Das Kupfer ist ein Übergangsmetall, das zur Gruppe 11 des Periodensystems gehört und durch das chemische Symbol Cu dargestellt wird. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es ein rot-orangefarbenes Metall ist, sehr duktil und formbar und gleichzeitig ein hervorragender Strom- und Wärmeleiter ist..
In seiner metallischen Form kommt es als primäres Mineral in Basaltgesteinen vor. In der Zwischenzeit wird es in schwefelhaltigen Verbindungen (solchen mit größerer Ausbeutung im Bergbau), Arseniden, Chloriden und Carbonaten oxidiert. das heißt, eine große Kategorie von Mineralien.
Unter den Mineralien, die es enthalten, können wir Chalkocit, Chalkopyrit, Bornit, Cuprit, Malachit und Azurit erwähnen. Kupfer ist auch in der Asche von Algen, Meereskorallen und Arthropoden enthalten.
Dieses Metall hat eine Häufigkeit von 80 ppm in der Erdkruste und eine durchschnittliche Konzentration im Meerwasser von 2,5 ∙ 10-4 mg / l. In der Natur kommt es als zwei natürliche Isotope vor: 63Cu mit einer Häufigkeit von 69,15% und die 65Cu mit einer Häufigkeit von 30,85%.
Es gibt Hinweise darauf, dass Kupfer 8000 v. Chr. Geschmolzen wurde. 4000 v. Chr. Mit Zinn legiert, um Bronze zu bilden. C. Es wird angenommen, dass nur meteorisches Eisen und Gold ihm als die ersten vom Menschen verwendeten Metalle vorausgehen. Es ist also gleichbedeutend mit archaischem und orangefarbenem Leuchten gleichzeitig..
Kupfer wird hauptsächlich zur Herstellung von Kabeln zur Stromleitung in Elektromotoren verwendet. Solche kleinen oder großen Kabel bilden Maschinen oder Geräte in der Industrie und im Alltag..
Kupfer ist an der elektronischen Transportkette beteiligt, die die Synthese von ATP ermöglicht. hauptsächliche energetische Verbindung von Lebewesen. Es ist ein Cofaktor der Superoxiddismutase: ein Enzym, das das Superoxidion abbaut, eine hochtoxische Verbindung für Lebewesen.
Darüber hinaus spielt Kupfer bei einigen Spinnentieren, Krebstieren und Weichtieren eine Rolle beim Hämocyanin beim Sauerstofftransport, ähnlich der von Eisen im Hämoglobin.
Trotz all seiner vorteilhaften Wirkungen für den Menschen kann Kupfer, wenn es sich im menschlichen Körper ansammelt, wie dies bei Morbus Wilson der Fall ist, unter anderem Leberzirrhose, Hirnstörungen und Augenschäden verursachen..
Artikelverzeichnis
Natives Kupfer wurde verwendet, um Artefakte als Ersatz für Stein im Neolithikum herzustellen, wahrscheinlich zwischen 9000 und 8000 v. C. Kupfer ist nach dem in Meteoriten und Gold enthaltenen Eisen eines der ersten vom Menschen verwendeten Metalle..
Es gibt Hinweise auf die Verwendung des Bergbaus zur Gewinnung von Kupfer im Jahr 5000 v. C. Bereits zu einem früheren Zeitpunkt wurden Kupfergegenstände hergestellt; Dies ist der Fall bei einem im Irak hergestellten Ohrring, der auf 8700 v. Chr. geschätzt wird. C..
Es wird angenommen, dass die Metallurgie 4000 v. Chr. In Mesopotamien (heute Irak) geboren wurde. C., als es möglich war, das Metall der Mineralien durch Verwendung von Feuer und Kohle zu reduzieren. Später wurde Kupfer absichtlich mit Zinn legiert, um Bronze herzustellen (4000 v. Chr.)..
Einige Historiker weisen auf eine Kupferzeit hin, die chronologisch zwischen der Jungsteinzeit und der Bronzezeit liegen würde. Später ersetzte die Eisenzeit die Bronzezeit zwischen 2000 und 1000 v. C..
Die Bronzezeit begann 4000 Jahre nach dem Schmelzen von Kupfer. Bronzegegenstände aus der Vinca-Kultur stammen aus dem Jahr 4500 vor Christus. C.; In Sumeria und Ägypten gibt es Bronzeobjekte, die 3000 Jahre vor Christus hergestellt wurden. C..
