História do cobre, propriedades, estrutura, usos, papel biológico

Ele cobre É um metal de transição que pertence ao grupo 11 da tabela periódica e é representado pelo símbolo químico CU. É caracterizado e distinguido por ser um metal vermelho-laranja, muito dúctil e maleável, sendo também um grande condutor de eletricidade e calor.

Em sua forma metálica, é encontrado como mineral primário em rochas basálticas. Enquanto isso, enferrujado em compostos sulfurosos (aqueles com a maior exploração de mineração), arseniuros, cloretos e carbonatos; isto é, uma vasta categoria de minerais.

Despertador feito de cobre. Fonte: Pixabay.

Entre os minerais que o contêm, podem ser mencionados calcocite, calcopirita, íngreme, couprita, malaquita e azul. Cobre também está presente em cinzas de algas, corais marinhos e artrópodes.

Este metal tem uma abundância de 80 ppm na crosta terrestre e uma concentração média na água do mar de 2,5 ∙ 10^-4 mg/l. Na natureza, é apresentado como dois isótopos naturais: ⁶³Cu, com uma abundância de 69,15 %, e o ⁶⁵Cu, com uma abundância de 30,85%.

Há evidências de que o cobre foi lançado em 8000 para. C. E liga com estanho para formar o bronze, em 4000 para. C. Considera -se que apenas ferro e ouro meteóricos, eles o precedem como os primeiros metais usados ​​pelo homem. Portanto, é sinônimo de brilho arcaico e laranja ao mesmo tempo.

O cobre é usado principalmente na elaboração de cabos para dirigir eletricidade em motores elétricos. Tais cabos, pequenos ou grandes, compõem máquinas ou dispositivos da indústria e na vida cotidiana.

O cobre intervém na cadeia de transporte eletrônico que permite a síntese de ATP; principal composto de energia dos seres vivos. É um co -fundador da dismutase de superoxido: enzima que se degrada ao íon superóxido, composto altamente tóxico para os seres vivos.

Além disso, o cobre está em conformidade com a hemocianina um papel no transporte de oxigênio em alguns aracnídeos, crustáceos e moluscos, o que é semelhante ao de ferro em hemoglobina.

Apesar de todas as suas ações benéficas para o homem, cobre quando ele se acumula no corpo humano, esse é o caso da doença de Wilson, pode causar cirrose hepática, distúrbios cerebrais e danos oculares, entre outras alterações.

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História

Idade de cobre

O cobre nativo foi usado para a elaboração de artefatos como substituto da pedra no neolítico, provavelmente entre os anos 9000 e 8000 para. C. O cobre é um dos primeiros metais usados ​​pelo homem, depois de ferro presente em meteoritos e ouro.

Há evidências do uso da mineração na obtenção de cobre em 5000 para. C. Já para uma data anterior, os artigos de cobre foram construídos; É o caso de uma inclinação feita no Iraque estimavelmente em 8700 para. C.

Por sua vez, acredita -se que a metalurgia nasceu na Mesopotâmia (Iraque atual) em 4000 para. C., Quando o metal dos minerais foi reduzido usando fogo e carvão. Então, cobre intencionalmente ligado com estanho para produzir bronze (4000 para. C.).

Alguns historiadores apontam uma idade de cobre, que estaria cronologicamente localizada entre o neolítico e a Idade do Bronze. Posteriormente, a Idade do Ferro substituiu a do bronze entre 2000 e 1000 para. C.

Idade do Bronze

A Idade do Bronze começou 4000 anos depois que o cobre foi possível derreter. Os artigos de bronze da cultura Vinca datam de 4500 para. C.; Enquanto em Suméria e Egito existem objetos de bronze elaborados 3000 anos. C.

O uso de carbono radioativo permitiu estabelecer a existência de mineração de cobre em Alderley Edge, Cheshire e o Reino Unido, entre os anos 2280 e 1890. C.

Pode -se notar que Ötzi, o "homem do gelo" com uma data estimada entre 3300 e 3200 para. C., Eu tinha um machado com uma cabeça de cobre pura.

Os romanos do século VII a. C. Eles usaram peças de cobre como moeda. Julio Cesar usou moedas de latão, liga de cobre e zinco. Além disso, as moedas de Octavio foram feitas com uma liga de cobre, chumbo e lata.

Produção e nome

A produção de cobre no Império Romano atingiu 150.000 toneladas por ano, figura apenas durante a revolução industrial. Os romanos trouxeram o cobre de Chipre, sabendo disso como Aes Cyprium ("Chipre Metal").

Então, o termo degenerado em Cuprum: Nome usado para designar cobre até 1530, quando o termo da raiz inglesa 'cobre' foi introduzido, para designar o metal.

