נחושת: היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים, תפקיד ביולוגי - כִּימִיָה - 2025

הנחושת היא מתכת מעבר השייכים לקבוצה 11 של הטבלה המחזורית, והוא מיוצג על ידי הסמל הכימי Cu. היא מאופיינת ומובחנת על ידי היותה מתכת-כתומה אדומה, מאוד שמישית וניתנת לניפוח, והיא גם מוליך נהדר של חשמל וחום.

בצורתו המטאלית הוא נמצא כמינרל ראשוני בסלעים בזלתיים. בינתיים הוא מתחמצן בתרכובות גופרתיות (אלו המנצלות כרייה גדולה יותר), ארסנידים, כלורידים ופחמימות; כלומר קטגוריה עצומה של מינרלים.

שעון מעורר עשוי נחושת. מקור: Pixabay.

בין המינרלים המכילים אותו אנו יכולים להזכיר כלקוציט, כלקופיריט, בורניט, קופריט, מלכיט ואזוריט. נחושת קיימת גם באפר של אצות, באלמוגים ימיים ובפרוקי רגליים.

במתכת זו שפע של 80 עמודים לדקה בקרום כדור הארץ, וריכוז ממוצע במי ים של 2.5 ∙ 10 ^-4 מ"ג / ל. בטבע זה מתרחש כשני איזוטופים טבעיים: ⁶³ Cu, עם שפע של 69.15%, ו- ⁶⁵ Cu, עם שפע של 30.85%.

ישנן עדויות לכך שנחושת הוחשה בשנת 8000 לפני הספירה. ג 'וסגסוגת בדיל ליצירת ברונזה בשנת 4000 לפני הספירה. ג. נחשב שרק ברזל מטאורי וזהב קודמים לו כמתכות הראשונות בהן משתמש האדם. זה אפוא שם נרדף לזוהר ארכאי וכתום בו זמנית.

נחושת משמשת בעיקר לייצור כבלים להוליכת חשמל במנועים חשמליים. כבלים כאלה, קטנים כגדולים, מהווים מכונות או מכשירים בתעשייה ובחיי היומיום.

נחושת מעורבת בשרשרת ההובלה האלקטרונית המאפשרת סינתזה של ATP; תרכובת האנרגיה העיקרית של יצורים חיים. זהו קופקטור של סופר-אוקסיד דיסמוטאז: אנזים המשפיל את יון הסופרוקסיד, תרכובת רעילה ביותר ליצורים חיים.

בנוסף, נחושת ממלאת תפקיד בהמוציאנין בהובלת חמצן בכמה ערבים, סרטנים ורכיכות, הדומה לזה שמתבצע על ידי ברזל בהמוגלובין.

למרות כל פעולותיו המועילות לאדם, כאשר נחושת מצטברת בגוף האדם, כמו במקרה של מחלת וילסון, היא עלולה לגרום לשחמת כבד, הפרעות מוחיות ונזק לעיניים, בין היתר.

הִיסטוֹרִיָה

גיל נחושת

נחושת הילידית שימשה לייצור ממצאים כתחליף לאבן בנאוליתית, ככל הנראה בין 9000 ל 8000 לפני הספירה. ג. נחושת היא אחת המתכות הראשונות בהן משתמש האדם, לאחר הברזל שנמצא במטאוריטים וזהב.

יש עדויות לשימוש בכרייה בהשגת נחושת בשנת 5000 לפני הספירה. ג. כבר בתאריך קודם נבנו פריטי נחושת; זה המקרה של עגיל שיוצר בעירק מוערך בשנת 8700 לפני הספירה. ג.

בתורו, ההערכה היא כי המטלורגיה נולדה במסופוטמיה (כיום עירק) בשנת 4000 לפני הספירה. ג., כאשר ניתן היה להפחית את המתכת של המינרלים באמצעות אש ופחם. מאוחר יותר, נחושת הייתה סגורה בכוונה עם פח לייצור ברונזה (4000 לפני הספירה).

