BAKIR: TARIHÇE, ÖZELLIKLER, YAPI, KULLANIMLAR, BIYOLOJIK ROL - KIMYA - 2025

Bakır periyodik sistemin İnci grubunun 11 ait olan bir geçiş metalidir ve kimyasal simgesi Cu ile temsil edilir. Kırmızı-turuncu metal, çok sünek ve dövülebilir olması, aynı zamanda büyük bir elektrik ve ısı iletkeni olmasıyla karakterize edilir ve ayırt edilir.

Metalik formunda, bazaltik kayaçlarda birincil mineral olarak bulunur. Bu arada, sülfürlü bileşikler (madencilikten daha fazla yararlanılanlar), arsenitler, klorürler ve karbonatlarda oksitlenir; yani geniş bir mineral kategorisi.

Bakırdan yapılmış çalar saat. Kaynak: Pixabay.

İçerdiği mineraller arasında kalkosit, kalkopirit, bornit, kuprit, malakit ve azuritten bahsedebiliriz. Bakır ayrıca yosun külünde, deniz mercanlarında ve eklembacaklılarda bulunur.

Bu metal, yer kabuğunda 80 ppm bolluğuna ve deniz suyunda ortalama 2.5 ∙ ^10-4 mg / L konsantrasyonuna sahiptir . Doğada iki doğal izotop olarak bulunur: % 69,15 bollukta ⁶³ Cu ve% 30,85 bollukta ⁶⁵ Cu.

Bakırın MÖ 8000'de eritildiğine dair kanıtlar var. M.Ö. 4000'de bronz oluşturmak için kalay ile alaşımlandı. C. İnsan tarafından kullanılan ilk metaller olarak yalnızca meteorik demir ve altının ondan önce geldiği düşünülmektedir. Bu nedenle, aynı zamanda arkaik ve turuncu parıltıyla eş anlamlıdır.

Bakır, esas olarak elektrik motorlarında elektrik iletmek için kabloların üretiminde kullanılır. Küçük veya büyük bu tür kablolar, endüstride ve günlük yaşamda makine veya cihazları oluşturur.

Bakır, ATP'nin sentezine izin veren elektronik taşıma zincirinde yer alır; canlıların ana enerji bileşiği. Süperoksit dismutazın bir kofaktörüdür: Canlılar için oldukça toksik bir bileşik olan süperoksit iyonunu parçalayan bir enzim.

Ayrıca bakır, hemoglobindeki demirin yaptığı gibi bazı araknidlerde, kabuklularda ve yumuşakçalarda oksijen taşınmasında hemosiyaninde rol oynar.

İnsan için tüm faydalı eylemlerine rağmen, Wilson hastalığı gibi insan vücudunda bakır biriktiğinde, diğer değişikliklerin yanı sıra karaciğer sirozuna, beyin bozukluklarına ve göz hasarına neden olabilir.

Tarih

Bakır çağı

Yerli bakır, Neolitik dönemde, muhtemelen MÖ 9000 ile 8000 yılları arasında, taş yerine geçecek eserler yapmak için kullanıldı. C. Bakır, göktaşları ve altının içinde bulunan demirden sonra insan tarafından kullanılan ilk metallerden biridir.

M.Ö. 5000 yılında bakır elde etmek için madenciliğin kullanıldığına dair kanıtlar vardır. C. Daha önceki bir tarih için bakırdan eşyalar yapılmıştır; MÖ 8700 olduğu tahmin edilen Irak'ta yapılan bir küpenin durumu böyledir. C.

Buna karşılık, metalurjinin MÖ 4000'de Mezopotamya'da (şimdi Irak) doğduğuna inanılıyor. C., minerallerin metalini ateş ve kömür kullanarak indirgemek mümkün olduğunda. Daha sonra bakır, bronz üretmek için kasıtlı olarak kalayla alaşımlandı (MÖ 4000).

