МЕД: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ, БИОЛОГИЧНА РОЛЯ - ХИМИЯ - 2024

На мед е преходен метал, принадлежащ към група 11 от периодичната таблица и е представен чрез химически символ Cu. Той се характеризира и отличава с това, че е червено-оранжев метал, много пластичен и ковък, освен това е чудесен проводник на електричество и топлина.

В своята метална форма се среща като основен минерал в базалтовите скали. Междувременно се окислява в серни съединения (тези с по-голяма експлоатация на рудници), арсениди, хлориди и карбонати; тоест огромна категория минерали.

Будилник, изработен от мед. Източник: Pixabay

Сред минералите, които го съдържат, можем да споменем халкоцит, халкопирит, борнит, куприт, малахит и азурит. Медта присъства и в пепелта от водорасли, в морските корали и в членестоногите.

Този метал има изобилие от 80 ppm в земната кора и средна концентрация в морската вода 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. В природата се среща като два естествени изотопа: ⁶³ Cu, с изобилие от 69,15%, и ⁶⁵ Cu, с изобилие от 30,85%.

Има доказателства, че медта е била топена през 8000 г. пр.н.е. С. и легиран с калай за образуване на бронз, през 4000 г. пр. Н. Е. В. Счита се, че само метеорично желязо и злато го предхождат като първите метали, използвани от човека. По този начин той е синоним на архаично и оранжево сияние едновременно.

Медта се използва главно в производството на кабели за провеждане на електричество в електрически двигатели. Такива кабели, малки или големи, съставят машини или устройства в индустрията и в ежедневието.

Медът участва в електронната транспортна верига, която позволява синтеза на АТФ; основно енергийно съединение на живите същества. Това е кофактор на супероксид дисмутаза: ензим, който разгражда супероксидния йон, съединение, силно токсично за живите същества.

В допълнение, медта играе роля на хемоцианина в транспортирането на кислород в някои паякообразни, ракообразни и мекотели, което е подобно на това, което се извършва от желязото в хемоглобина.

Въпреки всичките му полезни действия за човека, когато медта се натрупва в човешкото тяло, такъв е случаят с болестта на Уилсън, наред с други промени може да причини чернодробна цироза, мозъчни разстройства и увреждане на очите.

история

Медна възраст

Родната мед е била използвана за направата на артефакти като заместител на камък в неолита, вероятно между 9000 и 8000 г. пр. Н. Е. В. Медта е един от първите метали, използвани от човека, след присъствието на желязо в метеорити и злато.

Има данни за използването на добив при получаване на мед през 5000 г. пр.н.е. В. Вече за предходна дата са изработени изделия от мед; такъв е случаят с обица, направена в Ирак, изчислена на 8700 г. пр.н.е. ° С.

От своя страна се смята, че металургията е родена в Месопотамия (сега Ирак) през 4000 г. пр.н.е. В., когато е възможно да се намали металът на минералите чрез използването на огън и въглища. По-късно медът е умишлено легиран с калай за получаване на бронз (4000 г. пр.н.е.).

Някои историци посочват медна епоха, която би била разположена хронологично между неолита и бронзовата епоха. По-късно желязната ера замества бронзовата епоха между 2000 и 1000 г. пр.н.е. ° С.

Бронзова епоха

Бронзовата епоха започва 4000 години след топенето на медта. Бронзовите предмети от културата Винка датират от 4500 г. пр.н.е. ° С.; докато в Шумерия и Египет има бронзови предмети, направени 3000 години пр.н.е. ° С.

Използването на радиоактивен въглен установява съществуването на добив на мед в Алдерли Едж, Чешир и Обединеното кралство, между 2280 и 1890 г. пр. Н. Е. ° С.

Може да се отбележи, че Ötzi, „леденият човек“ с прогнозна дата между 3300 и 3200 г. пр.н.е. В., имаше брадва с глава от чиста мед.

Римляните от VI в. Пр. Н. Е. Използвали парчета мед като валута. Юлий Цезар използвал монети, изработени от месинг, мед и цинкова сплав. Освен това монетите на Октавиан са направени със сплав от мед, олово и калай.

Производство и име

Производството на мед в Римската империя достига 150 000 тона годишно, цифра надмина само по време на Индустриалната революция. Римляните донесоха мед от Кипър, познавайки го като Айс Киприум („метал от Кипър“).

По-късно терминът се изражда в Cuprum: наименование, използвано за обозначаване на медта до 1530 година, когато английският корен термин 'мед' е въведен за обозначаване на метала.