A grande montanha de cobre na Suécia, que trabalhava do século X a 1992, cobriu 60% do consumo da Europa no século XVII no século XVII. A fábrica de Norddeutsche Affinerie em Hamburgo (1876), foi a primeira planta de galvanoplastia moderna que usou cobre.

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Propriedades físicas e químicas

Aparência

O cobre é um metal vermelho laranja brilhante, enquanto a maioria dos metais nativos é cinza ou prata.

Número atômico (Z)

29

Peso atômico

63.546 u

Ponto de fusão

1.084.62 ºC

Gases comuns como oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono e dióxido de enxofre são solúveis em cobre fundido e afetam as propriedades mecânicas e elétricas do metal quando solidificadas.

Ponto de ebulição

2.562 ºC

Densidade

- 8,96 g/ml à temperatura ambiente.

- 8.02 g/ml no ponto de fusão (líquido).

Observe que não há uma diminuição considerável na densidade entre a fase sólida e líquida; Ambos representam materiais muito densos.

Calor de fusão

13,26 kJ/mol.

Calor de vaporização

300 kJ/mol.

Capacidade calórica molar

24.44 J/(mol ∙ k).

Expansão térmica

16,5 µm/(m ∙ k) a 25 ° C.

Condutividade térmica

401 W/(M ∙ K).

Resistividade elétrica

16,78 Ω ∙ m a 20 ºC.

Condutividade elétrica

59.6 ∙ 10⁶ VÓS.

O cobre apresenta uma condução elétrica muito alta, superada apenas pela de La Plata.

Dureza mohs

3.0.

É, portanto, um metal macio e também bastante dúctil. Resistência e dureza aumentam através do trabalho de frio devido à formação de cristais alongados da mesma estrutura cúbica centrada na face presente em cobre.

Reações químicas

Ensaio de chama de cobre, que é identificado pela cor de sua chama verde azulada. Fonte: SWN (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: flametest-co-Cu.Swn.Jpg)

O cobre não reage com a água, mas com oxigênio atmosférico, cobrindo uma camada de óxido de grão preto que fornece proteção contra corrosão às camadas subjacentes do metal:

2CU (s) + O₂(g) → 2cuo

O cobre não é solúvel em ácidos diluídos, no entanto, reage com ácidos sulfúrico e nítrico quente e concentrado. Também é solúvel em amônia em solução aquosa e em cianeto de potássio.

Você pode resistir à ação do ar atmosférico e à água do mar. No entanto, sua exposição prolongada resulta na formação de uma fina camada de protetor verde (skate).

A camada anterior é uma mistura de carbonato de cobre e sulfato, observado em edifícios ou esculturas antigas, como a estátua da liberdade de Nova York.

O cobre reage o aquecimento vermelho com oxigênio para dar óxido cúprico (CuO) e a temperaturas mais altas moldam o óxido cuposo (Cu₂QUALQUER). Também reage quente com enxofre para causar sulfeto de cobre; Portanto, é manchado quando é exposto a alguns compostos de enxofre.

O cobre i queima com uma chama azul em um teste de chama; Enquanto Copper II emite uma chama verde.

Estrutura e configuração eletrônica

Os cristais de cobre cristalizam na estrutura cúbica centrada nas faces (FCC) Face Cenred Cubic). Neste cristal da FCC, os átomos são unidos graças à ligação metálica, que é comparativamente mais fraca que outros metais de transição; Feito em sua grande ductilidade e baixo ponto de fusão (1084 ºC).

De acordo com a configuração eletrônica:

[AR] 3D¹⁰ 4s¹

Todos os orbitais 3D estão cheios de elétrons, enquanto há uma vaga no orbital 4s. Isso significa que os orbitais 3D não colaboram no link metálico como associado a outros metais. Assim, os átomos de Cu ao longo do vidro se sobrepõem aos seus orbitais 4s para criar bandas, influenciando a força relativamente fraca de suas interações.

De fato, a diferença energética resultante entre os elétrons do orbital 3D (completa) e 4s (sementes) é responsável por cristais de cobre que absorvem fótons do espectro visível, refletindo sua cor laranja distinta.

Os cristais de cobre FCC podem ter tamanhos diferentes, que, os menores, serão mais fortes a peça de metal. Quando eles são muito pequenos, se fala em nanopartículas, sensíveis à oxidação e reservadas para aplicações seletivas.

Números de oxidação

O primeiro número ou o status de oxidação que se pode esperar de cobre é +1, após a perda do elétron de seu orbital 4s. Por tê -lo em um composto, a existência do cátion é assumida⁺ (Comumente chamado de CuProso).

