Бакар

Бакар — хемиски елемент со симбол Cu (од ) и атомски број 29. Тоа е мек, податлив и нодуларен метал со многу висока топлинска и електрична спроводливост. Свежо изложената површина од чист бакар има розово портокалова боја. Бакарот се користи како проводник на топлина и електрична енергија, како градежен материјал и како составен дел од разни метални легури, како што се сјајно сребро кое се користи во накит, купроникел што се користи за производство на марински хардвер и монети и константан кој се користи во деформациски мерачи и термопарови за мерење на температурата.

Бакарот е еден од ретките метали што можат да се појават во природата во директно употреблива метален облик (самороден метал). Ова довело до многу рано човечко користење во неколку региони (од 8000 п.н.е.). Илјадници години подоцна, бакарот бил првиот метал оформен во калап (4000 п.н.е.) и првиот метал кој е намерно легиран со друг метал (калај) за да се создаде бронза (3500 п.н.е.).

Во римската ера, бакарот главно бил ваден на Кипар, потеклото на името на металот, од aes syprium (метал на Кипар), подоцна изменето во cuprum (на латински), од кое произлегуваат зборовите, coper (Староанглиски) и copper, првпат започнало да се користи околу 1530 г.

Најчесто се среќаваат соединенијата со соли од бакар(II), кои честопати даваат сини или зелени бои на такви минерали како азурит, малахит и тиркиз , и се користат широко и историски како пигменти.

Бакарот кој се користи во зградите, обично за кров, оксидира за да формира зелен вердигрис (или патина). Бакар понекогаш се користи во декоративната уметност, и во неговата елементарна метална форма и во соединенијата како пигменти. Бакарни соединенија се користат како бактериостатски агенси, фунгициди и конзерванси за дрво.

Бакарот е од суштинско значење за сите живи организми како траен хранлив минерал, бидејќи е клучен состав на респираторниот ензим комплексот цитохром C оксидаза. Во мекотелите и раковите, бакар е составен дел на хемоцианинот во крвниот пигмент, заменет со хемоглобинот комплексен од железо во рибите и другите ’рбетници. Кај луѓето, бакар се наоѓа главно во црниот дроб, мускулите и коските. Телото на возрасни содржи помеѓу 1,4 и 2,1 мг бакар на килограм телесна тежина.

Особености

Физички

Бакарот среброто и златото спаѓаат во групата 11 од периодниот систем; овие три метали имаат еден s-орбитален електрон на врвот на пополнета d- електронска обвивка и се одликуваат со висока еластичност и електрична и топлинска спроводливост. Пополнетите d-отбитали во овие елементи придонесуваат малку за интератоматските интеракции, до кои доминираат s-електроните преку метални врски. За разлика од металите со нецелосни d-орбитали, металните врски во бакар недостасуваат ковалентен карактер и се релативно слаби. Оваа обзервација ја објаснува ниската цврстина и висока еластичност на монокристалите од бакар. На макроскопска скала, воведувањето на проширени дефекти на кристалната решетка, како што се границите на жилите, го попречува протокот на материјалот под примена на стресот, а со тоа ја зголемува својата цврстина. Поради оваа причина, бакар обично се испорачува во фино-грануларна поликристална форма, која има поголема сила од монокристални форми.

Мекоста на бакарот делумно ја објаснува неговата висока електрична спроводливост (59.6×Сименс/м) и висока топлинска спроводливост, втор највисок (втор само на сребро) меѓу чисти метали на собна температура. Тоа е затоа што отпорноста на транспортот на електрони во метали на собна температура потекнува првенствено од расејување на електрони на топлинска вибрација на решетката, кои се релативно слаби во мек метал. Максималната дозволена тековна густина на бакарот на отворено е приближно 3.1×106A/м2 на пресек, над која почнува да се загрева прекумерно.

Бакарот е еден од неколкуте метални елементи со природна боја, освен сива или сребрена боја. Чистиот бакар е портокалово-црвен и добива црвеникави оцрни кога е изложен на воздух. Карактеристичната боја на бакарот произлегува од електронските транзиции помеѓу пополнетите 3d и полупразни 4s атомски орбитали - енергетската разлика помеѓу овие орбитали одговара на портокаловата светлина.

Како и кај другите метали, ако бакарот се стави во контакт со друг метал, ќе настане галванска корозија.

Хемиски

мини|Горење на бакар и други метали. мини|Бакарно огледало. Бакарот не реагира со вода, но полека реагира со атмосферскиот кислород за да створи слој од кафеаво-црн бакар оксид кој, за разлика од ’рѓата која се формира на железо во влажен воздух, го штити металниот метал од понатамошна корозија (пасивација). Зелен слој на вердигрис (бакар карбонат) често може да се види на старите бакарни структури, како што се покривот на многу постари згради и на Статуата на Слободата. Бакарот оцрнува кога е изложен на некои сулфурни соединенија, со кои реагира за формирање на различни бакар сулфиди.

Изотопи Постојат 29 изотопи на бакар. 63Cu и 65Cu се стабилни, со 63Cu содржи околу 69% самороден бакар; и двете имаат спин од . Другите изотопи се радиоактивни, од кои најстабилен е 67Cu со полуживот од 61,83  часа. Се одликуваат седум метастабилни изотопи; 68mCu е најдолготраен со полуживот од 3,8 минути. Изотопи со масен број над 64 распаѓаат со β−, додека оние со масен број под 64 распаѓаат со β+. 64Cu, кој има полуживот од 12,7 часа, се распаѓа во двата начина.

