Miedź (Cu) pierwiastek

Miedź (symbol Cu) jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 29 i należy do grupy 11 układu okresowego pierwiastków. Ma 26 izotopów o liczbie masowej od 55 do 80, z których tylko 63Cu i 65Cu są trwałe. Miedź jest metalem, który od czasów starożytnych był używany jako główny składnik brązu. W skorupie ziemskiej występuje głównie w postaci minerałów, takich jak chalkopiryt, chalkocyt, malachit itp. Miedź to pierwiastek pełniący również funkcje biologiczne. Jest dostarczana organizmowi podczas spożywania niektórych pokarmów. Największe ilości miedzi znajdują się w nieprzetworzonej żywności, zwłaszcza w owocach morza. Można go również znaleźć w kaszy mannie, fasoli, niektórych gotowanych podrobach i kiwi. W stanie czystym miedź metaliczna ma następujące właściwości: jest jędrnym, stosunkowo miękkim ciałem o charakterystycznym czerwono-brązowym kolorze. Wykazuje bardzo dobrą przewodność cieplną i elektryczną.
Jedną z najważniejszych właściwości miedzi jest jej stosunkowo wysoka odporność na korozję, ponieważ pokryta jest warstwą tzw. patyny, która w rzeczywistości jest zasadowym węglanem miedzi. Patyna w pewnym stopniu chroni metaliczną miedź przed dalszą korozją. Niestety miedź nie jest odporna na wilgotne środowiska z wysokim poziomem dwutlenku siarki, ponieważ tworzy to na powierzchni warstwę siarczanu miedzi, która nie zapewnia już wystarczającej ochrony przed dalszą korozją. W przemyśle miedź jest zwykle mniej lub bardziej utleniona. Traci zdolność do pracy w temperaturach około 500°C lub w wyższych temperaturach w atmosferze redukującej, np. w obecności wodoru.
Jednym ze szkodliwych zjawisk jest tak zwana choroba miedziowo-wodorowa. Wiąże się to z dużą zdolnością dyfuzji wodoru do miedzi, zwłaszcza w wysokich temperaturach. Równanie reakcji tego wodoru z tlenkiem miedzi(I) jest następujące: Cu2O + H2 → 2Cu + H2O
W wyniku tej reakcji powstaje czysta miedź i para wodna, która jest niedyfuzyjna, więc nie może wydostać się na zewnątrz. Czasami para wodna, która gromadzi się wewnątrz, tworzy nawet lokalne wysokie ciśnienia i powoduje mikroskopijne pęknięcia, które są widoczne dopiero podczas dalszych etapów przetwarzania. Aby tego uniknąć, w miarę możliwości należy używać miedzi beztlenowej lub wyżarzać w atmosferze wolnej od wodoru. Spośród materiałów powszechnie stosowanych w przemyśle na miedź duży wpływ mają: chlor, chlorki (amonu, glinu, żelaza), fluorek amonu, kwas siarkowy i siarkowodór w wysokich temperaturach. Głównym rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy.
Najważniejsze związki miedzi: jednym z najważniejszych związków miedzi jest siarczan(IV) miedzi(II) o wzorze CuSO4. Jego główną cechą są właściwości sterylizujące. Bezwodny siarczan miedzi(II) jest wysoce higroskopijny i może być stosowany w procesach takich jak suszenie rozpuszczalników. Kompleksy miedzi są stosunkowo stabilne, ale stosunkowo łatwo jest zmienić stan utlenienia metali w takich kompleksach. Dlatego często stosuje się je jako katalizatory w różnych reakcjach redoks. Roztwór soli miedzi(I) jest ciemnozielony. Roztwór soli miedzi(II) jest ciemnoniebieski. Zależność ta znajduje również praktyczne zastosowanie, zwłaszcza w przypadku miareczkowania kolorymetrycznego w różnych układach redoks. Miedź łatwo tworzy stopy z innymi metalami, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach.