Este e o número de oxidação +2 (Cu²⁺) são os mais conhecidos e abundantes para o cobre; Eles geralmente são os únicos ensinados na escola. No entanto, também existem números de oxidação +3 (Cu³⁺) e +4 (Cu⁴⁺), que não são tão raros quanto você pode pensar à primeira vista.

Por exemplo, os sais do ânion cupato, Cuo₂^-, Eles representam compostos de cobre (iii) ou +3; É o caso do Potassium Couprato, Kcuo₂ (K⁺Cu³⁺QUALQUER₂^2-).

O cobre também, embora em menor grau e em uma ocasião muito rara, possa ter um número de oxidação negativo: -2 (Cu^2-).

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Como é obtido

Matéria prima

Os minerais mais utilizados para extração de cobre são sulfetos de metal, principalmente calcopirita (copos₂) E o Bornita (Cu₅Fes₄). Esses minerais contribuem com 50% do total de cobre extraído. Eles também são usados ​​para obter o cobre da Calellita (CUS) e Calcocita (Cu₂S).

Esmagando e moendo

Inicialmente, as rochas são esmagadas até obter 1,2 cm de fragmentos de rocha. Em seguida, continue com uma moagem dos fragmentos de rocha, até obter partículas de 0,18 mm. Água e reagentes são adicionados para obter uma pasta, que é então realizada para obter um concentrado de cobre.

Flutuação

Nesta fase. Vários processos de coleta de espuma são realizados, secando -o para obter o concentrado que continua sua purificação.

Purificação

Para separar o cobre de outros metais e impurezas, o concentrado seco é submetido a altas temperaturas em fornos especiais. O cobre refinado de incêndio (RAF) é moldado em placas um peso aproximado de 225 kg que constituirá ânodos.

Eletrólise

A eletrólise é usada no refinamento de cobre. Os ânodos da fundição são levados para células eletrolíticas para refinar. O cobre se move para o cátodo e as impurezas sedimentos no fundo das células. Nesse processo, os cátodos de cobre são obtidos com 99,99% de pureza.

Ligas de cobre

Bronze

O bronze é uma liga de cobre e estanho, constituindo cobre entre 80 e 97% do mesmo. Foi usado na fabricação de armas e utensílios. Atualmente é usado na elaboração de peças mecânicas resistentes a esfregar e corrosão.

Além disso, é usado na construção de instrumentos musicais, como sinos, gongos, pratos, saxofones e cordas de harpas, guitarras e piano.

Latão

Brass é uma liga de cobre e zinco. Nos sutiãs industriais, a porcentagem de zinco é inferior a 50%. É usado na elaboração de recipientes e estruturas de metal.

Monel

A liga de monel é uma liga de níquel-cole, com uma proporção de 2: 1 entre níquel e cobre. É resistente à corrosão e é usado em trocadores de calor, hastes e arcos das lentes.

Constatan

A verificação é uma liga que consiste em 55% de cobre e 45% de níquel. É usado para fazer moedas e é caracterizado por resistência constante. Além disso, a liga Cuproníquel é usada para o revestimento externo de moedas de baixa denominação.

Becu

A liga de cobre-berilio tem uma porcentagem de 2% beril. Esta liga combina força, dureza, condutividade elétrica e resistência à corrosão. A liga é comumente usada em conectores elétricos, produtos de telecomunicações, componentes de pequenos computadores e molas.

As ferramentas como chaves, chaves de fenda e martelos usadas em minas de petróleo e carvão têm as iniciais do BECEC como uma garantia de que não produzem faíscas.

Outros

90% de liga de prata e 10% de cobre foram usados ​​em moedas, até 1965, quando o uso de prata foi eliminado em todas as moedas, com exceção da moeda de meio dólar.

Cobre e liga de alumínio a 7% são de cor dourada e é usada na decoração. Enquanto isso, o Shakudo é uma liga decorativa japonesa de cobre e ouro, em baixa porcentagem (4 a 10%).

Formulários

Fiação elétrica e motores

Fiação elétrica de cobre. Fonte: Scott Ehardt [Domínio Público]

Cobre devido ao seu alto custo elétrico e baixo é o metal preferido para uso em fiação elétrica. O cabo de cobre é usado nos estágios variados da eletricidade, como geração de eletricidade, transmissão, distribuição, etc.

50% do cobre produzido no mundo é usado na elaboração de cabos e fios elétricos, devido à sua alta condutividade elétrica, facilidade de fio (ductilidade), resistência à deformação e corrosão.

O cobre também é usado na elaboração de circuitos integrados e placas de circuito impresso. O metal é usado em calor e trocadores de calor devido à sua alta condução térmica, o que facilita a dissipação de calor.

