarea carbonului radioactiv a stabilit existența mineritului de cupru în Alderley Edge, Cheshire și Regatul Unit, între anii 2280 și 1890 î.Hr. C.

Se poate remarca faptul că Ötzi, „Omul de gheață”, cu o dată estimată între 3300 și 3200 î.Hr. C., avea un topor cu un cap de cupru pur.

Romanii din secolul al VI-lea î.Hr. Au folosit bucăți de cupru ca monedă. Julius Cezar a folosit monede din alamă, cupru și aliaj de zinc. Mai mult, monedele lui Octavian au fost realizate cu un aliaj de cupru, plumb și staniu.

Producție și nume

Producția de cupru în Imperiul Roman a ajuns la 150.000 de tone pe an, cifră depășită doar în timpul Revoluției industriale. Romanii au adus cupru din Cipru, cunoscându-l drept aes Cyprium („metal din Cipru”).

Ulterior, termenul a degenerat în cuprum: nume folosit pentru a desemna cupru până în anul 1530, când a fost introdus termenul englezesc „cupru” pentru a desemna metalul.

Marele munte de cupru din Suedia, care a funcționat din secolul al X-lea până în 1992, a acoperit 60% din consumul Europei în secolul al XVII-lea. Uzina La Norddeutsche Affinerie din Hamburg (1876) a fost prima fabrică modernă de galvanizare care a folosit cupru.

Proprietati fizice si chimice

Aspect

Cuprul este un metal lustros portocaliu-roșu, în timp ce majoritatea metalelor native sunt gri sau argintiu.

Număr atomic (Z)

29

Greutate atomica

63.546 u

Punct de topire

1.084,62 ºC

Gazele obișnuite precum oxigenul, azotul, dioxidul de carbon și dioxidul de sulf sunt solubile în cupru topit și afectează proprietățile mecanice și electrice ale metalului atunci când se solidifică.

Punct de fierbere

2,562 ºC

Densitate

- 8,96 g / ml la temperatura camerei.

- 8,02 g / ml la punctul de topire (lichid).

Rețineți că nu există o scădere considerabilă a densității între faza solidă și cea lichidă; ambele reprezintă materiale foarte dense.

Căldură de fuziune

13,26 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

300 kJ / mol.

Capacitate calorică molară

24,44 J / (mol * K).

Expansiune termică

16,5 um / (m * K) la 25 ° C.

Conductivitate termică

401 W / (m ∙ K).

Rezistență electrică

16,78 Ω ∙ m la 20 ° C.

Conductivitatea electrică

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Cuprul are o conducere electrică foarte mare, depășită doar de argint.

Duritate Mohs

3.0.

Prin urmare, este un metal moale și, de asemenea, destul de ductil. Forța și rezistența sunt crescute prin lucrul la rece datorită formării cristalelor alungite a aceleiași structuri cubice centrate pe față, prezente în cupru.

Reacții chimice

Test de flacără de cupru, care este identificat prin culoarea flăcării sale albastru-verde. Sursa: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Cuprul nu reacționează cu apa, dar reacționează cu oxigenul atmosferic, fiind acoperit cu un strat de oxid maro-negru care oferă protecție la coroziune straturilor subiacente ale metalului:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Cuprul nu este solubil în acizi diluate, însă reacționează cu acizii sulfuri și nitriști calzi și concentrați. De asemenea, este solubil în amoniac în soluție apoasă și în cianură de potasiu.

Poate rezista la acțiunea aerului atmosferic și a apei de mare. Cu toate acestea, expunerea sa prelungită duce la formarea unui strat protector verde subțire (patină).

Stratul anterior este un amestec de carbonat și sulfat de cupru, observat în clădiri vechi sau sculpturi, cum ar fi Statuia Libertății din New York.

Cuprul reacționează încălzit la roșu cu oxigen pentru a da oxid de cupru (CuO) și la temperaturi mai ridicate formează oxid cupros (Cu ₂ O). De asemenea, reacționează fierbinte cu sulful pentru a produce sulfură de cupru; prin urmare, devine ceață atunci când este expus unor compuși cu sulf.

Cuprul I arde cu o flacără albastră la un test de flacără; în timp ce cuprul II emite o flacără verde.

