MĚĎ: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ, BIOLOGICKÁ ROLE - CHEMIE - 2025

Měď je přechodný kov náležející do skupiny 11 periodické tabulky prvků, a je reprezentován chemické značky Cu. Vyznačuje se a vyznačuje se červenooranžovým kovem, velmi tažným a poddajným, rovněž skvělým vodičem elektřiny a tepla.

Ve své kovové formě se vyskytuje jako primární minerál v čedičových horninách. Mezitím je oxidován ve sloučeninách síry (těžebních materiálů s větší těžbou), arsenidech, chloridech a uhličitanech; to je obrovská kategorie minerálů.

Budík z mědi. Zdroj: Pixabay.

Mezi minerály, které jej obsahují, můžeme uvést chalcocit, chalkopyrit, boritan, kuprit, malachit a azurit. Měď je přítomna také v popílku řas, mořských korálů a členovců.

Tento kov má hojnost 80 ppm v zemské kůře a průměrnou koncentraci v mořské vodě 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / l. V přírodě se vyskytuje jako dva přírodní izotopy: ⁶³ Cu, s hojností 69,15%, a ⁶⁵ Cu, s hojností 30,85%.

Existují důkazy, že měď byla tavena v roce 8000 před naším letopočtem. C. a legováno cínem za vzniku bronzu, v roce 4000 před naším letopočtem. C. Má se za to, že jako první kovy používané člověkem předcházejí pouze meteorické železo a zlato. Je tedy synonymem archaické a oranžové záře současně.

Měď se používá hlavně při výrobě kabelů pro vedení elektřiny v elektrických motorech. Takové kabely, malé nebo velké, vytvářejí stroje nebo zařízení v průmyslu a v každodenním životě.

Měď je zapojena do elektronického dopravního řetězce, který umožňuje syntézu ATP; hlavní energetická složka živých bytostí. Je to kofaktor superoxiddismutázy: enzym, který degraduje superoxidový ion, sloučeninu vysoce toxickou pro živé bytosti.

Kromě toho měď hraje roli v hemocyaninu v transportu kyslíku u některých pavouků, korýšů a měkkýšů, což je podobné jako u železa v hemoglobinu.

Přes všechny jeho příznivé účinky pro člověka, když se měď hromadí v lidském těle, jako je například Wilsonova choroba, může mimo jiné způsobit cirhózu jater, poruchy mozku a poškození očí.

Dějiny

Věk mědi

Nativní měď byla používána k výrobě artefaktů jako náhrada za kámen v neolitu, pravděpodobně mezi lety 9000 a 8000 př. Nl. C. Měď je jedním z prvních kovů používaných člověkem po železě přítomné v meteoritech a zlatě.

Existují důkazy o využití těžby při získávání mědi v roce 5000 před naším letopočtem. C. Již dříve se vyráběly předměty z mědi; takový je případ náušnice vyrobené v Iráku odhadoval být 8700 BC. C.

Na druhé straně se věří, že metalurgie se narodila v Mezopotámii (nyní Iráku) v roce 4 000 před naším letopočtem. C., když bylo možné redukovat kov minerálů pomocí ohně a uhlí. Později byla měď záměrně legována cínem za účelem výroby bronzu (4000 př. Nl).

Někteří historici poukazují na měděný věk, který by byl umístěn chronologicky mezi neolitem a bronzovou dobou. Pozdnější, doba železná nahradila dobu bronzovou mezi 2000 a 1000 př.nl. C.

Doba bronzová

Doba bronzová začala 4000 let po tavení mědi. Bronzové předměty z kultury Vinca sahají do roku 4500 před naším letopočtem. C.; zatímco v Sumerii a Egyptě jsou bronzové předměty vyrobené 3000 let před naším letopočtem. C.

Použití radioaktivního uhlíku prokázalo existenci těžby mědi v Alderley Edge, Cheshire a ve Spojeném království, mezi lety 2280 a 1890 př. Nl. C.

Je třeba poznamenat, že Ötzi, „Ice Man“ s odhadovaným datem mezi 3300 a 3200 př.nl. C., měl sekeru s hlavou z čisté mědi.