Die Verwendung von radioaktivem Kohlenstoff hat die Existenz des Kupferabbaus in Alderley Edge, Cheshire und im Vereinigten Königreich zwischen den Jahren 2280 und 1890 v. Chr. Festgestellt. C..
Es kann festgestellt werden, dass Ötzi, der "Iceman" mit einem geschätzten Datum zwischen 3300 und 3200 v. C. hatte eine Axt mit einem Kopf aus reinem Kupfer.
Die Römer aus dem 6. Jahrhundert vor Christus. Sie verwendeten Kupferstücke als Zahlungsmittel. Julius Caesar verwendete Münzen aus Messing, Kupfer und Zinklegierung. Darüber hinaus wurden Octavios Münzen aus einer Legierung aus Kupfer, Blei und Zinn hergestellt..
Die Kupferproduktion im Römischen Reich erreichte 150.000 Tonnen pro Jahr, eine Zahl, die nur während der industriellen Revolution übertroffen wurde. Die Römer brachten Kupfer aus Zypern und kannten es als aes Cyprium ("Metall aus Zypern")..
Später degenerierte der Begriff zu Cuprum: Ein Name, der zur Bezeichnung von Kupfer verwendet wurde, bis zum Jahr 1530, als der englische Wurzelbegriff „Kupfer“ eingeführt wurde, um das Metall zu bezeichnen..
Der Große Kupferberg in Schweden, der vom 10. Jahrhundert bis 1992 betrieben wurde, deckte im 17. Jahrhundert 60% des europäischen Verbrauchs ab. Das Werk der Norddeutschen Affinerie in Hamburg (1876) war das erste moderne Galvanikwerk, das Kupfer verwendete.
Kupfer ist ein glänzendes orangerotes Metall, während die meisten natürlichen Metalle grau oder silber sind.
29
63.546 u
1.084,62 ºC
Übliche Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefeldioxid sind in geschmolzenem Kupfer löslich und beeinflussen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Metalls, wenn es sich verfestigt..
2,562 ºC
- 8,96 g / ml bei Raumtemperatur.
- 8,02 g / ml am Schmelzpunkt (flüssig).
Es ist zu beachten, dass es keine wesentliche Abnahme der Dichte zwischen der festen und der flüssigen Phase gibt; beide repräsentieren sehr dichte Materialien.
13,26 kJ / mol.
300 kJ / mol.
24,44 J / (mol ≤ K).
16,5 um / (m ≤ K) bei 25ºC.
401 W / (m ≤ K).
16,78 Ω ∙ m bei 20 ºC.
59,6 ∙ 106 Ihr.
Kupfer hat eine sehr hohe elektrische Leitung, die nur von Silber übertroffen wird..
3.0.
Es ist daher ein weiches Metall und auch ziemlich duktil. Festigkeit und Zähigkeit werden durch Kaltumformung aufgrund der Bildung länglicher Kristalle mit derselben flächenzentrierten kubischen Struktur wie in Kupfer erhöht..
Kupfer reagiert nicht mit Wasser, sondern mit Luftsauerstoff und ist mit einer Schicht aus schwarzbraunem Oxid bedeckt, die die darunter liegenden Metallschichten vor Korrosion schützt:
2Cu (s) + O.zwei(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.
Es kann der Einwirkung von Luft und Meerwasser widerstehen. Die längere Exposition führt jedoch zur Bildung einer dünnen grünen Schutzschicht (Patina)..
Die vorherige Schicht ist eine Mischung aus Carbonat und Kupfersulfat, die in alten Gebäuden oder Skulpturen wie der Freiheitsstatue in New York beobachtet wurde.
Kupfer reagiert mit Sauerstoff rot erhitzt unter Bildung von Kupferoxid (CuO) und bildet bei höheren Temperaturen Kupferoxid (Cu)zweiODER). Es reagiert auch heiß mit Schwefel unter Bildung von Kupfersulfid; daher beschlagen, wenn sie einigen Schwefelverbindungen ausgesetzt werden.
Kupfer I brennt mit einer blauen Flamme in einem Flammentest; während Kupfer II eine grüne Flamme abgibt.
