Kupfergeschichte, Eigenschaften, Struktur, Verwendungen, biologisches Papier

Er Kupfer Es handelt. Es ist charakterisiert und unterschieden, indem es ein rot-orangefarbenes Metall ist, sehr duktil und formbar und auch ein großer Leiter für Strom und Wärme ist.

In seiner metallischen Form wird es als primäres Mineral in Basaltgesteinen gefunden. In der Zwischenzeit rostig in schwefelförmigen Verbindungen (solche mit der höchsten Ausbeutung von Bergbau), Arseniuros, Chloriden und Carbonaten; das heißt eine große Kategorie von Mineralien.

Wecker aus Kupfer. Quelle: Pixabay.

Unter den Mineralien, die enthalten, kann es erwähnt werden, Calcocit, Chalcopyrit, Steil, Couprita, Malachit und Azure. Kupfer ist auch in Algenasche, Meereskorallen und Arthropoden vorhanden.

Dieses Metall hat eine Fülle von 80 ppm in der Erdkruste und eine durchschnittliche Konzentration im Meerwasser von 2,5 ∙ 10^-4 mg/l. In der Natur wird es als zwei natürliche Isotope dargestellt: ⁶³Cu mit einer Fülle von 69,15 %und der ⁶⁵Cu mit einer Fülle von 30,85%.

Es gibt Hinweise darauf, dass Kupfer in 8000 bis 8000 gegossen wurde. C. Und Legierung mit Zinn, um die Bronze zu bilden, in 4000 bis. C. Es wird angenommen, dass nur meteorische Eisen und Gold es als die ersten Metalle vorausgehen. Es ist daher gleichbedeutend mit archaischer und orange Helligkeit gleichzeitig.

Kupfer wird hauptsächlich für die Ausarbeitung von Kabeln für das Fahren von Strom in Elektromotoren verwendet. Solche Kabel, kleine oder große, Make -up -Maschinen oder Industriegeräte und im Alltag.

Kupfer interveniert in der elektronischen Transportkette, die die ATP -Synthese ermöglicht; Hauptenergieverbindung von Lebewesen. Es handelt.

Darüber hinaus entspricht Kupfer Hämocyanin eine Rolle beim Sauerstofftransport in einigen Arachniden, Krebstieren und Mollusken, die dem von Eisen in Hämoglobin hergestellt sind.

Trotz aller vorteilhaften Handlungen für den Menschen kann Kupfer, wenn er sich im menschlichen Körper ansammelt, der Fall bei Wilsons Krankheit, unter anderem Leberzirrhose, Hirnstörungen und Augenschäden verursachen.

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Geschichte

Kupferzeitalter

Das einheimische Kupfer wurde zur Ausarbeitung von Artefakten als Ersatz für den Stein im Neolithikum verwendet, wahrscheinlich zwischen den Jahren 9000 und 8000 bis 8000 bis. C. Kupfer ist eine der ersten Metalle, die vom Menschen verwendet werden, nachdem Eisen in Meteoriten und Gold vorhanden sind.

Es gibt Hinweise auf die Verwendung des Bergbaus zur Erlangung von Kupfer in 5000 bis. C. Bereits für ein früheres Datum wurden Kupferartikel gebaut; Dies ist der Fall einer Steigung, die im Irak 8700 bis zu. C.

Wiederum wird angenommen, dass Metallurgie in Mesopotamien (aktuellem Irak) in 4000 zu geboren wurde. C., Wenn das Metall der Mineralien unter Verwendung von Feuer und Kohle reduziert wurde. Dann legierte Kupfer absichtlich mit Zinn, um Bronze zu produzieren (4000 bis. C.).

Einige Historiker weisen auf ein Kupferzeitalter hin, das sich chronologisch zwischen dem Neolithikum und der Bronzezeit befinden würde. Anschließend ersetzte die Eisenzeit die von Bronze zwischen 2000 und 1000 bis 1000 bis. C.

Bronzezeit

Die Bronzezeit begann 4000 Jahre, nachdem das Kupfer schmelzen konnte. Bronzeartikel des Vinca -Kulturdatums von 4500 bis. C.; Während in Sumeria und Ägypten gibt es 3000 Jahre lang ausgearbeitete Bronzeobjekte. C.

Die Verwendung von radioaktivem Kohlenstoff hat es ermöglicht, die Existenz von Kupferabbau in Alderley Edge, Cheshire und Großbritannien zwischen den Jahren 2280 und 1890 festzustellen. C.

Es kann angemerkt werden, dass Ötzi, der "Ice Man" mit einem geschätzten Datum zwischen 3300 und 3200 bis. C., Ich hatte eine Axt mit einem reinen Kupferkopf.