Голямата медна планина в Швеция, която функционира от 10 век до 1992 г., покрива 60% от потреблението в Европа през 17 век. Заводът La Norddeutsche Affinerie в Хамбург (1876) е първият модерен завод за галванопластика, който използва мед.

Физични и химични свойства

Външен вид

Медта е лъскав оранжево-червен метал, докато повечето местни метали са сиви или сребърни.

Атомно число (Z)

29

Атомно тегло

63,546 ф

Точка на топене

1,084,62 ºC

Обичайните газове като кислород, азот, въглероден диоксид и серен диоксид са разтворими в разтопена мед и влияят на механичните и електрическите свойства на метала при втвърдяването му.

Точка на кипене

2,562 ºC

плътност

- 8,96 g / ml при стайна температура.

- 8,02 g / ml при температура на топене (течност).

Обърнете внимание, че няма значително намаляване на плътността между твърдата и течната фаза; и двете представляват много плътни материали.

Топлина от синтез

13,26 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

300 kJ / mol.

Моларен калоричен капацитет

24,44 J / (мол * К).

Термично разширение

16,5 цт / (т * К) при 25 ° С.

Топлопроводимост

401 W / (m ∙ K).

Електрическо съпротивление

16,78 Ω ∙ m при 20 ° C.

Електрическа проводимост

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Медта има много висока електрическа проводимост, надминат само среброто.

Mohs твърдост

3.0.

Следователно той е мек метал и също така доста пластичен. Устойчивостта и здравината се повишават при студена обработка поради удълженото образуване на кристали на една и съща лицева центрирана кубична структура, присъстваща в мед.

Химична реакция

Тест за меден пламък, който се идентифицира по цвета на синьо-зеления пламък. Източник: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Медта не реагира с вода, но реагира с атмосферен кислород, покрива се със слой от черно-кафяв оксид, който осигурява защита от корозия на основните слоеве на метала:

2Cu (и) + O ₂ (г) → 2CuO

Медта не е разтворима в разредени киселини, но реагира с горещи и концентрирани сярна и азотна киселина. Освен това е разтворим в амоняк във воден разтвор и в калиев цианид.

Той може да устои на действието на атмосферния въздух и морската вода. Продължителното му излагане обаче води до образуването на тънък зелен защитен слой (патина).

Предишният слой е смес от карбонат и меден сулфат, наблюдаван в стари сгради или скулптури, като Статуята на свободата в Ню Йорк.

Медта реагира нагрято до червено с кислород, за да даде куприков оксид (CuO), а при по-високи температури образува меден оксид (Cu ₂₀). Той също реагира горещо със сяра, за да се получи меден сулфид; следователно, той става мъглив, когато е изложен на някои серни съединения.

Мед I изгаря със син пламък при тест за пламък; докато мед II излъчва зелен пламък.

Структура и електронна конфигурация

Медните кристали кристализират в кубичната (FCC) структура, насочена към лицето. В този fcc кристал Cu атомите остават прикрепени благодарение на металната връзка, която е сравнително по-слаба от другите преходни метали; факт се проявява в неговата голяма пластичност и ниска точка на топене (1084 ºC).

Според електронната конфигурация:

3d ¹⁰ 4s ¹

Всички 3d орбитали са запълнени с електрони, докато в орбиталата 4s има свободно място. Това означава, че 3d орбиталите не си сътрудничат в металната връзка, както може да се очаква от други метали. Така Cu атомите по протежение на кристала припокриват своите 4s орбитали, за да създадат ленти, влияещи на относително слабата сила на техните взаимодействия.

Всъщност, получената енергийна разлика между 3d (пълен) и 4s (полу-пълен) орбитален електрон е отговорна за медните кристали, абсорбиращи фотони от видимия спектър, отразяващи техния характерен оранжев цвят.

Медните кристали FCC могат да имат различни размери, които колкото по-малки са, толкова по-силно ще бъде металното парче. Когато те са много малки, тогава говорим за наночастици, чувствителни към окисляване и запазени за селективно приложение.

Окислителни числа

Първото число или състояние на окисляване, което може да се очаква от мед, е +1, поради загубата на електрона от неговата 4s орбитала. Когато го има в съединение, се предполага съществуването на Cu ⁺ катион (обикновено наричан купринов йон).

Това и окислителното число +2 (Cu ²⁺) са най-известните и най-разпространените за медта; като цяло те са единствените, които се преподават на ниво в гимназията. Съществуват обаче и окислителни числа +3 (Cu ³⁺) и +4 (Cu ⁴⁺), които не са толкова редки, колкото може би си мислите на пръв поглед.

Например, солите на анион купрат, CuO ₂ ^-, представляват съединения с меден (III) или 3; такъв е случаят с калиев купрат, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-).