Římané od 6. století před naším letopočtem. Jako měnu používali kousky mědi. Julius Caesar používal mince vyrobené z mosazi, mědi a slitiny zinku. Octavianovy mince byly navíc vyrobeny ze slitiny mědi, olova a cínu.

Výroba a název

Produkce mědi v římské říši dosáhla 150 000 tun ročně, což je číslo, které překonalo pouze během průmyslové revoluce. Římané přivezli měď z Kypru, znali ji jako eso Cyprium („kov z Kypru“).

Později se tento termín degeneroval na měď: název používaný k označení mědi až do roku 1530, kdy byl pro označení kovu zaveden anglický kořenový termín „měď“.

Velká měděná hora ve Švédsku, která fungovala od 10. století do roku 1992, pokrývala v 17. století 60% evropské spotřeby. Závod La Norddeutsche Affinerie v Hamburku (1876) byl prvním moderním zařízením na galvanické pokovování, které používalo měď.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Vzhled

Měď je lesklý oranžově-červený kov, zatímco většina přírodních kovů je šedá nebo stříbrná.

Atomové číslo (Z)

29

Atomová hmotnost

63,546 u

Bod tání

1 084,62 ° C

Běžné plyny, jako je kyslík, dusík, oxid uhličitý a oxid siřičitý, jsou rozpustné v roztavené mědi a ovlivňují mechanické a elektrické vlastnosti kovu, když tuhne.

Bod varu

2 562 ° C

Hustota

- 8,96 g / ml při teplotě místnosti.

- 8,02 g / ml při teplotě tání (kapalina).

Všimněte si, že nedochází k významnému snížení hustoty mezi pevnou a kapalnou fází; oba představují velmi husté materiály.

Teplo fúze

13,26 kJ / mol.

Odpařovací teplo

300 kJ / mol.

Molární kalorická kapacita

24,44 J / (mol * K).

Teplotní roztažnost

16,5 µm / (m * K) při 25 ° C

Tepelná vodivost

401 W / (m × K).

Elektrický odpor

16,78 Ω ∙ m při 20 ° C

Elektrická vodivost

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Měď má velmi vysoké elektrické vedení, předčila pouze stříbro.

Mohsova tvrdost

3.0.

Jedná se tedy o měkký kov a také docela tažný. Pevnost a houževnatost jsou zvýšeny zpracováním za studena v důsledku prodloužené krystalové tvorby stejné krychlové struktury zaměřené na obličej, přítomné v mědi.

Chemické reakce

Test měděného plamene, který je identifikován barvou jeho modrozeleného plamene. Zdroj: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Měď nereaguje s vodou, ale reaguje s atmosférickým kyslíkem a je potažena vrstvou černohnědého oxidu, který zajišťuje ochranu proti korozi spodním vrstvám kovu:

2Cu (y) + O ₂ (g) → 2CuO

Měď není rozpustná ve zředěných kyselinách, reaguje však s horkými a koncentrovanými kyselinami sírovými a dusičnými. Je také rozpustný v amoniaku ve vodném roztoku a v kyanidu draselném.

Odolává působení atmosférického vzduchu a mořské vody. Jeho dlouhodobá expozice však vede k vytvoření tenké zelené ochranné vrstvy (patiny).

Předchozí vrstva je směsí uhličitanu měďnatého a síranu měďnatého, pozorovaného ve starých budovách nebo sochách, jako je například Socha svobody v New Yorku.

Mědi reaguje zahřívá na červenou s kyslíkem za vzniku oxidu měďnatého (CuO) a při vyšších teplotách formy oxidu měďného (Cu ₂ O). Také za horka reaguje se sírou za vzniku sulfidu mědi; při vystavení některým sloučeninám síry se proto zamlžuje.

Měď I při testu plamenem hoří modrým plamenem; zatímco měď II vydává zelený plamen.