Die Römer aus dem siebten Jahrhundert bis. C. Sie verwendeten Kupferstücke wie Währung. Julio Cesar verwendete Messingmünzen, Kupferlegierung und Zink. Außerdem wurden Octavios Münzen mit einer Legierung von Kupfer, Blei und Zinn hergestellt.

Produktion und Name

Kupferproduktion im Römischen Reich erreichte 150.000 Tonnen pro Jahr, nur während der industriellen Revolution. Die Römer brachten Zypern 'Kupfer und kennten es als AES Cyprium ("Chipre Metal").

Dann der Begriff in Cuprum degeneriert: Name, der zur Bezeichnung von Kupfer bis 1530 verwendet wurde, wenn der Begriff der englischen Wurzel „Kupfer“ eingeführt wurde, um das Metall zu bezeichnen.

Der große Copper Mountain in Schweden, der vom 10. bis 1992 arbeitete, deckte im 17. Jahrhundert 60% des Europasverbrauchs ab. Das Norddeutsche Affinerie -Werk in Hamburg (1876) war das erste moderne Galvanoplastikwerk, das Kupfer verwendete.

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Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Kupfer ist ein glänzendes orange rotes Metall, während die meisten nativen Metalle grau oder silber sind.

Atomnummer (z)

29

Atomares Gewicht

63.546 u

Schmelzpunkt

1.084.62 ºC

Gemeinsame Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefeldioxid sind in geschmolzenem Kupfer löslich und beeinflussen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Metall, wenn sie gefestigt werden.

Siedepunkt

2.562 ºC

Dichte

- 8,96 g/ml bei Raumtemperatur.

- 8,02 g/ml am Schmelzpunkt (Flüssigkeit).

Beachten Sie, dass die Dichte zwischen der festen und flüssigen Phase keine beträchtliche Abnahme der Dichte gibt. Beide repräsentieren sehr dichte Materialien.

Fusionshitze

13,26 kJ/mol.

Verdampfungswärme

300 kJ/mol.

Molkalorienkapazität

24.44 J/(Mol ∙ K).

Wärmeausdehnung

16,5 µm/(m ∙ k) bei 25 ° C.

Wärmeleitfähigkeit

401 w/(m ∙ k).

Elektrischer widerstand

16,78 Ω ° M bis 20 ° C.

Elektrische Leitfähigkeit

59,6 ∙ 10⁶ IHR.

Kupfer präsentiert eine sehr hohe elektrische Leitung, die nur durch die von La Plata übertroffen wird.

Mohs Härte

3.0.

Es ist daher ein weiches und auch ziemlich duktiles Metall. Widerstand und Härte erhöhen sich durch kalte Arbeit aufgrund der Bildung von länglichen Kristallen derselben Kubikstruktur, die auf dem in Kupfer vorhandenen Gesicht zentriert sind.

Chemische Reaktionen

Kupferflammversuch, der durch die Farbe seiner bläulich grünen Flamme identifiziert wird. Quelle: SWN (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: flametest-co-cu.Swn.JPG)

Kupfer reagiert nicht mit Wasser, sondern mit atmosphärischem Sauerstoff und bedeckt eine Schicht aus schwarzem Grindoxid, die den darunter liegenden Metallschichten Korrosionsschutz bietet:

2cu (s) + o₂(g) → 2Cuo

Kupfer ist in verdünnten Säuren nicht löslich, reagiert jedoch mit heißen und konzentrierten Schwefel- und Salpetersäuren. Es ist auch in Ammoniak in wässriger Lösung und in Kaliumcyanid löslich.

Sie können atmosphärische Luftwirkung und Meerwasser widerstehen. Die längere Ausstellung führt jedoch zur Bildung einer feinen grünen Beschützerschicht (Skate).

Die vordere Schicht ist eine Mischung aus Kupfer -Carbonat und Sulfat, die in alten Gebäuden oder Skulpturen wie der New York Freedom Statue beobachtet wird.

Kupfer reagiert die rote Erwärmung mit Sauerstoff, um Cupric -Oxid (CUO) zu ergeben, und bei höheren Temperaturen kuschelische Oxid (Cu₂ENTWEDER). Es reagiert auch heiß mit Schwefel, um Kupfersulfid zu verursachen. Daher wird es getrübt, wenn es einigen Schwefelverbindungen ausgesetzt ist.

Kupfer Ich brenne mit einer blauen Flamme in einem Flammentest; Während Kupfer II eine grüne Flamme ausgibt.

