KOPER: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK, BIOLOGISCHE ROL - CHEMIE - 2026

Het koper is een overgangsmetaal dat behoort tot groep 11 van het periodiek systeem en wordt weergegeven door het chemische symbool Cu. Het wordt gekenmerkt en onderscheidt zich doordat het een roodoranje metaal is, zeer taai en kneedbaar, en tevens een uitstekende geleider van elektriciteit en warmte is.

In zijn metaalachtige vorm wordt het gevonden als een primair mineraal in basaltgesteenten. Ondertussen wordt het geoxideerd in zwavelhoudende verbindingen (die van grotere mijnbouwexploitatie), arseniden, chloriden en carbonaten; dat wil zeggen, een enorme categorie mineralen.

Wekker gemaakt van koper. Bron: Pixabay.

Onder de mineralen die het bevatten, kunnen we chalcociet, chalcopyriet, borniet, cupriet, malachiet en azuriet noemen. Koper is ook aanwezig in de as van algen, in zeekoralen en in geleedpotigen.

Dit metaal heeft een overvloed van 80 ppm in de aardkorst en een gemiddelde concentratie in zeewater van 2,5 ∙ ^10-4 mg / L. In de natuur komt het voor als twee natuurlijke isotopen: ⁶³ Cu, met een overvloed van 69,15%, en ⁶⁵ Cu, met een overvloed van 30,85%.

Er zijn aanwijzingen dat koper in 8000 voor Christus werd gesmolten. C. en gelegeerd met tin om brons te vormen, in 4000 voor Christus. C. Aangenomen wordt dat alleen meteoorijzer en goud eraan voorafgaan als de eerste metalen die door de mens worden gebruikt. Het is dus tegelijkertijd synoniem met archaïsche en oranje gloed.

Koper wordt voornamelijk gebruikt bij de vervaardiging van kabels voor het geleiden van elektriciteit in elektromotoren. Dergelijke kabels, klein of groot, vormen machines of apparaten in de industrie en in het dagelijks leven.

Koper is betrokken bij de elektronische transportketen die de synthese van ATP mogelijk maakt; belangrijkste energiesamenstelling van levende wezens. Het is een cofactor van superoxide-dismutase: een enzym dat het superoxide-ion afbreekt, een verbinding die zeer giftig is voor levende wezens.

Bovendien speelt koper een rol bij hemocyanine bij het zuurstoftransport in sommige spinachtigen, schaaldieren en weekdieren, wat vergelijkbaar is met die van ijzer in hemoglobine.

Ondanks al zijn gunstige effecten voor de mens, wanneer koper zich ophoopt in het menselijk lichaam, zoals het geval is bij de ziekte van Wilson, kan het onder andere levercirrose, hersenaandoeningen en oogbeschadiging veroorzaken.

Geschiedenis

Koperen leeftijd

Inheems koper werd gebruikt om artefacten te maken als vervanging voor steen in het Neolithicum, waarschijnlijk tussen 9000 en 8000 voor Christus. C. Koper is een van de eerste metalen die door de mens worden gebruikt, na het ijzer in meteorieten en goud.

Er zijn aanwijzingen dat er in het jaar 5000 voor Christus mijnbouw werd gebruikt om koper te verkrijgen. C. Reeds voor een eerdere datum werden artikelen van koper vervaardigd; dat is het geval met een oorbel gemaakt in Irak, naar schatting 8700 voor Christus. C.

Op zijn beurt wordt aangenomen dat de metallurgie in 4000 voor Christus in Mesopotamië (nu Irak) is ontstaan. C., toen het mogelijk was om het metaal van de mineralen te verminderen door het gebruik van vuur en steenkool. Later werd koper opzettelijk gelegeerd met tin om brons te produceren (4000 voor Christus).

Sommige historici wijzen op een kopertijd, die chronologisch tussen het neolithicum en de bronstijd zou liggen. Later verving de ijzertijd de bronstijd tussen 2000 en 1000 voor Christus. C.

Bronstijd

De bronstijd begon 4000 jaar nadat koper was gesmolten. Bronzen voorwerpen uit de Vinca-cultuur dateren uit 4500 voor Christus. C.; terwijl er in Sumerië en Egypte bronzen voorwerpen zijn die 3000 jaar voor Christus zijn gemaakt. C.

Het gebruik van radioactieve koolstof heeft het bestaan ​​van kopermijnbouw in Alderley Edge, Cheshire en het Verenigd Koninkrijk tussen de jaren 2280 en 1890 voor Christus doen ontstaan. C.