Structura și configurația electronică

Cristalele de cupru se cristalizează în structura cubică (fcc) centrată pe față. În acest cristal fcc, atomii de Cu rămân atașați datorită legăturii metalice, care este comparativ mai slabă decât alte metale de tranziție; fapt manifestat prin marea ductilitate și punctul său de topire scăzut (1084 ºC).

Conform configurației electronice:

3d ¹⁰ 4s ¹

Toate orbitalele 3d sunt umplute cu electroni, în timp ce există un post vacant în orbitalul 4s. Aceasta înseamnă că orbitalii 3d nu colaborează la legătura metalică așa cum s-ar aștepta de la alte metale. Astfel, atomii de Cu de-a lungul cristalului se suprapun orbitalelor lor 4 pentru a crea benzi, influențând forța relativ slabă a interacțiunilor lor.

De fapt, diferența energetică rezultată între electronii orbitali 3d (plini) și 4s (pe jumătate plini) este responsabilă pentru cristalele de cupru care absorb fotonii din spectrul vizibil, reflectând culoarea lor portocalie distinctivă.

Cristalele de cupru fcc pot avea dimensiuni diferite, care, cu cât sunt mai mici, cu atât va fi mai puternică piesa de metal. Când sunt foarte mici, atunci vorbim de nanoparticule, sensibile la oxidare și rezervate pentru aplicații selective.

Numere de oxidare

Primul număr sau starea de oxidare care poate fi de așteptat de cupru este +1, din cauza pierderii electronului din orbitalul său 4s. Când îl avem într-un compus, se presupune existența cationului Cu ⁺ (denumit în mod obișnuit ionul cupros).

Acesta și numărul de oxidare +2 (Cu ²⁺ ) sunt cele mai cunoscute și mai abundente pentru cupru; în general sunt singurii învățați la nivelul liceului. Cu toate acestea, există și numerele de oxidare +3 (Cu ³⁺ ) și +4 (Cu ⁴⁺ ), care nu sunt atât de rare cum s-ar putea crede la prima vedere.

De exemplu, sărurile anionului cuprat, CuO ₂ ^- , reprezintă compuși cu cupru (III) sau 3; acesta este cazul cupratului de potasiu, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

De asemenea, cupru, deși într-o măsură mai mică și în cazuri foarte rare, poate avea un număr de oxidare negativ: -2 (Cu ^2- ).

Cum se obține

Materii prime

Mineralele cele mai utilizate pentru extracția cuprului sunt sulfurile metalice, în principal calcopiritul (CuFeS ₂ ) și bornita (Cu ₅ FeS ₄ ). Aceste minerale contribuie cu 50% din totalul cuprului extras. Calellite (CuS) și chalcocite (Cu ₂ S) sunt de asemenea utilizate pentru a obține cupru .

Zdrobirea și măcinarea

Inițial rocile sunt zdrobite pentru a obține fragmente stâncoase de 1,2 cm. Apoi se continuă cu măcinarea fragmentelor stâncoase, până la obținerea de particule de 0,18 mm. Se adaugă apă și reactivi pentru a obține o pastă, care este apoi plutită pentru a obține un concentrat de cupru.

Plutire

În această etapă, se formează bule care captează mineralele de cupru și sulf care sunt prezente în pulpă. Se realizează mai multe procedee pentru colectarea spumei, uscarea acesteia pentru a obține concentratul care continuă purificarea acesteia.

Purificare

Pentru a separa cuprul de alte metale și impurități, concentratul uscat este supus la temperaturi ridicate în cuptoare speciale. Cupru rafinat (RAF) este turnat în plăci cu o greutate de aproximativ 225 kg care vor constitui anodi.

Electroliză

Electroliza este utilizată la rafinarea cuprului. Anodii din topitorie sunt duși în celule electrolitice pentru rafinare. Cuprul călătorește la catod și impuritățile se instalează în partea de jos a celulelor. În acest proces se obțin catode de cupru cu o puritate de 99,99%.

Aliajele de cupru

Bronz

Bronzul este un aliaj de cupru și staniu, cu cuprul constituind între 80 și 97% din acesta. A fost folosit la fabricarea armelor și a ustensilelor. În prezent este utilizat la fabricarea pieselor mecanice rezistente la frecare și coroziune.

