МІДЬ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ, БІОЛОГІЧНА РОЛЬ - ХІМІЯ - 2025

Міді являє собою перехідний метал , належить до групи 11 періодичної таблиці і представлена хімічним символом Cu. Він характеризується і відрізняється червоно-помаранчевим металом, дуже пластичним і ковким, також є чудовим провідником електрики та тепла.

У своїй металевій формі він зустрічається як основний мінерал у базальтових породах. Тим часом він окислюється в сполуках сірки (сполуки, що мають більшу експлуатацію гірничих виробок), арсенідах, хлоридах та карбонатах; тобто величезна категорія корисних копалин.

Будильник з міді. Джерело: Pixabay.

Серед мінералів, які його містять, можна відзначити халькоцит, халькопірит, борніт, куприт, малахіт та азурит. Мідь також присутня в попелі водоростей, у морських коралах та членистоногих.

Цей метал має в земній корі 80 проміле, а середня концентрація в морській воді 2,5 ∙ 10 ^-4 мг / л. У природі він зустрічається як два природних ізотопи: ⁶³ Cu, з достатністю 69,15%, і ⁶⁵ Cu, з достатністю 30,85%.

Є дані, що мідь була виплавлена ​​в 8000 р. До н. С. і сплавлений оловом для утворення бронзи, в 4000 р. До н. C. Вважається, що лише метеоритне залізо і золото передують йому як перші метали, якими користується людина. Таким чином, воно є синонімом архаїчного та помаранчевого світіння водночас.

Мідь застосовується головним чином у виробництві кабелів для проведення електроенергії в електродвигунах. Такі кабелі, невеликі чи великі, складають машини або пристрої в промисловості та в повсякденному житті.

Мідь бере участь в електронному транспортному ланцюжку, що дозволяє синтезувати АТФ; Основна енергетична сполука живих істот. Це кофактор супероксиддисмутази: фермент, який руйнує супероксид-іон, сполука, високо токсична для живих істот.

Крім того, мідь відіграє роль гемоціаніну в транспортуванні кисню в деяких павукоподібних, ракоподібних і молюсків, що аналогічно тій, яку здійснює залізо в гемоглобіні.

Незважаючи на всі його корисні дії для людини, коли мідь накопичується в організмі людини, як це стосується хвороби Вілсона, він може викликати цироз печінки, порушення мозку та пошкодження очей, серед інших змін.

Історія

Мідний вік

Рідну мідь використовували для виготовлення артефактів як замінника каменю в неоліті, ймовірно, між 9000 і 8000 рр. До н. C. Мідь - один з перших металів, який використовує людина, після заліза, присутнього в метеоритах і золоті.

Є дані про використання гірничої справи для отримання міді в 5000 р. До н. C. Вже за попередню дату виготовляли вироби з міді; такий випадок сережки, зробленої в Іраку, за оцінками, 8700 р. до н. C.

У свою чергу, вважається, що металургія народилася в Месопотамії (нині Ірак) у 4000 р. До н. C. коли можна було зменшити метал мінералів за рахунок використання вогню та вугілля. Пізніше мідь була навмисно легована оловом для отримання бронзи (4000 р. До н. Е.).

Деякі історики вказують на мідну епоху, яка була б розташована хронологічно між неолітом та бронзовою епохою. Пізніше залізний вік замінив епоху бронзи між 2000 і 1000 роками до н. C.

Бронзовий вік

Бронзова епоха почалася через 4000 років після виплавки міді. Бронзові предмети з культури Вінчі датуються 4500 р. До н. С .; тоді як у Шумерії та Єгипті є бронзові предмети, виготовлені за 3000 років до н. C.

Використання радіоактивного вуглецю встановило існування видобутку міді в Олдерлі Едже, Чеширі та Великобританії, між 2280 та 1890 роками до н. C.

Можна відзначити, що Етци, «крижана людина», за приблизною датою між 3300 і 3200 рр. До н. С., мав сокиру з головою з чистої міді.

Римляни з 6 століття до н. Вони використовували шматки міді як валюту. Юлій Цезар використовував монети з латуні, міді та цинкового сплаву. Крім того, монети Октавіана виготовлялися зі сплаву міді, свинцю та олова.

Виробництво та назва

Виробництво міді в Римській імперії сягало 150 000 тонн на рік, цифра перевищила лише під час промислової революції. Римляни привозили мідь з Кіпру, знаючи її як айс Кіпріум ("метал з Кіпру").

Пізніше термін переродився в купрум: назва, що використовується для позначення міді до 1530 року, коли англійський кореневий термін «мідь» був введений для позначення металу.

Велика мідна гора в Швеції, яка діяла з 10 століття по 1992 рік, охоплювала 60% споживання Європи у 17 столітті. Перший сучасний завод з гальванічного покриття, який застосував мідь, був заводом Affinerie La Norddeutsche у Гамбурзі (1876).