Opgemerkt kan worden dat Ötzi, de "IJsman" met een geschatte datum tussen 3300 en 3200 v.Chr. C., had een bijl met een kop van puur koper.

De Romeinen uit de 6e eeuw voor Christus. Ze gebruikten stukjes koper als betaalmiddel. Julius Caesar gebruikte munten van messing, koper en zinklegering. Bovendien werden de munten van Octavian gemaakt met een legering van koper, lood en tin.

Productie en naam

De koperproductie in het Romeinse rijk bereikte 150.000 ton per jaar, een cijfer dat alleen tijdens de industriële revolutie werd overtroffen. De Romeinen brachten koper uit Cyprus, in de wetenschap dat het aes Cyprium ("metaal uit Cyprus") was.

Later ontaardde de term in cuprum: een naam die werd gebruikt om koper aan te duiden tot het jaar 1530, toen de Engelse stamterm 'koper' werd geïntroduceerd om het metaal aan te duiden.

De Grote Koperberg in Zweden, die actief was van de 10e eeuw tot 1992, was goed voor 60% van het Europese verbruik in de 17e eeuw. De La Norddeutsche Affinerie-fabriek in Hamburg (1876) was de eerste moderne galvaniseerinstallatie die koper gebruikte.

Fysische en chemische eigenschappen

Verschijning

Koper is een glanzend oranjerood metaal, terwijl de meeste inheemse metalen grijs of zilver zijn.

Atoomnummer (Z)

29

Atoomgewicht

63.546 u

Smeltpunt

1.084,62 ºC

Veel voorkomende gassen zoals zuurstof, stikstof, kooldioxide en zwaveldioxide zijn oplosbaar in gesmolten koper en beïnvloeden de mechanische en elektrische eigenschappen van het metaal wanneer het stolt.

Kookpunt

2.562 ºC

Dichtheid

- 8,96 g / ml bij kamertemperatuur.

- 8,02 g / ml bij smeltpunt (vloeistof).

Merk op dat er geen aanzienlijke afname in dichtheid is tussen de vaste en vloeibare fase; beide vertegenwoordigen zeer dichte materialen.

Warmte van fusie

13,26 kJ / mol.

Warmte van verdamping

300 kJ / mol.

Molaire calorische capaciteit

24,44 J / (mol * K).

Thermische uitzetting

16,5 µm / (m * K) bij 25 ° C.

Warmtegeleiding

401 W / (m ∙ K).

Elektrische weerstand

16,78 Ω ∙ m bij 20 ° C.

Elektrische geleidbaarheid

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Koper heeft een zeer hoge elektrische geleiding, alleen overtroffen door zilver.

Mohs-hardheid

3.0.

Het is daarom een ​​zacht metaal en ook behoorlijk taai. Sterkte en taaiheid worden verhoogd door koud te bewerken vanwege langwerpige kristalvorming van dezelfde vlakgecentreerde kubische structuur die aanwezig is in koper.

Chemische reacties

Kopervlamtest, te herkennen aan de kleur van de blauwgroene vlam. Bron: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Koper reageert niet met water, maar wel met zuurstof uit de lucht, omdat het is bedekt met een laag zwartbruin oxide die corrosiebescherming biedt aan de onderliggende lagen van het metaal:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Koper is niet oplosbaar in verdunde zuren, maar reageert met hete en geconcentreerde zwavelzuur en salpeterzuur. Het is ook oplosbaar in ammoniak in waterige oplossing en in kaliumcyanide.

Het kan de werking van atmosferische lucht en zeewater weerstaan. De langdurige blootstelling ervan resulteert echter in de vorming van een dunne groene beschermlaag (patina).

De vorige laag is een mengsel van carbonaat en kopersulfaat, waargenomen in oude gebouwen of sculpturen, zoals het Vrijheidsbeeld in New York.

Koper reageert verwarmd tot rood met zuurstof om koperoxide (CuO) te geven en vormt bij hogere temperaturen koper ( _II ) oxide (Cu ₂ O). Het reageert ook heet met zwavel om kopersulfide te produceren; daarom wordt het mistig wanneer het wordt blootgesteld aan sommige zwavelverbindingen.

Koper I brandt met een blauwe vlam in een vlamtest; terwijl koper II een groene vlam afgeeft.