Bazı tarihçiler, Neolitik ve Tunç Çağı arasında kronolojik olarak konumlanacak olan bir Bakır Çağı'na işaret ediyor. Daha sonra, Demir Çağı, MÖ 2000-1000 yılları arasında Bronz Çağı'nın yerini aldı. C.

Bronz Çağı

Bronz Çağı, bakırın eritilmesinden 4000 yıl sonra başladı. Vinca kültüründen bronz eşyalar MÖ 4500 yılına kadar uzanmaktadır. C.; Sümer ve Mısır'da ise MÖ 3000 yıllarında yapılmış bronz nesneler vardır. C.

Radyoaktif karbon kullanımı, MÖ 2280 ile 1890 yılları arasında Alderley Edge, Cheshire ve Birleşik Krallık'ta bakır madenciliğinin varlığını ortaya koymuştur. C.

MÖ 3300 ile 3200 arasında tahmini bir tarihe sahip olan "Buz Adam" Ötzi'nin olduğu belirtilebilir. C.'nin saf bakır başlı bir baltası vardı.

6. yüzyıldan kalma Romalılar. Para birimi olarak bakır parçalarını kullandılar. Julius Caesar pirinç, bakır ve çinko alaşımından yapılmış madeni paralar kullandı. Ayrıca, Octavian'ın sikkeleri bakır, kurşun ve kalay alaşımından yapılmıştır.

Üretim ve isim

Roma İmparatorluğu'nda bakır üretimi yılda 150.000 tona ulaştı, bu rakam ancak Sanayi Devrimi sırasında aşıldı. Romalılar, Kıbrıs'tan bakır getirdiler ve bunu Kıbrıs Rum Kesimi ("Kıbrıs'tan metal") olarak biliyorlardı.

Daha sonra, terim cuprum olarak dejenere oldu: 1530 yılına kadar, metali belirtmek için İngilizce kök terimi olan 'bakır' tanıtıldığında, bakırı belirtmek için kullanılan bir ad.

10. yüzyıldan 1992'ye kadar faaliyet gösteren İsveç'teki Büyük Bakır Dağı, 17. yüzyılda Avrupa tüketiminin% 60'ını karşıladı. Hamburg'daki La Norddeutsche Affinerie fabrikası (1876), bakır kullanan ilk modern elektro kaplama tesisiydi.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Görünüm

Bakır, parlak turuncu-kırmızı bir metaldir, çoğu doğal metal gri veya gümüştür.

Atom numarası (Z)

29

Atom ağırlığı

63,546 u

Erime noktası

1.084,62ºC

Oksijen, nitrojen, karbondioksit ve kükürt dioksit gibi yaygın gazlar erimiş bakırda çözünür ve katılaştığında metalin mekanik ve elektriksel özelliklerini etkiler.

Kaynama noktası

2.562 ºC

Yoğunluk

- Oda sıcaklığında 8,96 g / mL.

- Erime noktasında (sıvı) 8.02 g / mL.

Katı ve sıvı faz arasında yoğunlukta önemli bir azalma olmadığını unutmayın; her ikisi de çok yoğun malzemeleri temsil eder.

Füzyon ısısı

13.26 kJ / mol.

Buharlaşma ısısı

300 kJ / mol.

Molar kalori kapasitesi

24.44 J / (mol * K).

Termal Genleşme

25 ° C'de 16,5 µm / (m * K)

Termal iletkenlik

401 W / (m ∙ K).

Elektriksel direnç

20 ° C'de 16,78 Ω ∙ m

Elektrik iletkenliği

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Bakırın çok yüksek bir elektrik iletimi vardır, sadece gümüşü geçmiştir.

Mohs sertliği

3.0.

Bu nedenle yumuşak bir metaldir ve aynı zamanda oldukça sünektir. Bakırda bulunan aynı yüz merkezli kübik yapıdaki uzun kristallerin oluşması nedeniyle soğuk işlemeyle mukavemet ve tokluk arttırılır.