În plus, este utilizat la construcția de instrumente muzicale, precum clopote, gonguri, cipale, saxofoni și coarde de harpe, chitare și pian.

Alamă

Alama este un aliaj de cupru și zinc. În alamele industriale procentul de zinc este mai mic de 50%. Este utilizat la elaborarea containerelor și a structurilor metalice.

Monel

Aliajul Monel este un aliaj nichel-cupru, cu un raport 2: 1 de nichel / cupru. Este rezistent la coroziune și este utilizat la schimbătoare de căldură, tije și arcade de lentile.

Au confirmat

Constatán este un aliaj format din 55% cupru și 45% nichel. Este folosit pentru confecționarea monedelor și se caracterizează prin faptul că are o rezistență constantă. De asemenea, aliajul cupro-nichel este utilizat pentru acoperirea exterioară a monedelor cu denumire mică.

becu

Aliajul de cupru-beriliu are un procent de beriliu de 2%. Acest aliaj combină rezistența, duritatea, conductivitatea electrică și rezistența la coroziune. Aliajul este utilizat în mod obișnuit în conectori electrici, produse de telecomunicații, componente de calculator și arcuri mici.

Instrumente precum cheile, șurubelnițele și ciocanele utilizate pe platformele petroliere și minele de cărbune au inițialele BeCu ca garanție că nu vor produce scântei.

Alte

Argintul de aliaj 90% și cuprul 10% au fost utilizate în monede, până în 1965 când utilizarea argintului a fost eliminată în toate monedele, cu excepția monedei de jumătate de dolar.

7% aliaj de aluminiu de cupru are o culoare aurie și este folosit la decorare. Între timp, Shakudo este un aliaj decorativ japonez din cupru și aur, într-un procent redus (4 până la 10%).

Aplicații

Cablaj electric și motoare

Cablaje electrice din cupru. Sursa: Scott Ehardt

Cuprul datorită conducta electrică ridicată și costul redus este metalul ales pentru utilizarea în cablarea electrică. Cablul de cupru este utilizat în diferitele etape ale energiei electrice, precum generarea de energie electrică, transmisia, distribuția etc.

50% din cupru produs în lume este utilizat la fabricarea cablurilor electrice și a firelor, datorită conductivității electrice ridicate, ușurinței de a forma fire (ductilitate), rezistenței la deformare și coroziunii.

Cuprul este folosit și la fabricarea circuitelor integrate și a plăcilor de circuit imprimat. Metalul este utilizat la chiuvete și schimbătoare de căldură datorită conducerii termice ridicate, care facilitează disiparea căldurii.

Cuprul este utilizat în electromagneti, tuburi de vid, tuburi cu raze catodice și magnetroni în cuptoare cu microunde.

De asemenea, este utilizat la construcția bobinelor motoarelor electrice și a sistemelor care pun în funcțiune motoarele, reprezentând aceste articole în jur de 40% din consumul de energie electrică din lume.

clădire

Cuprul, datorită rezistenței sale la coroziune și a acțiunii aerului atmosferic, a fost folosit mult timp în acoperișurile caselor, coborâtoarelor, cupole, cupole, uși, ferestre etc.

În prezent, este utilizat în placări pentru pereți și obiecte decorative, cum ar fi accesorii pentru baie, mânerele ușilor și lămpi. De asemenea, este utilizat în produsele antimicrobiene.

Acțiune biostatică

Cuprul împiedică numeroase forme de viață să crească deasupra ei. Acesta a fost folosit în foi care au fost așezate pe fundul căștilor navelor pentru a preveni creșterea moluștelor, cum ar fi midii, precum și a barnacilor.

În prezent, vopselele pe bază de cupru sunt folosite pentru protecția menționată mai sus a cojilor navelor. Cupru metalic poate neutraliza multe bacterii la contact.

Mecanismul său de acțiune a fost studiat pe baza proprietăților sale ionice, corozive și fizice. Concluzia a fost că comportamentul oxidant al cuprului, împreună cu proprietățile de solubilitate ale oxizilor săi sunt factorii care determină ca cuprul metalic să fie antibacterian.