Structuur en elektronische configuratie

Koperkristallen kristalliseren in de vlakgecentreerde kubische (fcc) structuur. In dit fcc-kristal blijven de Cu-atomen gehecht dankzij de metaalbinding, die relatief zwakker is dan andere overgangsmetalen; een feit dat tot uiting kwam in zijn grote ductiliteit en laag smeltpunt (1084 ºC).

Volgens de elektronische configuratie:

3d ¹⁰ 4s ¹

Alle 3d-orbitalen zijn gevuld met elektronen, terwijl er een vacature is in de 4s-orbitaal. Dit betekent dat de 3D-orbitalen niet samenwerken in de metaalbinding zoals je zou verwachten van andere metalen. Aldus overlappen de Cu-atomen langs het kristal hun 4s-orbitalen om banden te creëren, die de relatief zwakke kracht van hun interacties beïnvloeden.

In feite is het resulterende energetische verschil tussen de 3d (vol) en 4s (halfvol) orbitale elektronen verantwoordelijk voor de koperkristallen die fotonen absorberen uit het zichtbare spectrum, wat hun kenmerkende oranje kleur weerspiegelt.

Koperen fcc-kristallen kunnen verschillende groottes hebben, en hoe kleiner ze zijn, hoe sterker het metalen stuk zal zijn. Als ze heel klein zijn, spreken we van nanodeeltjes, gevoelig voor oxidatie en gereserveerd voor selectieve toepassingen.

Oxidatienummers

Het eerste getal of oxidatietoestand dat van koper kan worden verwacht, is +1, vanwege het verlies van het elektron uit zijn 4s-orbitaal. Wanneer het in een verbinding zit, wordt aangenomen dat het Cu ⁺ -kation (gewoonlijk het cupro-ion genoemd) bestaat .

Dit en het oxidatiegetal +2 (Cu ²⁺ ) zijn de bekendste en meest voorkomende voor koper; zij zijn over het algemeen de enigen die op de middelbare school worden onderwezen. Er zijn echter ook de oxidatienummers +3 (Cu ³⁺ ) en +4 (Cu ⁴⁺ ), die niet zo zeldzaam zijn als je op het eerste gezicht zou denken.

Bijvoorbeeld de zouten van de cupraat anion, CuO ₂ ^- vertegenwoordigen verbindingen met koper (III) of 3; dat is het geval met kaliumcupraat, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Koper kan ook, hoewel in mindere mate en in zeer zeldzame gevallen, een negatief oxidatiegetal hebben: -2 (Cu ^2- ).

Hoe wordt het verkregen

Grondstof

De mineralen die het meest worden gebruikt voor koperextractie zijn metaalsulfiden, voornamelijk chalcopyriet (CuFeS ₂ ) en borniet (Cu ₅ FeS ₄ ). Deze mineralen dragen 50% bij aan het totale gewonnen koper. Calelliet (CuS) en chalcociet (Cu ₂ S) worden ook gebruikt om koper te verkrijgen .

Breken en malen

Aanvankelijk worden de rotsen verpletterd om rotsachtige fragmenten van 1,2 cm te verkrijgen. Daarna gaat het verder met het vermalen van de rotsfragmenten, tot deeltjes van 0,18 mm worden verkregen. Water en reagentia worden toegevoegd om een ​​pasta te verkrijgen, die vervolgens wordt gedreven om een ​​koperconcentraat te verkrijgen.

Drijven

In deze fase worden belletjes gevormd die koper- en zwavelmineralen vasthouden die in de pulp aanwezig zijn. Er worden verschillende processen uitgevoerd om het schuim op te vangen en te drogen om het concentraat te verkrijgen dat de zuivering voortzet.

Zuivering

Om koper van andere metalen en onzuiverheden te scheiden, wordt het droge concentraat in speciale ovens aan hoge temperaturen blootgesteld. Fire Refined Copper (RAF) wordt gevormd tot platen met een gewicht van ongeveer 225 kg die anodes zullen vormen.

Elektrolyse

Elektrolyse wordt gebruikt bij het raffineren van koper. De anodes van de smelter worden naar elektrolytische cellen gebracht voor raffinage. Koper gaat naar de kathode en onzuiverheden bezinken naar de bodem van de cellen. Bij dit proces worden koperkathoden met een zuiverheid van 99,99% verkregen.

Koperlegeringen

Bronzen

Brons is een legering van koper en tin, waarvan 80 tot 97% koper uitmaakt. Het werd gebruikt bij de vervaardiging van wapens en gebruiksvoorwerpen. Het wordt momenteel gebruikt bij de vervaardiging van mechanische onderdelen die bestand zijn tegen wrijving en corrosie.