Kupferkristalle kristallisieren in der flächenzentrierten kubischen (fcc) Struktur. Gesicht zentriert kubisch). In diesem fcc-Kristall bleiben die Cu-Atome dank der Metallbindung gebunden, die vergleichsweise schwächer ist als andere Übergangsmetalle; eine Tatsache, die sich in ihrer hohen Duktilität und dem niedrigen Schmelzpunkt (1084 ºC) manifestiert..
Entsprechend der elektronischen Konfiguration:
[Ar] 3d10 4s1
Alle 3d-Orbitale sind mit Elektronen gefüllt, während im 4s-Orbital eine freie Stelle vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die 3d-Orbitale nicht in der Metallbindung zusammenarbeiten, wie man es von anderen Metallen erwarten würde. Somit überlappen die Cu-Atome entlang des Kristalls ihre 4s-Orbitale, um Banden zu erzeugen, die die relativ schwache Kraft ihrer Wechselwirkungen beeinflussen..
Tatsächlich ist der resultierende energetische Unterschied zwischen den 3d (voll) und 4s (halb voll) Orbitalelektronen dafür verantwortlich, dass die Kupferkristalle Photonen aus dem sichtbaren Spektrum absorbieren und ihre charakteristische orange Farbe widerspiegeln..
Kupfer-fcc-Kristalle können unterschiedliche Größen haben. Je kleiner sie sind, desto stärker ist das Metallstück. Wenn sie sehr klein sind, sprechen wir von oxidationsempfindlichen Nanopartikeln, die selektiven Anwendungen vorbehalten sind..
Die erste Zahl oder Oxidationsstufe, die von Kupfer erwartet werden kann, ist +1, da das Elektron aus seinem 4s-Orbital verloren geht. Wenn es in einer Verbindung vorliegt, wird die Existenz des Kations Cu angenommen+ (allgemein Kupfer (I) -Ion genannt).
Dies und die Oxidationszahl +2 (Cuzwei+) sind die bekanntesten und am häufigsten vorkommenden für Kupfer; Sie sind im Allgemeinen die einzigen, die auf der High School-Ebene unterrichtet werden. Es gibt jedoch auch Oxidationszahlen +3 (Cu3+) und +4 (Cu4+), die nicht so selten sind, wie Sie auf den ersten Blick denken.
Zum Beispiel die Salze des Cupratanions CuOzwei-, stellen Verbindungen mit Kupfer (III) oder +3 dar; Dies ist der Fall bei Kaliumcuprat, KCuOzwei (K.+Cu3+ODERzweizwei-).
Auch Kupfer kann, wenn auch in geringerem Maße und in sehr seltenen Fällen, eine negative Oxidationszahl aufweisen: -2 (Cuzwei-).
Die für die Kupfergewinnung am häufigsten verwendeten Mineralien sind die Metallsulfide, hauptsächlich Chalkopyrit (CuFeS)zwei) und Bornit (Cu5FeS4). Diese Mineralien tragen 50% zum gesamten extrahierten Kupfer bei. Calellit (CuS) und Chalcocit (CuzweiS).
Zunächst werden die Steine zerkleinert, um felsige Fragmente von 1,2 cm zu erhalten. Dann wird mit dem Mahlen der Gesteinsfragmente fortgefahren, bis Partikel von 0,18 mm erhalten werden. Wasser und Reagenzien werden zugegeben, um eine Paste zu erhalten, die dann geschwommen wird, um ein Kupferkonzentrat zu erhalten..
In diesem Stadium werden Blasen gebildet, die Kupfer- und Schwefelmineralien einfangen, die in der Pulpe vorhanden sind. Es werden verschiedene Prozesse durchgeführt, um den Schaum zu sammeln und zu trocknen, um das Konzentrat zu erhalten, das seine Reinigung fortsetzt.
Um Kupfer von anderen Metallen und Verunreinigungen zu trennen, wird das Trockenkonzentrat in speziellen Öfen hohen Temperaturen ausgesetzt. Feuerraffiniertes Kupfer (RAF) wird zu Platten mit einem Gewicht von ca. 225 kg geformt, die Anoden bilden..
Die Elektrolyse wird zur Raffination von Kupfer eingesetzt. Die Anoden aus der Schmelze werden zur Raffination zu Elektrolysezellen gebracht. Kupfer wandert zur Kathode und Verunreinigungen setzen sich am Boden der Zellen ab. Bei diesem Verfahren werden Kupferkathoden mit einer Reinheit von 99,99% erhalten.
Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, wobei Kupfer zwischen 80 und 97% davon ausmacht. Es wurde zur Herstellung von Waffen und Utensilien verwendet. Es wird derzeit zur Herstellung von mechanischen Teilen verwendet, die gegen Reibung und Korrosion beständig sind.
Darüber hinaus wird es beim Bau von Musikinstrumenten wie Glocken, Gongs, Becken, Saxophonen und Saiten von Harfen, Gitarren und Klavier verwendet..
Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. In Industriemessing beträgt der Zinkanteil weniger als 50%. Es wird bei der Herstellung von Behältern und Metallstrukturen verwendet.
Die Monellegierung ist eine Nickel-Kupfer-Legierung mit einem Verhältnis von Nickel zu Kupfer von 2: 1. Es ist korrosionsbeständig und wird in Wärmetauschern, Stäben und Linsenbögen eingesetzt.
Der Constatan ist eine Legierung aus 55% Kupfer und 45% Nickel. Es wird zur Herstellung von Münzen verwendet und zeichnet sich durch einen konstanten Widerstand aus. Auch eine Kupfernickellegierung wird für die Außenbeschichtung von Münzen mit kleinem Nennwert verwendet..
Die Kupfer-Beryllium-Legierung hat einen Beryllium-Anteil von 2%. Diese Legierung kombiniert Festigkeit, Zähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung wird üblicherweise in elektrischen Steckverbindern, Telekommunikationsprodukten, Computerkomponenten und kleinen Federn verwendet..
Werkzeuge wie Schraubenschlüssel, Schraubendreher und Hämmer, die auf Ölplattformen und Kohlengruben verwendet werden, haben die Initialen BeCu als Garantie dafür, dass sie keine Funken erzeugen..
Die Legierung Silber 90% und Kupfer 10% wurde in Münzen verwendet, bis 1965 die Verwendung von Silber in allen Münzen mit Ausnahme der halben Dollarmünze beseitigt wurde.
7% Kupfer-Aluminium-Legierung hat eine goldene Farbe und wird zur Dekoration verwendet. Inzwischen ist Shakudo eine japanische dekorative Legierung aus Kupfer und Gold in einem geringen Prozentsatz (4 bis 10%)..
Kupfer ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitung und geringen Kosten das Metall der Wahl für die Verwendung in der elektrischen Verkabelung. Kupferkabel werden in den verschiedenen Phasen der Elektrizität verwendet, z. B. bei der Stromerzeugung, -übertragung, -verteilung usw..
50% des weltweit produzierten Kupfers werden aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, der leichten Formbarkeit von Drähten (Duktilität), der Beständigkeit gegen Verformung und Korrosion für die Herstellung von elektrischen Kabeln und Drähten verwendet.
Kupfer wird auch bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen und Leiterplatten verwendet. Metall wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitung, die die Wärmeableitung erleichtert, in Kühlkörpern und Wärmetauschern verwendet..
Kupfer wird in Elektromagneten, Vakuumröhren, Kathodenstrahlröhren und Magnetrons in Mikrowellenöfen verwendet..
Ebenso wird es beim Bau der Spulen von Elektromotoren und der Systeme verwendet, mit denen die Motoren in Betrieb genommen werden. Diese Elemente machen rund 40% des weltweiten Stromverbrauchs aus.
Kupfer wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und der Einwirkung von atmosphärischer Luft seit langem in den Dächern des Hauses, Fallrohren, Kuppeln, Türen, Fenstern usw. verwendet..
Es wird derzeit in Wandverkleidungen und Dekorationsgegenständen wie Badarmaturen, Türgriffen und Lampen verwendet. Darüber hinaus wird es in antimikrobiellen Produkten verwendet.
Kupfer verhindert, dass viele Lebensformen darauf wachsen. Es wurde in Blättern verwendet, die auf den Boden der Schiffsrümpfe gelegt wurden, um das Wachstum von Mollusken wie Muscheln und Seepocken zu verhindern..
Derzeit werden kupferbasierte Farben zum oben genannten Schutz von Schiffsrümpfen verwendet. Metallisches Kupfer kann bei Kontakt zahlreiche Bakterien neutralisieren.