Elektronische Struktur und Konfiguration

Kupferkristalle kristallisieren in der Kubikstruktur auf Gesichtern (FCC) Gesicht Cenred Cubic). In diesem FCC -Kristall sind Atome dank der metallischen Bindung vereint, die vergleichsweise schwächer ist als andere Übergangsmetalle; Hergestellt in seiner großen Duktilität und einem niedrigen Schmelzpunkt (1084 ºC).

Gemäß elektronischer Konfiguration:

[Ar] 3d¹⁰ 4s¹

Alle 3D -Orbitale sind voller Elektronen, während im 4S -Orbital eine Stelle vorhanden ist. Dies bedeutet, dass 3D -Orbitale nicht in der metallischen Verbindung zusammenarbeiten, die mit anderen Metallen verbunden sind. So überlappen sich Cu -Atome entlang des Glass ihre 4S -Orbitale, um Bänder zu erzeugen, und beeinflussen die relativ schwache Kraft ihrer Wechselwirkungen.

In der Tat ist der resultierende energetische Unterschied zwischen den Elektronen des 3D -Orbitals (voll) und 4S (Samen) für Kupferkristalle verantwortlich, die Photonen des sichtbaren Spektrums absorbieren und ihre charakteristische orange Farbe widerspiegeln.

Kupfer -FCC -Kristalle können unterschiedliche Größen haben, was, je kleiner, das Metallstück stärker ist. Wenn sie sehr klein sind, wird von Nanopartikeln gesprochen, die empfindlich gegenüber Oxidation sind und selektive Anwendungen vorbehalten sind.

Oxidationszahlen

Die erste Anzahl oder Oxidationsstatus, die von Kupfer erwartet werden kann, beträgt +1 nach dem Verlust des Elektrons seines 4S. Indem Sie es in einer Verbindung haben, wird die Existenz des Kation angenommen⁺ (Allgemein als Cuproso bezeichnet).

Dies und die Oxidationszahl +2 (cu²⁺) sind die bekanntesten und reichlich vorhanden für Kupfer; Sie sind im Allgemeinen die einzigen, die an der High School unterrichtet werden. Es gibt jedoch auch Oxidationszahlen +3 (Cu³⁺) und +4 (cu⁴⁺), die nicht so selten sind, wie Sie auf den ersten Blick denken können.

Zum Beispiel die Salze des Cuprato -Anion, Cuo₂^-, Sie repräsentieren Kupferverbindungen (III) oder +3; Dies ist der Fall von Kalium -Couprato, Kcuo₂ (K⁺Cu³⁺ENTWEDER₂^2-).

Das Kupfer kann auch in geringerem Maße und in sehr seltenen Fällen eine negative Oxidationszahl haben: -2 (Cu^2-).

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Wie wird es erhalten?

Rohmaterial

Die am häufigsten verwendeten Mineralien für die Kupferextraktion sind Metallsulfide, hauptsächlich Chalcopyrit (Tassen₂) Und die Bornita (cu₅Fes₄). Diese Mineralien tragen 50% zum gesamten Kupfer bei, das extrahiert wurde. Sie werden auch verwendet, um Kupfer The Calellita (CUS) und Calcocita (CU) zu erhalten₂S).

Zerquetschen und schleifen

Zunächst werden die Gesteine ​​zerkleinert, bis sie 1,2 cm Felsfragmente erhalten. Fahren Sie dann mit einem Schleifen der Gesteinsfragmente fort, bis Partikel von 0,18 mm erhalten wurden. Wasser und Reagenzien werden hinzugefügt, um eine Paste zu erhalten, die dann durchgeführt wird, um ein Kupferkonzentrat zu erhalten.

Floatation

In diesem Stadium werden Blasen gebildet, die Kupfer- und Sulphurized -Mineralien fangen, die im Zellstoff vorhanden sind. Es werden mehrere Schaumsammlungsverfahren durchgeführt, um das Konzentrat zu erhalten, das seine Reinigung fortsetzt.

Reinigung

Um Kupfer von anderen Metallen und Verunreinigungen zu trennen, wird das trockene Konzentrat in speziellen Öfen hohen Temperaturen ausgesetzt. Feuerfeuerkupfer (RAF) wird auf Tafeln ein ungefähres Gewicht von 225 kg geformt, das Anoden ausmacht wird.

Elektrolyse

Die Elektrolyse wird bei Kupferverfeinerung verwendet. Die Anoden der Gießerei werden zur Verfeinerung in Elektrolytzellen gebracht. Das Kupfer bewegt sich in die Kathode und Verunreinigungssediment am Boden der Zellen. In diesem Prozess werden Kupferkathoden mit 99,99% Reinheit erhalten.