חלק מההיסטוריונים מצביעים על תקופת נחושת, שתמוקם כרונולוגית בין התקופה הניאוליתית לתקופת הברונזה. מאוחר יותר, תקופת הברזל החליפה את תקופת הברונזה בין 2000 ל 1000 לפני הספירה. ג.

עידן הברונזה

תקופת הברונזה החלה 4000 שנה לאחר שנמסה נחושת. פריטי ברונזה מתרבות וינקה מתוארכים ל 4500 לפני הספירה. ג .; ואילו בסומריה ובמצרים ישנם חפצי ברונזה שנעשו 3000 שנה לפני הספירה. ג.

השימוש בפחמן רדיואקטיבי ביסס את קיומה של כריית נחושת באלדרלי אדג ', צ'שייר ובריטניה, בין השנים 2280 - 1890 לפני הספירה. ג.

ניתן לציין כי Ötzi, "איש הקרח" עם תאריך משוער בין 3300 ל- 3200 לפני הספירה. ג ', היה גרזן עם ראש נחושת טהורה.

הרומאים מהמאה השישית לפני הספירה. הם השתמשו בחתיכות נחושת כמטבע. יוליוס קיסר השתמש במטבעות עשויים פליז, נחושת וסגסוגת אבץ. יתר על כן, מטבעות אוקטביאן נעשו בסגסוגת נחושת, עופרת ופח.

הפקה ושם

ייצור הנחושת באימפריה הרומית הגיע ל -150,000 טון בשנה, נתון שעבר רק במהלך המהפכה התעשייתית. הרומאים הביאו נחושת מקפריסין, בידיעתם ​​כ- AES Cyprium ("מתכת מקפריסין").

מאוחר יותר המונח הידרדר לקוברום: שם שימש לייעוד נחושת עד שנת 1530, אז הונהג מונח השורש האנגלי 'נחושת' לייעוד המתכת.

הר הנחושת הגדול בשבדיה, שפעל מהמאה העשירית עד 1992, כיסה 60% מצריכת אירופה במאה ה -17. מפעל La Norddeutsche Affinerie בהמבורג (1876) היה המפעל האלקטרוניטי המודרני הראשון שהשתמש בנחושת.

תכונות פיזיקליות וכימיות

מראה חיצוני

נחושת היא מתכת זוהר-כתום-אדום, בעוד שרוב המתכות הילידיות הן אפורות או כסופות.

מספר אטומי (Z)

29

משקל אטומי

63,546 u

נקודת המסה

1,084.62 מעלות צלזיוס

גזים נפוצים כמו חמצן, חנקן, פחמן דו חמצני, דו תחמוצת הגופרית מסיסים בנחושת מותכת ומשפיעים על התכונות המכניות והחשמליות של המתכת כאשר היא מתמצקת.

נקודת רתיחה

2,562 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

- 8.96 גרם / מ"ל ​​בטמפרטורת החדר.

- 8.02 גרם / מ"ל ​​בנקודת ההיתוך (נוזל).

שימו לב כי אין ירידה משמעותית בצפיפות בין השלב המוצק והנוזל; שניהם מייצגים חומרים צפופים מאוד.

חום של היתוך

13.26 ק"ג / מול.

חום האידוי

300 ק"ג / מול.

יכולת קלורית מולקולרית

24.44 J / (mol * K).

התפשטות תרמית

16.5 מיקרומטר (m * K) ב 25 מעלות צלזיוס.

מוליכות תרמית

401 W / (m ∙ K).

התנגדות חשמלית

16.78 Ω ∙ מ 'ב 20 מעלות צלזיוס.

מוליכות חשמלית

59.6 ∙ 10 ⁶ S / m.

נחושת בעלת הולכה חשמלית גבוהה מאוד, רק עליה כסף.

קשיות של מוהס

3.0.

לפיכך מדובר במתכת רכה וגם די משיכה. חוזק וקשיחות מוגברים על ידי עבודה קרה בגלל היווצרות גבישים מוארכת של אותו מבנה מעוקב עם פנים שנמצא בנחושת.