Struktura a elektronická konfigurace

Krystaly mědi krystalizují v krychlové struktuře zaměřené na tvář (fcc). V tomto krystalu fcc zůstávají atomy Cu připojeny díky kovové vazbě, která je poměrně slabší než jiné přechodné kovy; tato skutečnost se projevila velkou houževnatostí a nízkou teplotou tání (1084 ° C).

Podle elektronické konfigurace:

3d ¹⁰ 4s ¹

Všechny 3d orbitaly jsou naplněny elektrony, zatímco ve 4s orbitále je neobsazeno. To znamená, že 3d orbitaly nespolupracují v kovové vazbě, jak by se dalo očekávat od ostatních kovů. Atomy Cu podél krystalu tak překrývají své 4s orbitaly a vytvářejí pásy, což ovlivňuje relativně slabou sílu jejich interakcí.

Ve skutečnosti výsledný energetický rozdíl mezi 3d (úplnými) a 4s (poloplnými) orbitálními elektrony je zodpovědný za to, že měděné krystaly absorbují fotony z viditelného spektra, což odráží jejich výraznou oranžovou barvu.

Krystaly z mědi fcc mohou mít různé velikosti, které čím menší jsou, tím silnější bude kovový kus. Když jsou velmi malé, mluvíme o nanočásticích, citlivých na oxidaci a vyhrazených pro selektivní aplikace.

Oxidační čísla

První číslo nebo oxidační stav, který lze očekávat od mědi, je +1, kvůli ztrátě elektronu z jeho 4s orbitálu. Když je ve směsi, předpokládá se existence kationtu Cu ⁺ (obvykle se nazývá měďný ion).

Toto a oxidační číslo +2 (Cu ²⁺) jsou pro měď nejznámější a nejhojnější; oni jsou obecně jediní učili na střední škole. Existují však také oxidační čísla +3 (Cu ³⁺) a +4 (Cu ⁴⁺), která nejsou tak vzácná, jak si myslíte na první pohled.

Například soli kuprátu aniontu, CuO ₂ ^-, představují sloučeniny s mědí (III) nebo +3; jako je tomu v případě meánatanem draselného, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ²).

Měď také, i když v menší míře a ve velmi vzácných případech, může mít záporné oxidační číslo: -2 (Cu ^2-).

Jak se to získá

Surovina

Minerály nejvíce používané pro těžbu mědi jsou sulfidy kovů, hlavně chalcopyrit (CuFeS ₂) a boritan (Cu ₅ FeS ₄). Tyto minerály přispívají 50% z celkové extrahované mědi. Calellite (CuS) a chalcocite (Cu ₂ S) jsou také používány pro získání mědi.

Drcení a broušení

Zpočátku se skály rozdrtí, aby se získaly skalní fragmenty 1,2 cm. Potom pokračuje broušením skalních úlomků, až se získají částice 0,18 mm. Přidá se voda a reakční činidla, aby se získala pasta, která se potom vznáší a získá se koncentrát mědi.

Plovoucí

V této fázi se vytvářejí bubliny, které zachycují minerály mědi a síry, které jsou přítomny v buničině. Pro shromažďování pěny a její sušení se provádí několik procesů, aby se získal koncentrát, který pokračuje v jeho čištění.

Čištění

Pro oddělení mědi od ostatních kovů a nečistot je suchý koncentrát vystaven vysokým teplotám ve speciálních pecích. Měď rafinovaná ohněm (RAF) se formuje do desek o hmotnosti přibližně 225 kg, které budou tvořit anody.

Elektrolýza

Elektrolýza se používá při rafinaci mědi. Anody z tavírny jsou odváděny do elektrolytických článků k rafinaci. Měď putuje ke katodě a nečistoty se usazují na dně buněk. Při tomto postupu se získají měděné katody s čistotou 99,99%.

Slitiny mědi

Bronz

Bronz je slitina mědi a cínu, přičemž měď tvoří 80 až 97%. To bylo používáno ve výrobě zbraní a nádobí. V současné době se používá při výrobě mechanických součástí odolných vůči tření a korozi.