Jak wspomniano wcześniej, miedź pełni również wiele ważnych funkcji biologicznych. Jest pierwiastkiem śladowym, który wchodzi w skład aktywnych centrów wielu ważnych enzymów. Między innymi jest niezbędny do produkcji czerwonych krwinek. Wchodzi w skład hemocyjaniny (barwnik krwi) i ma pozytywny wpływ na błony otaczające komórki nerwowe, a także bierze udział w procesie przekazywania impulsów nerwowych. Jest także składnikiem ważnego enzymu dysmutazy ponadtlenkowej, która posiada właściwości antyoksydacyjne, chroniące błony komórkowe przed szkodliwym działaniem wolnych rodników. Miedź bierze również udział w tworzeniu tkanki łącznej oraz w syntezie tzw. hormonów lokalnych – prostaglandyn, które wpływają m.in. na ciśnienie krwi i pracę serca. Przyjmuje się, że minimalne dzienne spożycie miedzi powinno wynosić około 0,5 ppm. Niedobór miedzi może być jedną z przyczyn anemii. Dzieje się tak, ponieważ zbyt mała ilość tego pierwiastka może negatywnie wpływać na wchłanianie żelaza, zmniejszając tym samym liczbę czerwonych krwinek w organizmie. Niektórzy eksperci twierdzą, że niedobór miedzi może uszkadzać serce i tętnice oraz zaburzać układ nerwowy. Zbyt mało miedzi w organizmie może również prowadzić do obniżenia odporności organizmu z powodu zmniejszenia liczby białych krwinek.
Miedź to jeden z nielicznych pierwiastków znanych z czasów starożytnych. Obecnie pozyskiwany jest głównie w tzw. pirometalurgii oraz (w mniejszym stopniu) w procesie hydroelektrometalurgicznym. Miedź otrzymywana w procesach pirometalurgicznych jest często silnie zanieczyszczona. W tym celu jest zwykle dodatkowo poddawany procesowi spalania lub rafinacji elektrolitycznej. Tak zwana miedź elektrolityczna wykorzystywana do celów naukowych i elektronicznych jest jednak nadal zbyt zanieczyszczona. Dlatego musi przejść przez dodatkowy proces rafinacji, który zwykle przeprowadzany jest w wyspecjalizowanych laboratoriach badawczych i mediach. W tym celu stosuje się między innymi próżniowe metody metalurgiczne. Materiałem wyjściowym do procesu rafinacji jest zwykle miedź elektrolityczna, która jest najpierw redukowana tlenkiem węgla lub węglem w celu uzyskania miedzi beztlenowej. Ta miedź jest następnie wytapiana w próżni. Wynikiem tego procesu jest miedź próżniowa, która jest prawie całkowicie wolna od gazu.
Jak wspomniano wcześniej, miedź jest od dawna szeroko stosowana ze względu na swoje właściwości. Obecnie nie jest szkodliwa dla środowiska ze względu na swoją szczególną odporność na korozję i możliwość recyklingu, dlatego tak ważna jest ochrona środowiska naturalnego. Nie wpływa również niekorzystnie na zdrowie człowieka. Ponieważ miedź jest wykorzystywana do produkcji maszyn i urządzeń elektrycznych, można opracować technologie energooszczędne. Zastosowanie energooszczędnych urządzeń może ograniczyć emisję do atmosfery wielu szkodliwych substancji, głównie dwutlenku węgla, dwutlenku siarki i tlenków azotu. Zredukowane są również emisje szkodliwego pyłu. Szacuje się, że na całym świecie można osiągnąć oszczędności, zastępując silniki silnikami paliwooszczędnymi, co może znacząco pomóc w ograniczeniu wielu zagrożeń ekologicznych, takich jak zmniejszenie intensywności zwiększonego efektu cieplarnianego na planecie.
Miedź ma szerokie zastosowanie w budownictwie. Szczególną popularnością cieszą się pokrycia dachowe i elementy dekoracyjne takie jak rynny, parapety itp., a w powietrzu miedź pokryta jest zieloną powłoką, nadając jej bardzo pożądaną i elegancką estetykę. Dachy pokryte brązem są uważane za eleganckie i trwałe. Również w tym przypadku dodatkowym atutem jest odporność na korozję, łatwość użytkowania i stosunkowo długa żywotność. Wszystko to sprawia, że ​​zastosowanie miedzi w dachach jest dziś powszechne. Ze względu na swoje specyficzne właściwości fizyczne, zwłaszcza trwałość, plastyczność i połysk, miedź od dawna jest używana przez artystów i rzemieślników do tworzenia wszelkiego rodzaju przedmiotów. Obecnie miedź wykorzystywana jest m.in. do produkcji różnego rodzaju instrumentów muzycznych.