Kimyasal reaksiyonlar

Mavi-yeşil alevinin rengiyle tanımlanan bakır alev testi. Kaynak: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Bakır suyla reaksiyona girmez, ancak atmosferik oksijenle reaksiyona girer ve metalin altta yatan katmanlarına korozyon koruması sağlayan bir siyah-kahverengi oksit tabakası ile kaplanır:

2Cu (k) + O ₂ (g) → 2CuO

Bakır, seyreltik asitlerde çözünmez, ancak sıcak ve konsantre sülfürik ve nitrik asitlerle reaksiyona girer. Aynı zamanda sulu çözelti içindeki amonyakta ve potasyum siyanürde çözünür.

Atmosferik hava ve deniz suyunun hareketine direnebilir. Bununla birlikte, uzun süre maruz kalması, ince yeşil bir koruyucu tabakanın (patine) oluşmasına neden olur.

Bir önceki katman, New York'taki Özgürlük Heykeli gibi eski binalarda veya heykellerde gözlenen bir bakır karbonat ve sülfat karışımıdır.

Bakır reaksiyona girerek bakır oksit bakır oksit (CuO) vermek üzere oksijen ile ve daha yüksek sıcaklıklarda formları kırmızı ısıtıldı (Cu ₂ O). Ayrıca bakır sülfür üretmek için kükürt ile sıcak reaksiyona girer; bu nedenle, bazı sülfür bileşiklerine maruz kaldığında sisli hale gelir.

Bakır Alev testinde mavi alevle yanarım; bakır II ise yeşil bir alev yayar.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Bakır kristalleri, yüz merkezli kübik (fcc) yapıda kristalleşir. Bu fcc kristalinde Cu atomları, diğer geçiş metallerinden nispeten daha zayıf olan metalik bağ sayesinde bağlı kalır; sünekliği ve düşük erime noktası (1084 ºC) ile kendini gösteren bir gerçek.

Elektronik konfigürasyona göre:

3b ¹⁰ 4s ¹

4s yörüngesinde bir boşluk varken, tüm 3 boyutlu orbitaller elektronlarla doldurulur. Bu, 3 boyutlu orbitallerin metalik bağda diğer metallerden bekleneceği gibi işbirliği yapmadığı anlamına gelir. Böylece, kristal boyunca Cu atomları, etkileşimlerinin nispeten zayıf kuvvetini etkileyerek bantlar oluşturmak için 4s orbitallerini üst üste getirir.

Aslında, 3d (tam) ve 4s (yarı dolu) yörünge elektronları arasında ortaya çıkan enerjik fark, bakır kristallerinin görünür spektrumdan fotonları absorbe ederek ayırt edici turuncu renklerini yansıtan sorumludur.

Bakır fcc kristalleri farklı boyutlara sahip olabilirler, bu kristaller ne kadar küçükse metal parça o kadar güçlü olur. Çok küçük olduklarında, oksidasyona duyarlı ve seçici uygulamalar için ayrılmış nanopartiküllerden bahsediyoruz.

Oksidasyon numaraları

Bakırdan beklenebilecek ilk sayı veya oksidasyon durumu, elektronun 4s yörüngesinden kaybolması nedeniyle + 1'dir. Bir bileşikte bulunduğunda, Cu ⁺ katyonunun (genellikle bakır iyonu olarak adlandırılır) varlığı varsayılır .

Bu ve oksidasyon sayısı +2 (Cu ²⁺ ) en iyi bilinen ve bakır için en bol olanıdır; genellikle lise düzeyinde öğretilenler yalnızca onlardır. Bununla birlikte, ilk bakışta düşündüğünüz kadar nadir olmayan +3 (Cu ³⁺ ) ve +4 (Cu ⁴⁺ ) oksidasyon sayıları da vardır .

Örneğin, kuprat anyon tuzları, CuO ₂ ^- , bakır (III) veya +3 olan bileşikleri temsil eder; potasyum kuprat durumunda, KCuO olan ₂ (K ⁺ , Cu ^{+ 3} O ₂ ^2- ).

Bakır ayrıca, daha az derecede ve çok nadir durumlarda, negatif bir oksidasyon sayısına sahip olabilir: -2 (Cu ^2- ).