תגובה כימית

בדיקת להבת נחושת, המזוהה על ידי צבע הלהבה הכחולה-ירוקה שלה. מקור: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

הנחושת אינה מגיבה עם מים, אך היא מגיבה עם חמצן אטמוספרי, מכוסה בשכבה של תחמוצת חום-שחור המספקת הגנה מפני קורוזיה לשכבות הבסיסיות של המתכת:

2Cu (ים) + O ₂ (g) → 2CuO

הנחושת אינה מסיסה בחומצות מדוללות, אולם היא מגיבה עם חומצות גופרתיות וחנקניות חמות ומרוכזות. זה גם מסיס באמוניה בתמיסה מימית ובציאניד אשלגן.

זה יכול להתנגד לפעולה של אוויר אטמוספרי ומי ים. עם זאת, חשיפתה הממושכת גורמת ליצירת שכבת מגן ירוקה דקה (פטינה).

השכבה הקודמת היא תערובת של פחמתי וגופרת נחושת, שנצפתה במבנים או פסלים ישנים, כמו פסל החירות בניו יורק.

הנחושת מגיבה מחוממת לאדום עם חמצן בכדי לתת תחמוצת קופריק (CuO) ובטמפרטורות גבוהות יותר יוצרת תחמוצת גביע (Cu ₂ O). זה גם מגיב חם עם גופרית לייצור גופרית נחושת; לפיכך, הוא הופך לערפיל כאשר הוא נחשף לכמה תרכובות גופרית.

נחושת אני שורף עם להבה כחולה בבדיקת להבה; ואילו נחושת II פולטת להבה ירוקה.

מבנה ותצורה אלקטרונית

גבישי נחושת מתגבשים במבנה המעוקב (fcc) שבמרכזו. בגביש ה- fcc הזה, אטומי ה- Cu נשארים מחוברים בזכות הקשר המתכתי, שהוא חלש יחסית למתכות מעבר אחרות; עובדה שבאה לידי ביטוי במידת המידה שלה ובנקודת ההיתוך הנמוכה (1084 מעלות צלזיוס).

על פי התצורה האלקטרונית:

3d ¹⁰ 4s ¹

כל האורביטלים התלת-ממדיים מלאים באלקטרונים, בעוד שיש מקום פנוי במסלול 4s. המשמעות היא שהאורביטלים התלת-ממדיים אינם משתפים פעולה בקשר המתכתי כפי שניתן היה לצפות ממתכות אחרות. לפיכך, אטומי ה- Cu לאורך הגביש חופפים את המעגלים הרביעיים שלהם ליצירת להקות, ומשפיעים על הכוח החלש יחסית של האינטראקציות שלהם.

למעשה, ההבדל האנרגטי שהתקבל בין האלקטרונים המסלולית התלת-ממד (המלאה) וה- 4s (חצי מלא) אחראי לקריסטלי הנחושת הסופגים פוטונים מהספקטרום הנראה, ומשקפים את צבעם הכתום הייחודי.

גבישי fcc נחושת יכולים להיות בגדלים שונים, וככל שהם קטנים יותר כך חתיכת המתכת תהיה חזקה יותר. כאשר הם קטנים מאוד, אנו מדברים על חלקיקים חלקיקים, רגישים לחמצון ושמורים ליישומים סלקטיביים.

מספרי חמצון

המספר הראשון או מצב החמצון אותו ניתן לצפות מנחושת הוא +1, בגלל אובדן האלקטרון ממסלול 4s שלו. כאשר יש אותו במתחם, מניחים את קיומו של הקטיון Cu ⁺ (המכונה בדרך כלל היון הקופרסי).

זה ומספר החמצון +2 (Cu ²⁺ ) הם הידועים והשכיחים ביותר עבור נחושת; הם בדרך כלל היחידים שנלמדים ברמה התיכונית. עם זאת, ישנם גם מספרי חמצון +3 (Cu ³⁺ ) ו- +4 (Cu ⁴⁺ ), שאינם נדירים כפי שאפשר לחשוב במבט ראשון.