Cuprul metalic acționează asupra unor tulpini de E. coli, S. aureus și Clostridium difficile, virusuri de grup A, adenovirusuri și ciuperci. Prin urmare, a fost planificat utilizarea aliajelor de cupru care sunt în contact cu mâinile pasagerilor în diferite mijloace de transport.

Nanoparticulele

Acțiunea antimicrobiană a cuprului este îmbunătățită în continuare atunci când sunt utilizate nanoparticulele sale, care s-au dovedit utile pentru tratamentele endodontice.

De asemenea, nanoparticulele de cupru sunt adsorbanți excelenți și, deoarece sunt portocalii, o schimbare a culorii în ele reprezintă o metodă colorimetrică latentă; de exemplu, dezvoltat pentru detectarea pesticidelor cu ditiocarbamati.

Rolul biologic

În lanțul de transport electronic

Cuprul este un element esențial pentru viață. Este implicat în lanțul de transport electronic, făcând parte din complexul IV. Ultimul pas al lanțului de transport electronic are loc în acest complex: reducerea moleculei de oxigen pentru a forma apă.

Complexul IV este format din două grupuri de hae, un citocrom a, un citocrom a ₃ , precum și două centre de Cu; unul numit CuA și celălalt CuB. Citocromul ₃ și CuB formează un centru binuclear, în care are loc reducerea oxigenului la apă.

În această etapă, Cu trece de la starea sa de oxidare +1 la +2, dând electroni moleculei de oxigen. Lanțul electronic de transport folosește NADH și FADH ₂ , din ciclul Krebs, ca donatori de electroni, cu ajutorul cărora creează un gradient electrochimic de hidrogen.

Acest gradient servește ca sursă de energie pentru generarea de ATP, într-un proces cunoscut sub numele de fosforilare oxidativă. Deci, și în cele din urmă, prezența cuprului este necesară pentru producerea de ATP în celulele eucariote.

În enzimă superoxid dismutaza

Cuprul face parte din enzima superoxid dismutaza, o enzimă care catalizează descompunerea ionului superoxid (O ₂ ^- ), un compus toxic pentru ființele vii.

Superoxid dismutaza catalizează descompunerea ionului superoxid în oxigen și / sau peroxid de hidrogen.

Superoxid dismutaza poate utiliza reducerea cuprului pentru a oxida superoxidul la oxigen sau poate provoca oxidarea cuprului pentru a forma peroxid de hidrogen din superoxid.

În hemocianină

Hemocianina este o proteină prezentă în sângele unor arahnide, crustacee și moluște. Îndeplinește o funcție similară cu hemoglobina la aceste animale, dar în loc să aibă fier la locul transportului de oxigen, are cupru.

Hemocianina are doi atomi de cupru în locul său activ. Din acest motiv, culoarea hemocianinei este albastru-verde. Centrele metalice de cupru nu sunt în contact direct, ci au o locație apropiată. Molecula de oxigen este cuprinsă între cei doi atomi de cupru.

Concentrarea în corpul uman

Corpul uman conține între 1,4 și 2,1 mg de Cu / kg greutate corporală. Cuprul este absorbit în intestinul subțire și este apoi transportat la ficat împreună cu albumina. De acolo, cuprul este transportat în restul corpului uman atașat la proteina plasmatică a ceruloplasminului.

Excesul de cupru este excretat prin bilă. În unele cazuri, însă, cum ar fi în boala Wilson, cuprul se acumulează în organism, manifestând efecte toxice ale metalului care afectează sistemul nervos, rinichii și ochii.

Referințe

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM și colab. (2019). Aplicații ale nanoparticulelor de cupru pentru detectarea colorimetrică a pesticidelor cu ditiocarbamat. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela, & Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanoparticulele de cupru ca potențial agent antimicrobian în dezinfectarea canalelor radiculare: o revizuire sistematică. Revista internațională de odontostomatologie, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Cupru. Recuperat de la: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 septembrie 2018). Proprietățile fizice de cupru beriliu. Recuperat de la: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (03 iulie 2019). Fapte de cupru: proprietăți chimice și fizice. Recuperat de la: thinkco.com
6. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (26 iulie 2019). Cuprul: element chimic. Encyclopaedia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
7. Editor. (10 noiembrie 2018). Calcopirita. Recuperat de la: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Masă periodică: cupru. Recuperat de la: lenntech.com