Медта също, макар и в по-малка степен и в много редки случаи, може да има отрицателно окислително число: -2 (Cu ^2-).

Как се получава

Суров материал

Най-използваните за извличането на мед минерали са метални сулфиди, главно халкопирит (CuFeS ₂) и борнит (Cu ₅ FeS ₄). Тези минерали допринасят за 50% от общата извлечена мед. Calellite (CuS) и халкоцит (Cu ₂ S) също се използва за получаване на мед.

Раздробяване и смилане

Първоначално скалите са натрошени, за да се получат скалисти фрагменти от 1,2 cm. След това продължава с смилане на скалните фрагменти, докато се получат частици от 0,18 mm. Вода и реагенти се добавят за получаване на паста, която след това се плава до получаване на меден концентрат.

флотация

На този етап се образуват мехурчета, които улавят медни и серни минерали, които присъстват в пулпата. Провеждат се няколко процеса за събиране на пяната, изсушаването й до получаване на концентрата, който продължава пречистването му.

пречистване

За отделяне на медта от други метали и примеси сухият концентрат се подлага на високи температури в специални пещи. Огнено рафинираната мед (RAF) се формира в плочи с тегло приблизително 225 kg, които ще представляват аноди.

електролиза

Електролизата се използва при рафинирането на медта. Анодите от топилнята се отвеждат в електролитичните клетки за рафиниране. Медът пътува до катода и примесите се установяват в дъното на клетките. При този процес се получават медни катоди с 99,99% чистота.

Медни сплави

бронз

Бронзът е сплав от мед и калай, като медта представлява между 80 и 97% от нея. Използван е при производството на оръжия и прибори. В момента се използва при производството на механични части, устойчиви на триене и корозия.

В допълнение, той се използва при изграждането на музикални инструменти, като камбани, гонги, кимвали, саксофони и струни на арфи, китари и пиано.

месинг

Месингът е сплав от мед и цинк. В промишлените меси процентът на цинк е по-малък от 50%. Използва се при изработката на контейнери и метални конструкции.

Монел-

Монелната сплав е никело-медна сплав със съотношение 2: 1 никел към мед. Устойчив е на корозия и се използва в топлообменници, пръти и арки на лещи.

Те потвърдиха

Constatán е сплав, съставена от 55% мед и 45% никел. Използва се за направата на монети и се характеризира с постоянно съпротивление. Също така Cupro-никеловата сплав се използва за външно покритие на малки монети в купюри.

милиарда ЕКЮ

Медно-берилиевата сплав има процент на берилий 2%. Тази сплав съчетава сила, твърдост, електрическа проводимост и устойчивост на корозия. Сплавта обикновено се използва в електрически конектори, телекомуникационни продукти, компютърни компоненти и малки пружини.

Инструменти като гаечни ключове, отвертки и чукове, използвани на петролни платформи и въглищни мини, имат инициалите BeCu като гаранция, че няма да предизвикат искри.

друг

Сплавното сребро 90% и медното 10% се използват в монети, до 1965 г., когато използването на сребро е елиминирано във всички валути, с изключение на монетата от половин долар.

7% медна алуминиева сплав е златист на цвят и се използва за декорация. Междувременно Шакудо е японска декоративна сплав от мед и злато, в нисък процент (4 до 10%).

Приложения

Електрическо окабеляване и мотори

Медно електрическо окабеляване Източник: Скот Ехард

Медът поради високата си електрическа проводимост и ниска цена е металът, който е избран за използване в електрическото окабеляване. Медният кабел се използва в различните етапи на електричество, като производство на електроенергия, предаване, разпределение и др.

50% от произвежданата в света мед се използва при производството на електрически кабели и проводници, поради високата си електрическа проводимост, лекота на формиране на проводници (пластичност), устойчивост на деформация и корозия.

Медта се използва и при направата на интегрални схеми и печатни платки. Металът се използва в радиатори и топлообменници поради високата си топлопроводимост, което улеснява разсейването на топлината.

Медта се използва в електромагнитите, вакуумните тръби, катодните лъчи и магнетроните в микровълновите фурни.

По същия начин, той се използва при изграждането на бобините на електродвигателите и системите, които работят на двигателите, което представлява тези изделия около 40% от световното потребление на електроенергия.

Сграда

Медта, поради своята устойчивост на корозия и въздействието на атмосферния въздух, се използва от дълго време в покривите на къщи, водопади, куполи, врати, прозорци и др.

В момента се използва за облицовка на стени и декоративни предмети, като аксесоари за баня, дръжки за врати и лампи. Също така се използва в антимикробни продукти.