Nasıl elde edilir

Hammadde

Bakır ekstraksiyonu için en çok kullanılan mineraller metal sülfitlerdir, çoğunlukla kalkopirit (CuFeS ₂ ) ve bornittir (Cu ₅ FeS ₄ ). Bu mineraller, çıkarılan toplam bakırın% 50'sine katkıda bulunur. Bakır elde etmek için kalelit (CuS) ve kalkosit (Cu ₂ S) de kullanılır .

Kırma ve öğütme

Başlangıçta kayalar ezilerek 1,2 cm'lik kayalık parçalar elde edilir. Daha sonra 0.18 mm'lik parçacıklar elde edilinceye kadar kayalık parçaların öğütülmesiyle devam edilir. Bir macun elde etmek için su ve reaktifler eklenir ve bu daha sonra bir bakır konsantresi elde etmek için yüzdürülür.

Yüzdürme

Bu aşamada, hamurda bulunan bakır ve kükürt minerallerini yakalayan kabarcıklar oluşur. Saflaştırmaya devam eden konsantrenin elde edilmesi için köpüğü toplamak ve kurutmak için çeşitli işlemler gerçekleştirilir.

arıtma

Bakırı diğer metallerden ve yabancı maddelerden ayırmak için kuru konsantre, özel fırınlarda yüksek sıcaklıklara tabi tutulur. Ateşte rafine edilmiş bakır (RAF), anot oluşturacak yaklaşık 225 kg ağırlığındaki plakalara kalıplanır.

Elektroliz

Bakırın rafinasyonunda elektroliz kullanılmaktadır. İzabe tesisinden gelen anotlar, rafine edilmek üzere elektrolitik hücrelere alınır. Bakır katoda gider ve kirlilikler hücrelerin dibine yerleşir. Bu işlemde% 99,99 saflıkta bakır katotlar elde edilir.

Bakır alaşımları

Bronz

Bronz, bir bakır ve kalay alaşımıdır ve bakırın% 80 ila 97'sini oluşturur. Silah ve mutfak eşyaları yapımında kullanıldı. Halen sürtünme ve korozyona dayanıklı mekanik parçaların imalatında kullanılmaktadır.

Ayrıca çanlar, gonglar, ziller, saksafonlar ve arp, gitar ve piyano telleri gibi müzik aletlerinin yapımında kullanılır.

Pirinç

Pirinç, bakır ve çinko alaşımıdır. Endüstriyel pirinçlerde çinko yüzdesi% 50'den azdır. Kapların ve metalik yapıların detaylandırılmasında kullanılır.

Monel

Monel alaşımı, 2: 1 nikel-bakır oranına sahip bir nikel-bakır alaşımıdır. Korozyona dayanıklıdır ve ısı eşanjörlerinde, çubuklarda ve lens kemerlerinde kullanılır.

Onayladılar

Constatán,% 55 bakır ve% 45 nikelden oluşan bir alaşımdır. Madeni para yapmak için kullanılır ve sabit bir dirence sahip olmasıyla karakterize edilir. Küçük kupür madeni paraların dış kaplamasında da bakır-nikel alaşımı kullanılmaktadır.

BeCu

Bakır-berilyum alaşımının berilyum yüzdesi% 2'dir. Bu alaşım güç, sertlik, elektriksel iletkenlik ve korozyon direncini birleştirir. Alaşım genellikle elektrik konektörlerinde, telekomünikasyon ürünlerinde, bilgisayar bileşenlerinde ve küçük yaylarda kullanılır.

Petrol kulelerinde ve kömür madenlerinde kullanılan anahtarlar, tornavidalar ve çekiçler gibi aletlerde kıvılcım çıkarmadıklarının garantisi olarak BeCu baş harfleri bulunur.

Diğer

Yarım dolar madeni para hariç tüm para birimlerinde gümüş kullanımının kaldırıldığı 1965 yılına kadar madeni paralarda% 90 alaşımlı gümüş ve% 10 bakır kullanılmıştır.