Również w biżuterii odgrywa ważną rolę jako uzupełnienie metali szlachetnych, zwłaszcza złota. Inną ważną właściwością szeroko stosowanej miedzi jest jej niezwykle wysoka przewodność elektryczna. Ponadto ze względu na swoją odporność na korozję jest najbardziej niezawodnym, bezpiecznym i ekonomicznym materiałem do produkcji komponentów do przesyłu energii na duże odległości i w gospodarstwie domowym. Wiele urządzeń elektrycznych zawiera elementy wykonane głównie z miedzi. Jest również używany do budowy instalacji wodnych, a nawet gazowych ze względu na jego niezwykłą przewodność cieplną. Rury miedziane nie są porowate, a dzięki swoim właściwościom dezynfekującym ograniczają również rozwój bakterii w wodzie. Kolejną ważną zaletą miedzi jest to, że jest to produkt, który może być używany wielokrotnie bez znacznego pogorszenia jakości. Szacuje się, że co najmniej 80% wydobywanej miedzi jest nadal wykorzystywane do różnych celów.
Ciągły postęp w dziedzinie transmisji danych sprawił, że coraz więcej osób na całym świecie może korzystać z wysokiej jakości usług telekomunikacyjnych przy wykorzystaniu istniejących instalacji wykonanych głównie z miedzi. Miedź może być przez długi czas najlepszym nośnikiem informacji.
Różne rodzaje stopów miedzi i innych metali były również szeroko stosowane od czasów starożytnych. Z chemicznego punktu widzenia stop jest jednorodną mieszaniną stopionych metali w odpowiednich proporcjach. Właściwości fizyczne i chemiczne poszczególnych stopów są różne. Te właściwości różnią się również od właściwości pierwiastków stopowych. Często właściwości stopów metali są korzystniejsze z praktycznego punktu widzenia (np. są twardsze, bardziej odporne na korozję itp.).
Do najważniejszych stopów miedzi należą:
Mosiądz jest stopem miedzi i cynku, który w stanie czystym jest znacznie twardszy niż którykolwiek z metali. W zależności od zawartości procentowej składników mosiądz może mieć kolor od białego, żółtego do czerwonego. Posiada bardzo dobre właściwości odlewnicze. Niektóre gatunki mosiądzu zawierają czasem dodatki innych pierwiastków, takich jak cyna, ołów, żelazo, aluminium, chrom czy krzem. Mosiądz wykorzystywany jest głównie do produkcji części maszyn, m.in. w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym i elektrycznym oraz do produkcji artykułów codziennego użytku, takich jak okucia, uchwyty i akcesoria. Wykazuje również bardzo wysoką odporność na korozję i znajduje zastosowanie w produkcji elementów, które muszą być szczególnie odporne na działanie niekorzystnych czynników korozyjnych. Kruchy mosiądz jest czasem używany jako forma. Specjalnym rodzajem mosiądzu jest tak zwany mosiądz czerwony zawierający ponad 80% miedzi. Znany również jako tombak, jego kolor przypomina złoto. Jest szeroko stosowany jako imitacja złota w wyrobach artystycznych i jubilerskich oraz w produkcji instrumentów muzycznych.
Brąz to stop miedzi i cyny. Czasami zawiera również dodatki do tych pierwiastków. Takich jak aluminium, krzem, mangan itp. Znana i szeroko stosowana od czasów starożytnych, głównie dlatego, że rudy miedzi i cyny często znajdują się w tym samym miejscu. Brąz ma dużą odporność na wysoką temperaturę i korozję. Wykorzystywany jest między innymi do produkcji części maszyn, sprzętu chemicznego oraz monet. Znajduje również szerokie zastosowanie w odlewnictwie dzieł sztuki, jedynym czynnikiem ograniczającym jego zastosowanie jest stosunkowo wysoka cena.
Cupronickel to grupa stopów miedzi i niklu, zwykle z dodatkami innych pierwiastków, takich jak krzem, żelazo, aluminium czy mangan, charakteryzujących się dobrą wytrzymałością mechaniczną i odpornością na korozję oraz dobrymi właściwościami oporności elektrycznej. Są wykorzystywane m.in. w elektrotechnice do produkcji monet.
Spiż jest stopem miedzi z cyną, cynkiem i ołowiem. Czasami zaliczany jest do grupy brązów, ale zawiera więcej cyny (11%).Charakteryzuje się bardzo dużą korozją i odporność na ścieranie, stosowana głównie do odlewania dzwonów, a później do armat, a obecnie głównie do rzeźbienia i wykonywania elementów dekoracyjnych.