Sein Wirkungsmechanismus wurde anhand seiner ionischen, korrosiven und physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Schlussfolgerung war, dass das Oxidationsverhalten von Kupfer zusammen mit den Löslichkeitseigenschaften seiner Oxide die Faktoren sind, die bewirken, dass metallisches Kupfer antibakteriell ist..
Metallisches Kupfer wirkt auf einige Stämme von E coli, S. aureus Y. Clostridium difficile, Viren, Adenoviren und Pilze der Gruppe A. Daher ist geplant, Kupferlegierungen, die mit den Händen der Fahrgäste in Kontakt stehen, in verschiedenen Transportmitteln zu verwenden..
Die antimikrobielle Wirkung von Kupfer wird durch die Verwendung seiner Nanopartikel weiter verstärkt, die sich für endodontische Behandlungen als nützlich erwiesen haben.
Ebenso sind Kupfernanopartikel ausgezeichnete Adsorbentien, und da sie orange sind, stellt eine Farbänderung in ihnen eine latente kolorimetrische Methode dar; zum Beispiel entwickelt zum Nachweis von Pestiziden Dithiocarbamate.
Kupfer ist ein wesentliches Element für das Leben. Es ist an der elektronischen Transportkette beteiligt und Teil des Komplexes IV. In diesem Komplex wird der letzte Schritt der elektronischen Transportkette ausgeführt: die Reduktion des Sauerstoffmoleküls zu Wasser.
Der Komplex IV wird von zwei Gruppen gebildet, einem Cytochrom a, einem Cytochrom a3, sowie zwei Cu-Zentren; einer heißt CuA und der andere CuB. Cytochrom a3 und CuB bilden ein zweikerniges Zentrum, in dem die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet.
In diesem Stadium geht Cu von seiner Oxidationsstufe +1 zu +2 über und gibt dem Sauerstoffmolekül Elektronen. Die elektronische Transportkette verwendet NADH und FADHzwei, aus dem Krebszyklus als Elektronendonoren kommen, mit denen es einen elektrochemischen Wasserstoffgradienten erzeugt.
Dieser Gradient dient als Energiequelle für die Erzeugung von ATP in einem als oxidative Phosphorylierung bekannten Prozess. Daher ist letztendlich das Vorhandensein von Kupfer für die Produktion von ATP in eukaryotischen Zellen erforderlich..
Kupfer ist Teil des Enzyms Superoxiddismutase, eines Enzyms, das den Abbau des Superoxidions (O) katalysiertzwei-), eine für Lebewesen giftige Verbindung.
Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung des Superoxidions zu Sauerstoff und / oder Wasserstoffperoxid.
Superoxiddismutase kann die Reduktion von Kupfer verwenden, um Superoxid zu Sauerstoff zu oxidieren, oder sie kann die Oxidation von Kupfer unter Bildung von Wasserstoffperoxid aus Superoxid verursachen.
Hämocyanin ist ein Protein, das im Blut einiger Spinnentiere, Krebstiere und Weichtiere vorhanden ist. Es erfüllt eine ähnliche Funktion wie Hämoglobin bei diesen Tieren, aber anstatt Eisen am Ort des Sauerstofftransports zu haben, hat es Kupfer.
Hämocyanin hat zwei Kupferatome in seinem aktiven Zentrum. Aus diesem Grund ist die Farbe von Hämocyanin blaugrün. Die metallischen Kupferzentren stehen nicht in direktem Kontakt, sondern haben eine enge Position. Das Sauerstoffmolekül befindet sich zwischen den beiden Kupferatomen.
Der menschliche Körper enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Cu / kg Körpergewicht. Kupfer wird im Dünndarm absorbiert und dann zusammen mit Albumin in die Leber transportiert. Von dort wird Kupfer zusammen mit dem Plasmaprotein Ceruloplasmin zum Rest des menschlichen Körpers transportiert..
Überschüssiges Kupfer wird über die Galle ausgeschieden. In einigen Fällen, wie sie bei Morbus Wilson auftreten, reichert sich Kupfer im Körper an und zeigt toxische Wirkungen des Metalls, die das Nervensystem, die Nieren und die Augen betreffen..
Bisher hat noch niemand einen Kommentar zu diesem Artikel abgegeben.