Daarnaast wordt het gebruikt bij de constructie van muziekinstrumenten, zoals bellen, gongs, cimbalen, saxofoons en snaren van harpen, gitaren en piano.

Messing

Messing is een legering van koper en zink. In industriële messing is het percentage zink minder dan 50%. Het wordt gebruikt bij de uitwerking van containers en metalen constructies.

Monel

Monellegering is een nikkel-koperlegering, met een verhouding van 2: 1 van nikkel tot koper. Het is corrosiebestendig en wordt gebruikt in warmtewisselaars, staven en lensbogen.

Ze bevestigden

Constatán is een legering die bestaat uit 55% koper en 45% nikkel. Het wordt gebruikt om munten van te maken en wordt gekenmerkt door een constante weerstand. Ook wordt een cupro-nikkellegering gebruikt voor de buitenste coating van munten met een kleine coupure.

BeCu

De koper-berylliumlegering heeft een berylliumpercentage van 2%. Deze legering combineert sterkte, hardheid, elektrische geleidbaarheid en corrosiebestendigheid. De legering wordt vaak gebruikt in elektrische connectoren, telecommunicatieproducten, computercomponenten en kleine veren.

Gereedschappen zoals sleutels, schroevendraaiers en hamers die op booreilanden en kolenmijnen worden gebruikt, hebben de initialen BeCu als garantie dat ze geen vonken produceren.

Andere

Het legering zilver 90% en koper 10% werd in munten gebruikt, tot 1965 toen het gebruik van zilver in alle valuta werd geëlimineerd, behalve de halve dollar.

7% koper-aluminiumlegering is goudkleurig en wordt gebruikt in decoratie. Ondertussen is Shakudo een Japanse decoratieve legering van koper en goud, in een laag percentage (4 tot 10%).

Toepassingen

Elektrische bedrading en motoren

Koperen elektrische bedrading. Bron: Scott Ehardt

Koper is vanwege zijn hoge elektrische geleiding en lage kosten het metaal bij uitstek voor gebruik in elektrische bedrading. De koperen kabel wordt gebruikt in de verschillende stadia van elektriciteit, zoals opwekking, transmissie, distributie, enz.

50% van het koper dat in de wereld wordt geproduceerd, wordt gebruikt bij de productie van elektrische kabels en draden, vanwege de hoge elektrische geleidbaarheid, het gemak van het vormen van draden (ductiliteit), de weerstand tegen vervorming en corrosie.

Koper wordt ook gebruikt bij het maken van geïntegreerde schakelingen en printplaten. Metaal wordt gebruikt in koellichamen en warmtewisselaars vanwege de hoge thermische geleiding, wat de warmteafvoer vergemakkelijkt.

Koper wordt gebruikt in elektromagneten, vacuümbuizen, kathodestraalbuizen en magnetrons in magnetrons.

Evenzo wordt het gebruikt bij de constructie van de spoelen van elektromotoren en de systemen die de motoren aan het werk zetten, en vertegenwoordigt deze artikelen ongeveer 40% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik.

Gebouw

Koper wordt vanwege zijn corrosiebestendigheid en de inwerking van atmosferische lucht al lange tijd gebruikt in daken van huizen, regenpijpen, koepels, deuren, ramen, enz.

Het wordt momenteel gebruikt in wandbekleding en decoratieve artikelen, zoals badkameraccessoires, deurklinken en lampen. Het wordt ook gebruikt in antimicrobiële producten.

Biostatische werking

Koper voorkomt dat er talrijke levensvormen bovenop groeien. Het werd gebruikt in vellen die op de bodem van de rompen van schepen werden geplaatst om de groei van weekdieren, zoals mosselen, en zeepokken te voorkomen.

Momenteel worden verven op basis van koper gebruikt voor de bovengenoemde bescherming van scheepsrompen. Metallisch koper kan bij contact veel bacteriën neutraliseren.

Het werkingsmechanisme is onderzocht op basis van zijn ionische, corrosieve en fysische eigenschappen. De conclusie was dat het oxidatiegedrag van koper, samen met de oplosbaarheidseigenschappen van zijn oxiden, de factoren zijn die ervoor zorgen dat metallisch koper antibacterieel werkt.

Metallisch koper werkt in op sommige stammen van E. coli, S. aureus en Clostridium difficile, groep A-virussen, adenovirussen en schimmels. Daarom is het de bedoeling koperlegeringen te gebruiken die in contact komen met de handen van passagiers in verschillende vervoermiddelen.