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Мідь - це блискучий оранжево-червоний метал, тоді як більшість рідних металів - сірий або сріблястий.

Атомне число (Z)

29

Атомна вага

63,546 u

Точка плавлення

1,084,62 ºC

Поширені гази, такі як кисень, азот, вуглекислий газ та сірчистий газ, розчинні у розплавленій міді та впливають на механічні та електричні властивості металу при його затвердінні.

Точка кипіння

2,562 ºC

Щільність

- 8,96 г / мл при кімнатній температурі.

- 8,02 г / мл при температурі плавлення (рідина).

Зауважте, що між твердою та рідкою фазами не спостерігається значного зменшення щільності; обидва представляють дуже щільні матеріали.

Тепло синтезу

13,26 кДж / моль.

Тепло випаровування

300 кДж / моль.

Молярна калорійність

24,44 Дж / (моль * К).

Теплове розширення

16,5 мкм / (м * К) при 25 ° С.

Теплопровідність

401 Вт / (м ∙ К).

Електричний опір

16,78 Ом ∙ м при 20 ° С.

Електропровідність

59,6 ∙ 10 ⁶ С / м.

Мідь має дуже високу електричну провідність, перевершує її лише срібло.

Твердість Мооса

3.0.

Тому це м'який метал, а також досить пластичний. Міцність і міцність збільшуються при холодній обробці за рахунок подовженого кристалічного утворення тієї самої кутоподібної структури, що орієнтована на обличчя, присутньої у міді.

Хімічні реакції

Випробування мідним полум'ям, яке ідентифікується за кольором його синьо-зеленого полум'я. Джерело: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Мідь не реагує з водою, але реагує з атмосферним киснем, покриваючись шаром оксиду чорно-коричневого кольору, що забезпечує захист від корозії для основних шарів металу:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Мідь не розчиняється у розведених кислотах, однак реагує з гарячою та концентрованою сірчаною та азотною кислотами. Він також розчинний в аміаку у водному розчині та в ціаніді калію.

Він може протистояти дії атмосферного повітря та морської води. Однак його тривале опромінення призводить до утворення тонкого зеленого захисного шару (патини).

Попередній шар - це суміш карбонату та мідного купоросу, що спостерігається у старих будівлях чи скульптурах, таких як Статуя Свободи в Нью-Йорку.

Мідь реагує нагрітим до червоного з киснем, одержуючи оксид кубору (CuO), а при більш високій температурі утворює оксид брому (Cu ₂ O). Він також реагує гарячим із сіркою, утворюючи мідний купорос; отже, він стає туманним при впливі деяких сполук сірки.

Мідь I горить синім полум'ям у тесті полум'я; а мідь II випромінює зелене полум'я.

Структура та електронна конфігурація

Мідні кристали кристалізуються в кубічній (FCC) структурі. У цьому кристалі fcc атоми Cu залишаються приєднаними завдяки металевому зв’язку, який порівняно слабший, ніж інші перехідні метали; факт виявляється у його великій пластичності та низькій температурі плавлення (1084 ºC).

Відповідно до електронної конфігурації:

3d ¹⁰ 4s ¹

Всі 3d орбіталі заповнені електронами, а в орбіталі 4с є вакансія. Це означає, що 3d орбіталі не співпрацюють у металевому зв’язку, як можна було б очікувати від інших металів. Таким чином, атоми Cu вздовж кристала перекривають свої 4s орбіталі для створення смуг, впливаючи на відносно слабку силу їх взаємодій.

Фактично, енергетична різниця між 3d (повним) та 4s (напівповним) орбітальним електронами відповідає за кристали міді, що поглинають фотони з видимого спектру, відображаючи їх характерний помаранчевий колір.

Мідні кристали FCC можуть мати різні розміри, які, чим вони менші, тим міцніше буде металевий шматок. Коли їх дуже мало, ми говоримо про наночастинки, чутливі до окислення та зарезервовані для вибіркового застосування.

Окислювальні числа

Перше число або стан окислення, на який можна очікувати мідь, - +1, через втрату електрона зі своєї орбіталі 4s. При наявності в складі сполуки передбачається існування катіону Cu ⁺ (зазвичай його називають куроновим іоном).

Це та окислювальне число +2 (Cu ²⁺ ) - найвідоміші та найпоширеніші для міді; вони, як правило, єдині, кого навчають на рівні середньої школи. Однак існують також окислювальні номери +3 (Cu ³⁺ ) і +4 (Cu ⁴⁺ ), які не такі рідкісні, як можна здатися на перший погляд.

Наприклад, солі купратного аніона CuO ₂ ^- являють собою сполуки з міддю (III) або +3; такий має місце купрат калію, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Мідь також, хоча в меншій мірі і в дуже рідкісних випадках, може мати негативне число окиснення: -2 (Cu ^2- ).