Биостатично действие

Медта пречи на многобройните форми на живот да растат отгоре му. Използвана е в чаршафи, които са били поставени на дъното на корпусите на корабите, за да се предотврати растежа на мекотели, като миди, както и банани.

В момента боите на основата на мед се използват за горепосочената защита на корабните корпуси. Металната мед може да неутрализира много бактерии при контакт.

Механизмът му на действие е проучен въз основа на нейните, корозивни и физични свойства. Изводът беше, че окислителното поведение на медта, заедно със свойствата на разтворимост на неговите оксиди са факторите, които причиняват антибактериалността на металната мед.

Металната мед действа върху някои щамове на E. coli, S. aureus и Clostridium difficile, вируси от група А, аденовируси и гъбички. Поради това се планира да се използват медни сплави, които са в контакт с ръцете на пътниците в различни транспортни средства.

Наночастиците

Антимикробното действие на медта се усилва допълнително, когато се използват наночастиците му, които се оказаха полезни за ендодонтско лечение.

По същия начин медните наночастици са отлични адсорбенти и тъй като са оранжеви, промяна на цвета в тях представлява латентен колориметричен метод; например, разработен за откриване на петициди на дитиокарбамати.

Биологична роля

В електронната транспортна верига

Медта е съществен елемент за живота. Той участва в електронната транспортна верига, представляваща част от комплекс IV. Последната стъпка на електронната транспортна верига се осъществява в този комплекс: редуцирането на кислородната молекула до образуване на вода.

Комплекс IV е съставен от две групи на хае, цитохром a, цитохром a ₃, както и два Cu центъра; единият се нарича CuA, а другият CuB. Цитохром a ₃ и CuB образуват двуядрен център, в който става редукцията на кислорода до водата.

На този етап Cu преминава от своето състояние на окисление от +1 до +2, давайки електрони на молекулата на кислорода. Електронната транспортна верига използва NADH и FADH ₂, от цикъла на Кребс, като донори на електрон, с които създава електрохимичен водороден градиент.

Този градиент служи като източник на енергия за генерирането на АТФ, в процес, известен като окислително фосфорилиране. Така че и в крайна сметка наличието на мед е необходимо за производството на АТФ в еукариотни клетки.

В ензима супероксид дисмутаза

Медта е част от ензима супероксид дисмутаза, ензим, който катализира разграждането на супероксидния йон (O ₂ ^-), съединение, което е токсично за живите същества.

Супероксид дисмутазата катализира разграждането на супероксидния йон в кислород и / или водороден пероксид.

Супероксидната дисмутаза може да използва редукцията на медта, за да окисли супероксида до кислород, или може да доведе до окисляване на медта до образуване на водороден пероксид от супероксид.

В хемоцианин

Хемоцианинът е протеин, присъстващ в кръвта на някои паякообразни, ракообразни и мекотели. Той изпълнява подобна функция на хемоглобина при тези животни, но вместо да има желязо на мястото на транспортиране на кислород, има мед.

Хемоцианинът има два медни атома в активното си място. Поради тази причина цветът на хемоцианина е синьо-зелен. Металните медни центрове не са в пряк контакт, но имат близко разположение. Молекулата на кислорода е пясъчна между двата медни атома.

Концентрация в човешкото тяло

Човешкото тяло съдържа между 1,4 и 2,1 mg Cu / kg телесно тегло. Медта се абсорбира в тънките черва и след това се пренася в черния дроб заедно с албумин. Оттам медта се транспортира до останалата част от човешкото тяло, прикрепена към плазмения протеин церулоплазмин.

Излишъкът от мед се отделя чрез жлъчката. В някои случаи обаче, например при болестта на Уилсън, медта се натрупва в организма, проявявайки токсични ефекти на метала, които засягат нервната система, бъбреците и очите.

Препратки

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Приложения на медни наночастици за колориметрично откриване на дитиокарбаматни пестициди. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Санчес-Санхуеза, Габриела, Фуентес-Родригес, Даниела и Бело-Толедо, Хелия. (2016 г.). Медните наночастици като потенциално антимикробно средство при дезинфекция на кореновите канали: систематичен преглед. Международно списание по одонтостоматология, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Мед. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Теренс Бел. (19 септември 2018 г.). Физични свойства на берилиевата мед. Възстановени от: thebalance.com
5. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (03 юли 2019 г.). Медни факти: Химически и физични свойства. Възстановено от: thinkco.com
6. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (26 юли 2019 г.). Мед: химически елемент. Енциклопедия Британика. Възстановено от: britannica.com
7. Редактор. (10 ноември 2018 г.). Халкопирит. Възстановени от: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Периодична таблица: мед. Възстановена от: lenntech.com