לדוגמא, מלחי האניון הכופרטי, CuO ₂ ^- מייצגים תרכובות עם נחושת (III) או +3; כזה הוא המקרה של אשלגן cuprate, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

נחושת אף היא, אם כי במידה פחותה ובמקרים נדירים מאוד, יכולה להיות מספר חמצון שלילי: -2 (Cu ^2- ).

איך זה מתקבל

חומר גולמי

המינרלים המשמשים במיוחד למיצוי נחושת הם סולפידים מתכות, בעיקר כלקופיריט (CuFeS ₂ ) ו בורניט (Cu ₅ FeS ₄ ). מינרלים אלה תורמים 50% מכלל הנחושת המופקת. קללית (CuS) וכלקוציט (Cu ₂ S) משמשים גם כדי להשיג נחושת .

מוחץ וטוחן

בתחילה נמעכים הסלעים בכדי להשיג שברי סלע באורך 1.2 ס"מ. ואז זה ממשיך בטחינה של השברים הסלעיים, עד לקבלת חלקיקים של 0.18 מ"מ. מים ומרכיבים ריאגנטים מתווספים בכדי להשיג משחה, אשר לאחר מכן צפים בכדי להשיג רכז נחושת.

ציפה

בשלב זה נוצרות בועות הלוכדות מינרלים של נחושת וגופרית הנמצאים בעיסה. מספר תהליכים מבוצעים לאיסוף הקצף, ייבושו לקבלת התרכיז שממשיך בטיהורו.

טָהֳרָה

כדי להפריד נחושת ממתכות אחרות וזיהומים, הריכוז היבש נתון לטמפרטורות גבוהות בתנורים מיוחדים. נחושת מזוקקת אש (RAF) מעוצבת לצלחות במשקל של כ 225 ק"ג שיהוו אנודות.

הַפרָדָה חַשְׁמָלִית

אלקטרוליזה משמשת לזיקוק נחושת. האנודות מהמלח מועברות לתאים אלקטרוליטיים לצורך זיקוק. נחושת נעה לקתודה והזיהום מתיישב לתחתית התאים. בתהליך זה מתקבלות קתודות נחושת עם טוהר של 99.99%.

סגסוגות נחושת

בְּרוֹנזָה

ברונזה היא סגסוגת נחושת ופח, כאשר הנחושת מהווה בין 80 ל- 97% ממנה. הוא שימש לייצור כלי נשק וכלים. הוא משמש כיום בייצור חלקים מכניים העמידים בפני חיכוך וקורוזיה.

בנוסף, הוא משמש לבניית כלי נגינה, כמו פעמונים, גונגים, מצלתיים, סקסופונים ומיתרי נבלים, גיטרות ופסנתר.

פליז

פליז הוא סגסוגת נחושת ואבץ. ב פליז תעשייתי אחוז האבץ הוא פחות מ 50%. הוא משמש להרחבה של מכולות ומבנים מתכתיים.

מונל

סגסוגת מונל היא סגסוגת ניקל-נחושת, עם יחס של 2: 1 של ניקל לנחושת. הוא עמיד בפני קורוזיה ומשמש במחליפי חום, מוטות וקשתות עדשות.

הם אישרו

קונסטטן הוא סגסוגת המורכבת מ 55% נחושת ו 45% ניקל. הוא משמש לייצור מטבעות ומאופיין בכך שהוא בעל התנגדות מתמדת. כמו כן, סגסוגת קופרו-ניקל משמשת לציפוי החיצוני של מטבעות נקוב קטנים.

BeCu

לסגסוגת הנחושת-בריליום אחוז בריליום של 2%. סגסוגת זו משלבת חוזק, קשיות, מוליכות חשמלית ועמידות בפני קורוזיה. הסגסוגת משמשת בדרך כלל במחברים חשמליים, מוצרי טלקומוניקציה, רכיבי מחשב ומעיינות קטנים.

לכלים כמו ברגים, מברגים ופטישים המשמשים על אסדות נפט ומכרות פחם יש את ראשי התיבות BeCu כערובה לכך שהם לא יפיקו ניצוצות.