Як це виходить

Сирий матеріал

Мінерали, які найчастіше використовуються для видобутку міді, - це сульфіди металів, головним чином халькопірит (CuFeS ₂ ) та борніт (Cu ₅ FeS ₄ ). Ці мінерали вносять 50% від загальної кількості видобутої міді. Для отримання міді також використовують калеліт (CuS) і халькоцит (Cu ₂ S).

Дроблення та подрібнення

Спочатку гірські породи дроблені, щоб отримати кам’янисті уламки на 1,2 див. Потім він продовжується подрібненням скельних уламків, до отримання частинок 0,18 мм. Воду та реагенти додають для отримання пасти, яку потім плавають до отримання мідного концентрату.

Плавання

На цій стадії утворюються бульбашки, які захоплюють мідні та сірчані мінерали, які присутні в м’якоті. Для збору піни проводять кілька процесів, сушать її для отримання концентрату, який продовжує її очищення.

Очищення

Для відділення міді від інших металів і домішок сухий концентрат піддають високим температурам у спеціальних печах. Огнена рафінована мідь формується в пластини вагою приблизно 225 кг, які становлять аноди.

Електроліз

Електроліз використовується при рафінуванні міді. Аноди з плавильної ділянки переносяться в електролітичні осередки для рафінування. Мідь прямує до катода, а домішки осідають на дні клітин. У цьому процесі отримують мідні катоди з чистотою 99,99%.

Мідні сплави

Бронза

Бронза - це сплав міді та олова, при цьому мідь складає від 80 до 97%. Його застосовували при виготовленні зброї та посуду. В даний час використовується у виробництві механічних деталей, стійких до тертя та корозії.

Крім того, його використовують у побудові музичних інструментів, таких як дзвони, гонги, цимбали, саксофони та струнні арфи, гітари та фортепіано.

Латунь

Латунь - це сплав міді та цинку. У промислових латунках відсоток цинку менше 50%. Застосовується при розробці контейнерів та металевих конструкцій.

Монель

Монельний сплав - це нікель-мідний сплав із співвідношенням нікелю до міді 2: 1. Він стійкий до корозії і застосовується в теплообмінниках, стрижнях і аркушах лінз.

Вони підтвердили

Констастан - сплав, що складається з 55% міді та 45% нікелю. Він використовується для виготовлення монет і характеризується постійним опором. Також купронікелевий сплав використовується для зовнішнього покриття дрібних монет номіналом.

BeCu

Мідно-берилієвий сплав має відсоток берилію 2%. Цей сплав поєднує в собі міцність, твердість, електропровідність та стійкість до корозії. Сплав зазвичай використовується в електричних роз'ємах, телекомунікаційних продуктах, комп’ютерних компонентах і невеликих пружинах.

Такі інструменти, як гайкові ключі, викрутки та молоти, що застосовуються на нафтових платформах і вугільних шахтах, мають ініціали BeCu як гарантію того, що вони не дадуть іскри.

Інший

Сплавне срібло 90% і мідь 10% використовувалося в монетах до 1965 року, коли використання срібла було ліквідовано у всіх валютах, за винятком монети в півдолара.

7% алюмінієвий сплав міді золотистого кольору і використовується в оздобленні. Тим часом Шакудо - це японський декоративний сплав міді та золота, у низькому відсотку (від 4 до 10%).

Програми

Електрична електропроводка та мотори

Мідна електропроводка. Джерело: Скотт Ехардт

Мідь через високу електричну провідність і низьку вартість - метал, який вибирають для використання в електропроводці. Мідний кабель використовується на різних етапах електроенергії, таких як вироблення, передача, розподіл електроенергії тощо.

50% виробленої у світі міді використовується у виробництві електричних кабелів та проводів, завдяки високій електропровідності, легкості формування дротів (пластичності), стійкості до деформації та корозії.

Мідь також використовується для виготовлення інтегральних схем і друкованих плат. Метал використовується в тепловідводах і теплообмінниках завдяки високій теплопровідності, що полегшує відведення тепла.

Мідь використовується в електромагнітах, вакуумних трубах, катодних променях і магнетронах в мікрохвильових печах.

Так само він використовується в конструкції котушок електродвигунів і систем, які приводять двигуни в роботу, що представляє собою ці статті близько 40% світового споживання електроенергії.

Будівництво

Мідь через свою стійкість до корозії та дії атмосферного повітря тривалий час використовується на дахах будинків, водоспадах, куполах, дверях, вікнах тощо.

В даний час використовується в обшивці стін та декоративних предметах, таких як аксесуари для ванної, дверні ручки та світильники. Також його використовують у антимікробних продуктах.