Kromě toho se používá při konstrukci hudebních nástrojů, jako jsou zvonky, gongy, činely, saxofony a struny harf, kytar a klavíru.

Mosaz

Mosaz je slitina mědi a zinku. V průmyslových mosazích je procento zinku menší než 50%. Používá se při zpracování kontejnerů a kovových konstrukcí.

Monel

Monel slitina je slitina niklu a mědi s poměrem niklu k mědi 2: 1. Je odolný vůči korozi a používá se ve výměnících tepla, tyčích a obloukech čoček.

Potvrdili to

Constatán je slitina tvořená 55% mědi a 45% niklu. Používá se k výrobě mincí a vyznačuje se konstantním odporem. Také slitina měď-nikl se používá pro vnější povlak mincí s malou nominální hodnotou.

BeCu

Slitina mědi a berylia má procento berylia 2%. Tato slitina kombinuje pevnost, tvrdost, elektrickou vodivost a odolnost proti korozi. Slitina se běžně používá v elektrických konektorech, telekomunikačních produktech, počítačových komponentách a malých pružinách.

Nástroje jako klíče, šroubováky a kladiva používané na ropných plošinách a uhelných dolech mají iniciály BeCu jako záruku, že nebudou produkovat jiskry.

jiný

Slitina stříbrná 90% a měď 10% byla používána v mincích, až do roku 1965, kdy bylo používání stříbra vyloučeno ve všech měnách, s výjimkou půlměsícové mince.

7% slitina mědi a hliníku má zlatou barvu a používá se k dekoraci. Mezitím je Shakudo japonská dekorativní slitina mědi a zlata v nízkém procentu (4 až 10%).

Aplikace

Elektrické zapojení a motory

Měděné elektrické zapojení. Zdroj: Scott Ehardt

Měď díky svému vysokému elektrickému vedení a nízkým nákladům je kovem volby pro použití v elektrických kabelech. Měděný kabel se používá v různých fázích elektřiny, jako je výroba elektrické energie, přenos, distribuce atd.

50% mědi vyráběné na světě se používá při výrobě elektrických kabelů a drátů, a to díky své vysoké elektrické vodivosti, snadnosti tvarování drátů (tažnost), odolnosti vůči deformaci a korozi.

Měď se také používá při výrobě integrovaných obvodů a desek s plošnými spoji. Kov je používán v tepelných jímkách a výměnících tepla díky svému vysokému tepelnému vedení, které usnadňuje odvod tepla.

Měď se používá v elektromagnetech, vakuových trubicích, katodových trubicích a magnetronech v mikrovlnných troubách.

Stejně tak se používá při konstrukci cívek elektromotorů a systémů, které uvádějí motory do provozu, přičemž tyto položky představují přibližně 40% světové spotřeby elektřiny.

Budova

Měď se díky své odolnosti vůči korozi a působení atmosférického vzduchu dlouhodobě používá ve střechách domů, svodů, kupolí, dveří, oken atd.

V současné době se používá pro obklady stěn a ozdobné předměty, jako jsou koupelnové doplňky, kliky dveří a lampy. Používá se také v antimikrobiálních přípravcích.

Biostatický účinek

Měď brání tomu, aby na ní rostly četné formy života. Používal se v plachtách, které byly umístěny na dně trupů lodí, aby se zabránilo růstu měkkýšů, jako jsou mušle a barnacles.

V současné době se pro výše uvedenou ochranu lodních trupů používají barvy na bázi mědi. Kovová měď může při kontaktu neutralizovat mnoho bakterií.

Jeho mechanismus účinku byl studován na základě jeho iontových, leptavých a fyzikálních vlastností. Závěr byl, že oxidační chování mědi, spolu s vlastnostmi rozpustnosti jejích oxidů, jsou faktory, které způsobují, že kovová měď je antibakteriální.

Kovová měď působí na některé kmeny E. coli, S. aureus a Clostridium difficile, viry skupiny A, adenoviry a houby. Proto bylo plánováno používat slitiny mědi, které jsou v kontaktu s rukama cestujících, v různých dopravních prostředcích.