% 7 bakır alüminyum alaşımı altın rengindedir ve dekorasyonda kullanılır. Bu arada, Shakudo, düşük bir yüzdeyle (% 4 ila 10) bir Japon dekoratif bakır ve altın alaşımıdır.

Uygulamalar

Elektrik kabloları ve motorlar

Bakır elektrik tesisatı. Kaynak: Scott Ehardt

Bakır, yüksek elektrik iletimi ve düşük maliyeti nedeniyle, elektrik kablolarında kullanım için tercih edilen metaldir. Bakır kablo, elektrik enerjisi üretimi, iletimi, dağıtımı vb.Gibi çeşitli elektrik aşamalarında kullanılır.

Dünyada üretilen bakırın% 50'si yüksek elektrik iletkenliği, tel şekillendirme kolaylığı (sünekliği), deformasyona ve korozyona karşı direnci nedeniyle elektrik kabloları ve tellerinin üretiminde kullanılmaktadır.

Bakır ayrıca entegre devrelerin ve baskılı devre kartlarının yapımında da kullanılır. Metal, ısı dağılımını kolaylaştıran yüksek ısı iletimi nedeniyle ısı alıcılarında ve ısı eşanjörlerinde kullanılır.

Bakır, mikrodalga fırınlarda elektromıknatıslarda, vakum tüplerinde, katot ışın tüplerinde ve magnetronlarda kullanılır.

Aynı şekilde elektrik motoru bobinlerinin ve motorları çalıştıran sistemlerin yapımında da kullanılır, bu maddeler dünya elektrik tüketiminin yaklaşık% 40'ını temsil etmektedir.

bina

Bakır, korozyona karşı dayanıklılığı ve atmosferik havanın etkisi nedeniyle uzun süredir evlerin çatılarında, iniş çıkışlarında, kubbelerde, kapılarda, pencerelerde vb.

Şu anda banyo aksesuarları, kapı kolları ve lambalar gibi duvar kaplamalarında ve dekoratif eşyalarda kullanılmaktadır. Ayrıca antimikrobiyal ürünlerde kullanılmaktadır.

Biyostatik eylem

Bakır, çok sayıda yaşam formunun üzerinde büyümesini engeller. Midye ve midye gibi yumuşakçaların büyümesini önlemek için gemilerin gövdelerinin dibine yerleştirilen tabakalarda kullanıldı.

Şu anda bakır esaslı boyalar gemi gövdelerinin yukarıda belirtilen koruması için kullanılmaktadır. Metalik bakır, temas halinde birçok bakteriyi nötralize edebilir.

İyonik, aşındırıcı ve fiziksel özelliklerine göre etki mekanizması incelenmiştir. Sonuç olarak, bakırın oksitleyici davranışı, oksitlerinin çözünürlük özellikleriyle birlikte metalik bakırın antibakteriyel olmasına neden olan faktörlerdi.

Metalik bakır, E. coli, S. aureus ve Clostridium difficile'nin bazı türleri, A grubu virüsler, adenovirüsler ve mantarlar üzerinde etkilidir. Bu nedenle yolcuların elleriyle temas halinde olan bakır alaşımlarının farklı ulaşım araçlarında kullanılması planlanmıştır.

Nanoparçacıklar

Bakırın antimikrobiyal etkisi, endodontik tedaviler için yararlı olduğu kanıtlanmış nanopartikülleri kullanıldığında daha da artar.

Benzer şekilde, bakır nanopartiküller mükemmel adsorbanlardır ve turuncu olduklarından içlerinde bir renk değişikliği gizli bir kolorimetrik yöntemi temsil eder; örneğin, ditiokarbamat pestisitlerinin tespiti için geliştirilmiştir.

Biyolojik rol

Elektronik taşıma zincirinde

Bakır, yaşam için gerekli bir unsurdur. Kompleks IV'ün bir parçasını oluşturan elektronik taşıma zincirinde yer alır. Elektronik taşıma zincirinin son adımı bu komplekste gerçekleşir: oksijen molekülünün su oluşturacak şekilde indirgenmesi.