Kupferlegierungen

Bronze

Bronze ist eine Legierung von Kupfer und Zinn, die Kupfer zwischen 80 und 97% derselben ausmacht. Es wurde zur Herstellung von Waffen und Utensilien verwendet. Es wird derzeit bei der Ausarbeitung mechanischer Teile verwendet, die gegen Reiben und Korrosion bestehen.

Darüber hinaus wird es für den Bau von Musikinstrumenten wie Glocken, Gongs, Gerichten, Saxophonen und Fäden von Harfen, Gitarren und Klavier verwendet.

Messing

Messing ist eine Kupfer- und Zinklegierung. In industriellen BHs beträgt der Zink -Prozentsatz weniger als 50%. Es wird bei der Ausarbeitung von Metallbehältern und Strukturen verwendet.

Monel

Monel-Legierung ist eine Legierung von Nickel-Kober, mit einem Verhältnis von 2: 1 zwischen Nickel und Kupfer. Es ist korrosionsbeständig und wird in Wärmetauschern, Stangen und Linsenbögen verwendet.

Konstatan

Die Überprüfung ist eine Legierung, die aus 55% Kupfer und 45% Nickel besteht. Es wird zur Herstellung von Münzen verwendet und ist durch konstante Widerstand gekennzeichnet. Auch die Cuproníquel -Legierung wird für die Außenbeschichtung von Münzen mit niedriger Konfession verwendet.

Becu

Copper-Berilio-Legierung hat einen 2% Beryl-Prozentsatz. Diese Legierung kombiniert Stärke, Härte, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung wird üblicherweise in elektrischen Anschlüssen, Telekommunikationsprodukten, Komponenten kleiner Computer und Federn verwendet.

Die Werkzeuge wie Schlüssel, Schraubendreher und Hämmer, die an Öl- und Kohleminen verwendet werden, haben die BEC -Initialen als Garantie dafür, dass sie keine Funken produzieren.

Andere

90% Silberlegierung und 10% Kupfer wurden in Währungen verwendet, bis 1965, als die Verwendung von Silber in allen Währungen beseitigt wurde, mit Ausnahme der Währung des halben Dollars.

Kupfer und 7% Aluminiumlegierung haben goldene Farbe und werden in der Dekoration verwendet. In der Zwischenzeit ist der Shakudo eine japanische dekorative Legierung von Kupfer und Gold in niedrigem Prozentsatz (4 bis 10%).

Anwendungen

Elektrische Verkabelung und Motoren

Kupfer elektrische Verkabelung. Quelle: Scott Ehardt [Public Domain]

Kupfer aufgrund seiner hohen elektrischen und niedrigen Kosten ist das bevorzugte Metall für die Verwendung in der elektrischen Verkabelung. Das Kupferkabel wird in den unterschiedlichen Stromstadien verwendet, wie z. B. Strom, Übertragung, Verteilung usw.

50% des in der Welt produzierten Kupfers werden in der Ausarbeitung von elektrischen Kabeln und Drähten aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, Leichtigkeit des Drahtes (Duktilität), Resistenz gegen Deformation und Korrosion verwendet.

Kupfer wird auch zur Ausarbeitung integrierter Schaltungen und gedruckter Schaltkreisplatten verwendet. Das Metall wird aufgrund seiner hohen thermischen Leitung in Wärme und Wärmetauschern verwendet, was die Wärmeabteilung erleichtert.

Kupfer wird in Elektromagneten, Vakuumrohren, Kathoden und Magnetronen -Röhrchen von Mikrowellenöfen verwendet.

Ebenso wird es beim Bau von Elektromotoren und -Systemen verwendet.

Konstruktion

Kupfer wurde aufgrund seiner Beständigkeit gegen Korrosion und atmosphärischer Luftwirkung schon lange auf den Dächern des Hauses, Doping, Kuppeln, Türen, Fenstern usw. eingesetzt.

Es wird derzeit in der Auskleidung der Wände und dekorativen Gegenstände wie Badzubehör, Türen und Lampen verwendet. Darüber hinaus wird es in antimikrobiellen Produkten verwendet.

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Bioestatische Aktion

Kupfer verhindert, dass zahlreiche Lebensformen nicht auf ihm wachsen können. Es wurde in Blättern verwendet, die im unteren Teil der Boote der Schiffe platziert wurden, um das Wachstum von Mollusken wie Muscheln sowie die Perklabes zu verhindern.