Nanočástice

Antimikrobiální účinek mědi se dále zvyšuje, když se používají její nanočástice, které se ukázaly jako užitečné pro endodontické ošetření.

Podobně měděné nanočástice jsou vynikajícími adsorbenty a protože jsou oranžové, změna barvy v nich představuje latentní kolorimetrickou metodu; například vyvinutý pro detekci dithiokarbamátových pesticidů.

Biologická role

V elektronickém dopravním řetězci

Měď je nezbytným prvkem života. Je zapojen do elektronického dopravního řetězce a tvoří součást komplexu IV. V tomto komplexu probíhá poslední krok elektronického transportního řetězce: redukce molekuly kyslíku na vodu.

Komplex IV je tvořen dvěma skupinami ha, cytochromem a, cytochromem ₃ a dvěma centry Cu; jeden se jmenoval CuA a druhý CuB. Cytochrom a ₃ a CuB tvoří dvoujaderné centrum, ve kterém dochází k redukci kyslíku na vodu.

V této fázi přechází Cu ze svého oxidačního stavu +1 na +2 a dává elektronu molekuly kyslíku. Elektronický dopravní řetězec používá NADH a FADH ₂ z Krebsova cyklu jako dárce elektronů, s nimiž vytváří elektrochemický vodíkový gradient.

Tento gradient slouží jako zdroj energie pro generování ATP v procesu známém jako oxidativní fosforylace. Takže přítomnost mědi je nezbytná pro produkci ATP v eukaryotických buňkách.

V enzymu superoxiddismutáza

Měď je součástí enzymu superoxiddismutázy, enzymu, který katalyzuje rozklad superoxidového iontu (O ₂ ^-), sloučeniny, která je toxická pro živé bytosti.

Superoxiddismutáza katalyzuje rozklad superoxidového iontu na kyslík a / nebo peroxid vodíku.

Superoxiddismutáza může použít redukci mědi k oxidaci superoxidu na kyslík, nebo může způsobit oxidaci mědi za vzniku peroxidu vodíku ze superoxidu.

V hemocyaninu

Hemocyanin je protein přítomný v krvi některých pavouků, korýšů a měkkýšů. U těchto zvířat plní podobnou funkci jako hemoglobin, ale namísto železa v místě přenosu kyslíku má měď.

Hemocyanin má na svém aktivním místě dva atomy mědi. Z tohoto důvodu je barva hemocyaninu modro-zelená. Kovová měděná centra nejsou v přímém kontaktu, ale mají těsné umístění. Molekula kyslíku je vložena mezi dva atomy mědi.

Koncentrace v lidském těle

Lidské tělo obsahuje mezi 1,4 a 2,1 mg Cu / kg tělesné hmotnosti. Měď se vstřebává v tenkém střevě a poté se přenáší do jater společně s albuminem. Odtud je měď transportována do zbytku lidského těla připojeného k plazmatickému proteinu ceruloplasminu.

Přebytečná měď se vylučuje žlučí. V některých případech, například u Wilsonovy choroby, se v těle hromadí měď, což projevuje toxické účinky kovu, které ovlivňují nervový systém, ledviny a oči.

Reference

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM a kol. (2019). Aplikace měděných nanočástic pro kolorimetrickou detekci dithiokarbamátových pesticidů. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela a Bello-Toledo, Helia. (2016). Měděné nanočástice jako potenciální antimikrobiální činidlo v dezinfekčních kořenových kanálech: systematický přehled. Mezinárodní žurnál odontostomatologie, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Měď. Obnoveno z: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. září 2018). Fyzikální vlastnosti mědi berylia. Obnoveno z: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. července 2019). Fakta mědi: Chemické a fyzikální vlastnosti. Obnoveno z: thinkco.com
6. Editors of Encyclopaedia Britannica. (26. července 2019). Měď: chemický prvek. Encyklopedie Britannica. Obnoveno z: britannica.com
7. Editor. (10. listopadu 2018). Chalcopyrite. Obnoveno z: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodická tabulka: měď. Obnoveno z: lenntech.com