אַחֵר

כסף מסגסוגת 90% ונחושת 10% שימש במטבעות, עד 1965, כאשר השימוש בכסף בוטל בכל המטבעות, למעט המטבע של חצי דולר.

סגסוגת אלומיניום נחושת 7% זהובה בצבע והיא משמשת לקישוט. בינתיים, שקודו הוא סגסוגת דקורטיבית יפנית של נחושת וזהב, באחוז נמוך (4 עד 10%).

יישומים

חיווט חשמלי ומנועים

חוטי חשמל נחושת. מקור: סקוט ארהרט

נחושת בשל הולכה חשמלית גבוהה ועלות נמוכה היא המתכת הנבחרת לשימוש בחיווט חשמל. כבל הנחושת משמש בשלבי החשמל השונים, כמו ייצור חשמל, הילוכים, הפצה וכו '.

50% מהנחושת המיוצרת בעולם משמשים לייצור כבלי חשמל וחוטי חשמל, בגלל המוליכות החשמלית הגבוהה שלה, קלות היווצרות חוטים (משיכות), עמידות בפני עיוות וקורוזיה.

נחושת משמשת גם לייצור מעגלים משולבים ולוחות מעגלים מודפסים. מתכת משמשת בכיורי חום ומחליפי חום בגלל הולכה תרמית גבוהה שלה, המאפשרת את פיזור החום.

נחושת משמשת באלקטרומגנטים, צינורות ואקום, צינורות קרני קתודה ומגנטרון בתנורי מיקרוגל.

כמו כן, הוא משמש לבניית סלילי מנועים חשמליים והמערכות שמפעילות את המנועים, כאשר פריטים אלה מהווים כ 40% מצריכת החשמל בעולם.

בִּניָן

הנחושת, עקב עמידותו בפני קורוזיה ופעולת האוויר האטמוספרי, משמשת מזה זמן רב בגגות הבתים, במורדי הכניסה, בכיפות, בדלתות, בחלונות וכו '.

הוא משמש כיום בחיפוי קירות ובפריטים דקורטיביים, כמו אביזרי אמבטיה, ידיות לדלתות, ומנורות. כמו כן, הוא משמש במוצרים אנטי-מיקרוביאלים.

פעולה ביוסטטית

נחושת מונעת ממגוון צורות חיים לצמוח מעליה. הוא שימש בסדינים שהונחו על קרקעית קליפות הספינות כדי למנוע גידול של רכיכות, כמו מולים, כמו גם ברכיים.

נכון לעכשיו משתמשים בצבעים על בסיס נחושת להגנה כאמור על קליפות אוניות. נחושת מתכית יכולה לנטרל חיידקים רבים במגע.

מנגנון הפעולה שלו נחקר על סמך תכונותיו היוניות, המאכלות והפיזיות. המסקנה הייתה שההתנהגות המחמצנת של נחושת, יחד עם תכונות המסיסות של תחמוצותיה, הם הגורמים הגורמים לנחושת מתכתית להיות אנטיבקטריאלית.

נחושת מתכית פועלת על כמה זנים של E. coli, S. aureus ו- Clostridium difficile, וירוסים בקבוצה A, אדנוווירוסים ופטריות. לכן, תוכנן להשתמש בסגסוגות נחושת שנמצאות במגע עם ידי הנוסעים באמצעי תובלה שונים.

חלקיקים ננו

הפעולה האנטי-מיקרוביאלית של נחושת משופרת עוד יותר כאשר משתמשים בחלקיקים הננויים שלה, אשר הוכחו כמועילים לטיפולים אנדודונטיים.

באופן דומה, חלקיקי נחושת הם נחושת לספיגת חומרים מצוינים, ומכיוון שהם כתומים, שינוי צבע בהם מייצג שיטה קולטימטרית סמויה; למשל, פותח לגילוי חומרי הדברה דיתוקארבמטים.

תפקיד ביולוגי

בשרשרת ההובלה האלקטרונית

נחושת היא מרכיב חיוני לחיים. הוא מעורב בשרשרת ההובלה האלקטרונית, המהווה חלק מרחב IV מורכב. השלב האחרון של שרשרת ההובלה האלקטרונית מתרחש במתחם זה: צמצום מולקולת החמצן ליצירת מים.