Nanodeeltjes

De antimicrobiële werking van koper wordt verder versterkt wanneer de nanodeeltjes worden gebruikt, die nuttig zijn gebleken voor endodontische behandelingen.

Evenzo zijn koperen nanodeeltjes uitstekende adsorbentia, en omdat ze oranje zijn, vertegenwoordigt een kleurverandering daarin een latente colorimetrische methode; bijvoorbeeld ontwikkeld voor de detectie van dithiocarbamaten-pesticiden.

Biologische rol

In de elektronische transportketen

Koper is een essentieel element voor het leven. Het is betrokken bij de elektronische transportketen en maakt deel uit van complex IV. In dit complex vindt de laatste stap van de elektronische transportketen plaats: de reductie van het zuurstofmolecuul tot water.

Complex IV bestaat uit twee hae-groepen, een cytochroom a, een cytochroom a ₃ , evenals twee Cu-centra; de ene heet CuA en de andere CuB. Cytochroom a ₃ en CuB vormen een binucleair centrum, waarin de reductie van zuurstof tot water plaatsvindt.

In deze fase gaat Cu van zijn +1 naar +2 oxidatietoestand, waarbij elektronen aan het zuurstofmolecuul worden gegeven. De elektronische transportketen gebruikt NADH en FADH ₂ , uit de Krebs-cyclus, als elektronendonoren, waarmee het een elektrochemische waterstofgradiënt creëert.

Deze gradiënt dient als energiebron voor het genereren van ATP, in een proces dat bekend staat als oxidatieve fosforylering. Dus, en uiteindelijk, is de aanwezigheid van koper vereist voor de productie van ATP in eukaryote cellen.

In het enzym superoxide-dismutase

Koper maakt deel uit van het enzym superoxide-dismutase, een enzym dat de afbraak van het superoxide-ion (O ₂ ^- ), een stof die giftig is voor levende wezens, katalyseert .

Superoxide-dismutase katalyseert de ontleding van het superoxide-ion in zuurstof en / of waterstofperoxide.

Superoxide-dismutase kan de reductie van koper gebruiken om superoxide tot zuurstof te oxideren, of het kan oxidatie van koper veroorzaken om waterstofperoxide uit superoxide te vormen.

In hemocyanine

Hemocyanine is een eiwit dat aanwezig is in het bloed van sommige spinachtigen, kreeftachtigen en weekdieren. Het vervult een vergelijkbare functie als hemoglobine bij deze dieren, maar in plaats van ijzer te hebben op de plaats van zuurstoftransport, heeft het koper.

Hemocyanine heeft twee koperatomen op zijn actieve plaats. Om deze reden is de kleur van hemocyanine blauwgroen. De metalen koperen centra staan ​​niet in direct contact, maar bevinden zich dichtbij. Het zuurstofmolecuul zit ingeklemd tussen de twee koperatomen.

Concentratie in het menselijk lichaam

Het menselijk lichaam bevat tussen 1,4 en 2,1 mg Cu / kg lichaamsgewicht. Koper wordt in de dunne darm opgenomen en vervolgens samen met albumine naar de lever vervoerd. Van daaruit wordt koper naar de rest van het menselijk lichaam getransporteerd, gehecht aan het plasma-eiwit ceruloplasmine.

Het overtollige koper wordt via de gal uitgescheiden. In sommige gevallen, zoals bij de ziekte van Wilson, hoopt koper zich echter op in het lichaam en manifesteert het toxische effecten van het metaal op het zenuwstelsel, de nieren en de ogen.

Referenties

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Toepassingen van koperen nanodeeltjes voor colorimetrische detectie van dithiocarbamaatpesticiden. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela en Bello-Toledo, Helia. (2016). Koperen nanodeeltjes als potentieel antimicrobieel middel bij het desinfecteren van wortelkanalen: een systematische review. Internationaal tijdschrift voor odontostomatologie, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Koper. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 september 2018). Fysieke eigenschappen van berylliumkoper. Hersteld van: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 juli 2019). Koperfeiten: chemische en fysische eigenschappen. Hersteld van: thoughtco.com
6. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (26 juli 2019). Koper: scheikundig element. Encyclopaedia Britannica. Hersteld van: britannica.com
7. Editor. (10 november 2018). Chalcopyrite. Hersteld van: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodiek systeem: koper. Hersteld van: lenntech.com