Kompleks IV, iki hae grubundan oluşur: bir sitokrom a, bir sitokrom a ₃ ve ayrıca iki Cu merkezi; biri CuA, diğeri CuB. Sitokrom a ₃ ve CuB, oksijenin suya indirgenmesinin meydana geldiği iki çekirdekli bir merkez oluşturur.

Bu aşamada Cu, oksijen molekülüne elektron vererek +1 ile +2 oksidasyon durumuna geçer. Elektronik taşıma zinciri , Krebs döngüsünden gelen NADH ve FADH _2'yi elektron donörleri olarak kullanır ve bununla bir elektrokimyasal hidrojen gradyanı oluşturur.

Bu gradyan, oksidatif fosforilasyon olarak bilinen bir süreçte ATP'nin üretimi için bir enerji kaynağı görevi görür. Bu nedenle, nihayetinde, ökaryotik hücrelerde ATP'nin üretimi için bakırın varlığı gereklidir.

Enzim süperoksit dismutazda

Bakır, canlılar için toksik olan süperoksit iyonunun (O ₂ ^- ) ayrışmasını katalize eden bir enzim olan süperoksit dismutaz enziminin bir parçasıdır .

Süperoksit dismutaz, süperoksit iyonunun oksijen ve / veya hidrojen peroksite ayrışmasını katalize eder.

Süperoksit dismutaz, süperoksidi oksijene oksitlemek için bakırın indirgenmesini kullanabilir veya bakırın oksidasyonunun süperoksitten hidrojen peroksit oluşturmasına neden olabilir.

Hemosiyaninde

Hemosiyanin, bazı araknidlerin, kabukluların ve yumuşakçaların kanında bulunan bir proteindir. Bu hayvanlarda hemoglobine benzer bir işlevi yerine getirir, ancak oksijen taşınması yerinde demir yerine bakıra sahiptir.

Hemosiyaninin aktif bölgesinde iki bakır atomu vardır. Bu nedenle hemosiyaninin rengi mavi-yeşildir. Metalik bakır merkezler doğrudan temas halinde değildir, ancak yakın bir konuma sahiptir. Oksijen molekülü iki bakır atomu arasına sıkıştırılmıştır.

İnsan vücudundaki konsantrasyon

İnsan vücudu 1,4 ila 2,1 mg Cu / kg vücut ağırlığı içerir. Bakır ince bağırsakta emilir ve daha sonra albüminle birlikte karaciğere taşınır. Oradan bakır, plazma protein seruloplazmine bağlı olarak insan vücudunun geri kalanına taşınır.

Fazla bakır safra yoluyla atılır. Bununla birlikte, Wilson hastalığı gibi bazı durumlarda, vücutta bakır birikerek sinir sistemini, böbrekleri ve gözleri etkileyen metalin toksik etkilerini ortaya çıkarır.

Referanslar

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM ve diğerleri. (2019). Ditiokarbamat pestisitlerinin kolorimetrik tespiti için bakır nanopartiküllerin uygulamaları. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela ve Bello-Toledo, Helia. (2016). Kök Kanallarını Dezenfekte Etmede Potansiyel Antimikrobiyal Ajan Olarak Bakır Nanopartiküller: Sistematik Bir İnceleme. Uluslararası odontostomatoloji dergisi, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Vikipedi. (2019). Bakır. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
4. Terence Bell. (19 Eylül 2018). Berilyum bakırın fiziksel özellikleri. Thebalance.com'dan kurtarıldı
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Temmuz 2019). Bakır Gerçekler: Kimyasal ve Fiziksel Özellikler. Kurtarıldı: thinkco.com
6. Encyclopaedia Britannica'nın Editörleri. (26 Temmuz 2019). Bakır: kimyasal element. Encyclopaedia Britannica. Britannica.com'dan kurtarıldı
7. Editör. (10 Kasım 2018). Kalkopirit. Kurtarıldı: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periyodik tablo: bakır. Kurtarıldı: lenntech.com