O cobre é usado em eletromagnets, tubos de vácuo, cátodo e tubos de magnetrons de fornos de microondas.

Da mesma forma, é usado na construção de motores e sistemas elétricos que colocam os motores, representando esses itens em torno de 40% do consumo mundial de eletricidade.

Construção

O cobre, devido à sua resistência à corrosão e à ação do ar atmosférico, tem sido usada há muito tempo nos telhados da casa, doping, cúpulas, portas, janelas, etc.

Atualmente, é usado no forro das paredes e itens decorativos, como acessórios para banheiros, portas e lâmpadas. Além disso, é usado em produtos antimicrobianos.

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Ação bioestática

O cobre impede que inúmeras formas de vida não podem crescer nele. Foi usado em folhas que foram colocadas na parte inferior dos barcos dos navios para impedir o crescimento de moluscos, como mexilhões, bem como os perclabes.

As pinturas baseadas em cobre são atualmente usadas para a proteção acima mencionada de navios. O cobre metálico pode neutralizar inúmeras bactérias por contato.

Seu mecanismo de ação baseado em suas propriedades iônicas, corrosivas e físicas foi estudada. A conclusão foi que o comportamento oxidante do cobre, juntamente com as propriedades de solubilidade de seus óxidos, são os fatores que fazem com que o cobre metálico seja antibacteriano.

Atua de cobre metálico em algumas cepas de E. coli, S. aureus e Clostridium difficile, Grupo A Vírus, adenovírus e fungos. Portanto, foi projetado usar ligas de cobre que estão em contato com as mãos dos passageiros em diferentes meios de transporte.

Nanopartículas

A ação antimicrobiana do cobre é ainda reforçada quando suas nanopartículas são usadas, que se mostraram úteis para tratamentos endodonticos.

Da mesma forma, as nanopartículas de cobre são excelentes adsorventes e, como são laranja, uma mudança de cor nelas representa um método colorimétrico latente; Por exemplo, desenvolvido para a detecção de pesticidas ditiocarbamatos.

Artigo biológico

Na cadeia de transporte eletrônico

Cobre é um elemento essencial para a vida. Intervém na cadeia de transporte eletrônico, fazendo parte do complexo IV. Neste complexo, é realizada a etapa final da cadeia de transporte eletrônico: a redução da molécula de oxigênio para formar água.

O complexo IV é composto de dois grupos, um citocromo a, um citocromo para₃, bem como dois centros CEN; um chamado Cua e o outro filhote. O citocromo a₃ e Cub formam um centro binuclear, no qual ocorre redução de oxigênio à água.

Nesta fase, o Cu passa de seu estado de oxidação +1 a +2, dando elétrons para a molécula de oxigênio. A cadeia de transporte eletrônico usa NADH e FADH₂, Do ciclo Krebs, como doadores de elétrons, com quem cria um gradiente eletroquímico de hidrogênio.

Este gradiente serve como uma fonte de energia para a geração de ATP, em um processo conhecido como fosforilação oxidativa. Portanto, e, finalmente, a presença de cobre é necessária para a produção de ATP em células eucarióticas.

Na enzima superóxido dismutase

O cobre faz parte da enzima superóxido dismutase, enzima que catalisa a decomposição do íon superóxido (ou₂^-), Composto tóxico para seres vivos.

Supmutasa Supplias catalisa a decomposição do íon superóxido para transformá -lo em oxigênio e/ou peróxido de hidrogênio.

O superóxido de dismutase pode usar a redução de cobre para oxidar o superóxido de oxigênio ou pode causar oxidação de cobre para formar peróxido de hidrogênio a partir de superóxido.

Em hemocianina

A hemocianina é uma proteína presente no sangue de alguns aracnídeos, crustáceos e moluscos. Ele cumpre uma função semelhante à hemoglobina nesses animais, mas em vez de ter ferro no local de transporte de oxigênio, possui cobre.

A hemocianina tem dois átomos de cobre em seu lugar ativo. Por esse motivo, a cor da hemocianina é azul esverdeada. Os centros de metal de cobre não estão em contato direto, mas têm um local próximo. A molécula de oxigênio é intercalada entre os dois átomos de cobre.

Concentração no corpo humano

O corpo humano contém entre 1,4 e 2,1 mg de Cu/kg de peso corporal. O cobre é absorvido no intestino delgado e depois é levado ao fígado preso à albumina. A partir daí, o cobre é transportado para o restante do corpo humano preso à proteína plasmática ceruloplasmina.

O excesso de cobre é excretado através da bile. Em alguns casos, no entanto, como é o caso na doença de Wilson, o cobre se acumula no corpo, manifestando efeitos tóxicos do metal que afetam o sistema nervoso, rins e olhos.

Referências

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