Kupferbasierte Gemälde werden derzeit für den oben genannten Schutz von Schiffen verwendet. Metallic Kupfer kann zahlreiche Bakterien durch Kontakt neutralisieren.

Sein Wirkungsmechanismus, der auf seinen ionischen, ätzenden und physikalischen Eigenschaften basiert, wurde untersucht. Die Schlussfolgerung war, dass das Oxidationsverhalten von Kupfer zusammen mit den Löslichkeitseigenschaften seiner Oxide die Faktoren sind, die dazu führen, dass metallisches Kupfer antibakteriell ist.

Metallic Kupfer wirkt auf einige Stämme von UND. coli, S. aureus Und Clostridium difficile, Virus der Gruppe A, Adenovirus und Pilze. Daher wurde es prognostiziert, Kupferlegierungen zu verwenden, die mit den Händen von Passagieren in verschiedenen Transportmitteln in Kontakt stehen.

Nanopartikel

Die antimikrobielle Wirkung von Kupfer wird weiter verstärkt, wenn ihre Nanopartikel verwendet werden, die sich für endodontische Behandlungen als nützlich erwiesen haben.

Ebenso sind Kupfer -Nanopartikel hervorragende Adsorbentien, und da sie orange sind, stellt eine Farbänderung in ihnen eine latente kolorimetrische Methode dar. Zum Beispiel entwickelt.

Biologisches Papier

In der elektronischen Transportkette

Kupfer ist ein wesentliches Element für das Leben. Intervenes in die elektronische Transportkette, die Teil des IV -Komplexes ist. In diesem Komplex wird der letzte Schritt der elektronischen Transportkette durchgeführt: die Verringerung des Sauerstoffmoleküls zur Bildung von Wasser.

Der IV -Komplex besteht aus zwei Gruppen, einem Cytochrom A, einem Cytochrom zu₃, sowie zwei Cen -Zentren; einer nannte Cua und der andere Cub. Das Cytochrom a₃ und CUB bilden ein binukleäres Zentrum, in dem die Sauerstoffreduktion zum Wasser auftritt.

In diesem Stadium geht die Cu von ihrem Oxidationszustand +1 auf +2 und verleiht dem Sauerstoffmolekül Elektronen. Die elektronische Transportkette verwendet Nadh und Fadh₂, Aus dem Krebszyklus als Elektronendonoren, mit denen es einen elektrochemischen Wasserstoffgradienten erzeugt.

Dieser Gradient dient als Energiequelle für die Erzeugung von ATP in einem Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bekannt ist. Also und letztendlich ist das Vorhandensein von Kupfer für die Produktion von ATP in eukaryotischen Zellen erforderlich.

Im Enzym -Superoxiddysmutase

Kupfer ist Teil der Enzym -Superoxiddysmutase, Enzym, die die Zersetzung des Superoxidions katalysiert (oder₂^-), Giftige Verbindung für Lebewesen.

Supmutasa Supplias katalysiert die Zersetzung des Superoxidions, um es in Sauerstoff und/oder Wasserstoffperoxid zu verwandeln.

Dysmutase -Superoxid kann eine Kupferreduktion verwenden, um das Sauerstoff -Superoxid zu oxidieren oder eine Kupferoxidation zu einem Wasserstoffperoxid aus Superoxid bilden kann.

In Hämocyanin

Hämocyanin ist ein Protein, das im Blut einiger Arachnids, Krebstiere und Mollusken vorhanden ist. Es erfüllt eine ähnliche Funktion wie Hämoglobin bei diesen Tieren, aber anstatt Eisen am Sauerstofftransport zu haben, hat es Kupfer.

Hämocyanin hat zwei Kupferatome an seinem aktiven Ort. Aus diesem Grund ist die Farbe von Hämocyanin grünlichblau. Kupfermetallzentren sind nicht in direktem Kontakt, aber sie haben einen nahe gelegenen Standort in der Nähe. Das Sauerstoffmolekül wird zwischen den beiden Kupferatomen durchsetzt.

Konzentration im menschlichen Körper

Der menschliche Körper enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Cu/kg Körpergewicht. Das Kupfer wird im Dünndarm absorbiert und dann in die Leber gebracht, die am Albumin angebracht ist. Von dort wird Kupfer zum Rest des menschlichen Körpers transportiert, der an das Plasma -Protein -Ceruloplasmin gebunden ist.

Überschüssiges Kupfer wird durch die Galle ausgeschieden. In einigen Fällen akkumuliert sich Kupfer im Körper jedoch wie bei der Wilson -Krankheit, und zeigt toxische Wirkungen von Metall, die das Nervensystem, die Nieren und die Augen beeinflussen.

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