Біостатична дія

Мідь запобігає зростанню над нею численних форм життя. Його використовували в простирадлах, які розміщували на дні корпусів кораблів для запобігання росту молюсків, таких як мідії, а також барак.

В даний час фарби на основі міді застосовуються для вищезазначеного захисту корабельних корпусів. Металевий мідь може нейтралізувати багато бактерій при контакті.

Її механізм дії вивчений на основі його іонних, корозійних та фізичних властивостей. Зроблено висновок, що окислювальна здатність міді разом із властивостями розчинності її оксидів є чинниками, які спричиняють антибактеріальний вплив металевої міді.

Металевий мідь діє на деякі штами вірусів кишкової палички, S. aureus та Clostridium difficile, вірусів групи А, аденовірусів та грибів. Тому планувалося використовувати мідні сплави, які контактують з руками пасажирів у різних транспортних засобах.

Наночастинки

Антимікробна дія міді ще більше посилюється при використанні її наночастинок, які виявилися корисними для ендодонтичного лікування.

Так само мідні наночастинки є чудовими адсорбентами, а оскільки вони помаранчеві, зміна їх кольору являє собою прихований колориметричний метод; наприклад, розроблений для виявлення пестицидів дітіокарбаматів.

Біологічна роль

У електронній транспортній мережі

Мідь є важливим елементом для життя. Він бере участь у електронному транспортному ланцюжку, що входить до складу комплексу IV. Заключний крок електронного транспортного ланцюга відбувається в цьому комплексі: відновлення молекули кисню до утворення води.

Комплекс IV складається з двох груп хе, цитохрому a, цитохрому a ₃ , а також двох центрів Cu; один називається CuA, а другий CuB. Цитохром a ₃ і CuB утворюють двоядерний центр, в якому відбувається відновлення кисню до води.

На цій стадії Cu переходить зі свого стану окислення +1 до +2, віддаючи електрони молекулі кисню. Електронний транспортний ланцюг використовує NADH та FADH ₂ , з циклу Кребса, як донори електронів, за допомогою яких він створює електрохімічний градієнт водню.

Цей градієнт служить джерелом енергії для генерації АТФ у процесі, відомому як окисне фосфорилювання. Отже, і в кінцевому підсумку наявність міді необхідна для вироблення АТФ в еукаріотичних клітинах.

У складі ферменту супероксиддисмутаза

Мідь входить до складу ферменту супероксиддисмутази - ферменту, який каталізує розпад іона супероксиду (O ₂ ^- ), сполуки, токсичної для живих істот.

Супероксиддисмутаза каталізує розпад іона супероксиду на кисень та / або перекис водню.

Супероксиддисмутаза може використовувати відновлення міді для окислення супероксиду до кисню, або це може спричинити окислення міді з утворенням перекису водню з супероксиду.

У гемоціаніні

Гемоціанін - це білок, присутній у крові деяких павукоподібних, ракоподібних і молюсків. Він виконує аналогічну функцію гемоглобіну у цих тварин, але замість того, щоб мати залізо в місці транспортування кисню, у нього є мідь.

Гемоціанін має два активних атома міді. З цієї причини колір гемоціаніну синьо-зелений. Металеві мідні центри не знаходяться в безпосередньому контакті, але мають близьке розташування. Молекула кисню просочується між двома атомами міді.

Концентрація в організмі людини

Організм людини містить від 1,4 до 2,1 мг Cu / кг маси тіла. Мідь всмоктується в тонкому кишечнику і потім передається в печінку разом з альбуміном. Звідти мідь транспортується до решти людського організму, приєднаної до церулоплазміну білка плазми.

Надлишок міді виводиться через жовч. Однак у деяких випадках, наприклад, при хворобі Вілсона, мідь накопичується в організмі, виявляючи токсичну дію металу, що впливає на нервову систему, нирки та очі.

Список літератури

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM та ін. (2019). Застосування мідних наночастинок для колориметричного виявлення пестицидів дитиокарбамата. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Санчес-Санхуеза, Габріела, Фуентес-Родрігес, Даніела та Белло-Толедо, Гелія. (2016). Наночастинки міді як потенційний антимікробний засіб при дезінфекції кореневих каналів: систематичний огляд. Міжнародний журнал одонтостоматології, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Вікіпедія. (2019). Мідь. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Теренс Белл. (19 вересня 2018 р.). Фізичні властивості міді берилію. Відновлено з: thebalance.com
5. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (03 липня 2019 р.). Факти міді: хімічні та фізичні властивості. Відновлено з: thinkco.com
6. Редактори Encyclopeedia Britannica. (26 липня 2019 р.). Мідь: хімічний елемент. Енциклопедія Британіка. Відновлено: britannica.com
7. Редактор. (10 листопада 2018 р.). Халькопірит. Відновлено: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Періодична таблиця: мідь. Відновлено з: lenntech.com