מתחם IV מורכב משתי קבוצות היי, ציטוכרום א, ציטוכרום a ₃ וכן שני מרכזי Cu; האחד נקרא CuA והשני CuB. ציטוכרום a ₃ ו- CuB יוצרים מרכז דו-גלילי, בו מתרחשת הפחתת החמצן למים.

בשלב זה, Cu עובר ממצב החמצון שלו +1 למצב +2, ומעניק אלקטרונים למולקולת החמצן. שרשרת ההובלה האלקטרונית משתמשת ב- NADH ו- FADH ₂ , ממחזור קרבס, כתורמי אלקטרונים, איתם היא יוצרת שיפוע מימן אלקטרוכימי.

שיפוע זה משמש כמקור אנרגיה לייצור ATP, בתהליך המכונה זרחן חמצוני. לכן, ובסופו של דבר, נוכחות נחושת נחוצה לייצור ATP בתאים אוקריוטים.

בדימוטז האנזים סופרוקסיד

נחושת היא חלק מהפרמזה של האנזים סופרוקסיד, אנזים המזרז את הפירוק של יון הסופרוקסיד (O ₂ ^- ), תרכובת רעילה ליצורים חיים.

פרוטאזיד סופרוקסיד מזרז את פירוק יון הסופרוקסיד לחמצן ו / או מי חמצן.

Super-oxidide disutase יכול להשתמש בהפחתת הנחושת לחמצון הסופרוקסיד לחמצן, או שהוא יכול לגרום לחמצון של נחושת ליצירת מי חמצן מסופרוקסיד.

בהמוציאנין

ההמוציאנין הוא חלבון הקיים בדם של כמה ערבינידים, סרטנים ורכיכות. זה ממלא תפקיד דומה להמוגלובין אצל בעלי חיים אלה, אך במקום שיש ברזל במקום העברת החמצן, יש לו נחושת.

בהמוציאנין שני אטומי נחושת באתר הפעיל שלו. מסיבה זו, צבע ההמוציאנין כחול-ירוק. מרכזי הנחושת המתכתיים אינם במגע ישיר, אך הם ממוקמים קרוב. מולקולת החמצן דבוקה בין שני אטומי הנחושת.

ריכוז בגוף האדם

גוף האדם מכיל בין 1.4 ל 2.1 מ"ג משקל גוף ק"ג / ק"ג. נחושת נספגת במעי הדק ואז מועברת לכבד יחד עם אלבומין. משם, נחושת מועברת לשאר גוף האדם המחוברים לסירולופלסמין חלבון הפלזמה.

עודף הנחושת מופרש דרך המרה. עם זאת, במקרים מסוימים, כמו במחלת וילסון, נחושת מצטברת בגוף, ומבטאת השפעות רעילות של המתכת המשפיעות על מערכת העצבים, הכליות והעיניים.

הפניות

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). יישומים של חלקיקי נחושת לגילוי קולורימטרי של חומרי הדברה דיתקרבמט. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. סאנצ'ס-סנהואזה, גבריאלה, פואנטס-רודריגז, דניאלה ובלי-טולדו, הליה. (2016). חלקיקי נחושת כסוכן אנטי-מיקרוביאלי פוטנציאלי בחיטוי תעלות שורש: סקירה שיטתית. כתב העת הבינלאומי לרפואת odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. ויקיפדיה. (2019). נְחוֹשֶׁת. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. טרנס בל. (19 בספטמבר 2018). תכונות פיזיות של נחושת בריליום. התאושש מ: thebalance.com
5. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (03 ביולי 2019). עובדות נחושת: תכונות כימיות ופיזיות. התאושש מ: thoughtco.com
6. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (26 ביולי 2019). נחושת: יסוד כימי. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
7. עוֹרֵך. (10 בנובמבר 2018). כלקופיריט. התאושש מ: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). טבלה תקופתית: נחושת. התאושש מ: lenntech.com