62Cu и 64Cu имаат значајни апликации. 62Cu се користи во 62Cu-PTSM како радиоактивен трасер за позитронска емисиона томографија.

Појава thumb|right|upright=0.7|Самороден бакар од полуостровот Кевенау, Мичиген.|врска=Special:FilePath/Native_Copper_from_the_Keweenaw_Peninsula_Michigan.jpg

Во природата, бакарот може да се јави како самороден, но поголемо значење за неговото добивање имаат рудите на бакарот кои содржат некои минерали, како што се купритот (Cu2O), халкозинот (Cu2S), ковелинот (CuS), халкопиритот (CuFeS2), малахитот (Cu2CO3) итн.Бојан Шоптрајанов, Хемија за втора година на реформираното гимназиско образование (петто изменето и дополнето издание). Скопје: Просветно дело, 2009, стр. 137.

Бакарот се произведува во масивни ѕвезди и е присутен во Земјината кора во сооднос од околу 50 делови на милион (ppm). Во природата, бакар се јавува во различни минерали, вклучувајќи самороден бакар, бакарни сулфиди како халкопирит, борнит, дигенит , ковелит и чалкоцит, бакар сулфосоли како тетрахедит-тенанит и енаргит, бакар карбонати како азурит и малахит, и како бакар(I) или бакар(II) оксиди како што се куприт и тенорит, соодветно. Најголемата маса на откриен елементарен бакар тежи 420 тони и била пронајдена во 1857 година на полуостровот Кевина Пенинсула во Мичиген, САД. Самороден бакар е поликристал, со најголем единствен кристал досега опишан со мерење од 4.4×3.2×3.2см.

Производство

Најчесто, бакарот се екстрахира како бакар сулфиди од големи рудници во порфирни бакарни наноси кои содржат 0,4 до 1,0% бакар. Тоа се рудниците во Чукуикамата, во Чиле, рудникот Кајнон Бингам , во Јута, САД, и рудникот Ел Чино, во Ново Мексико, САД. Според британското геолошко истражување, во 2005 година, Чиле беше врвен производител на бакар со најмалку една третина од светскиот удел проследено со САД, Индонезија и Перу. Бакар, исто така, може да се добие преку процес на исцедок на самото место. Неколку локации во државата Аризона се сметаат за главни кандидати за овој метод. Количината на бакар во употреба се зголемува и достапната количина е едвај доволна за да им овозможи на сите земји да достигнат развиено светско ниво на употреба.

Резерви Бакарот е во употреба најмалку 10.000 години, но повеќе од 95% од сиот бакар што бил миниран и извлакан е извлечен по 1900 година, а повеќе од половина е ископан во последните 24 години. Како и со многуте природни ресурси, вкупната количина на бакар на Земјата е огромна, со околу 1014 тони во врвниот километар од Земјината кора, што е околу 5 милиони години на сегашната стапка на екстракција. Сепак, само мал дел од овие резерви е економски одржлив со денешните цени и технологии. Проценките на резерви на бакар достапни за рударството варираат од 25 до 60 години, во зависност од основните претпоставки, како што се стапката на раст. Рециклирањето е главен извор на бакар во модерниот свет. Поради овие и други фактори, иднината на производството и снабдувањето со бакар е предмет на многу дебати, вклучувајќи го и концептот на врвниот бакар, аналогно на врвното масло .

Цената на бакарот во минатото била нестабилна и нејзината цена се зголеми од 60-годишниот минимум од $1.32/кг во јуни 1999 година на $8.27/кг во мај 2006 година. Во февруари 2007 година падна на $5.29/кг, а потоа се зголеми на $7.71/кг во април 2007 година. Во февруари 2009 година, слабеењето на глобалната побарувачка и големиот пад на цените на стоките од порастот од претходната година ги оставија цените на бакарот на $3.32/кг.

Методи

Бакарните руди се сиромашни, односно содржината на бакар во нив е мала, па поради тоа, од нив најпрвин се добива концентрат. Притоа, со постапката, наречена флотација, сулфидните минерали на бакарот се одделуваат од некорисните минерали (јаловината), а потоа со жарење се добива соодветниот оксид. Редукцијата на образуваниот оксид може да се изврши со некое редукционо средство, на пример со водород или јаглерод, а најчесто редукцијата се врши со присутниот бакар сулфид. На тој начин се добива суров бакар кој не е сосема чист, а неговото натамошно прочистување се врши со електролиза при што суровиот бакар служи како позитивна електрода (анода), а катодата е од сосема чист бакар. Двете електроди се потопени во раствор од CuSO4 кој содржи и сулфурна киселина и натриум хлорид. Кога низ ќелијата за електролиза ќе се пропушти еднонасочна струја, материјалот од анодата се раствора, давајќи Cu2+ кони во растворот. Од друга страна, на негативната електрода, овие јони примаат електрони, се разелектризираат и врз катодата се таложи чист, т.е. електролитички бакар. Златото кое вообичаено го придружува бакарот паѓа под анодата, а ако е просутно и сребро, тоа образува нерастворлив сребро хлорид. Истото се случува и со платината, ако и таа е присутна. Така се образува т.н. анодна тиња која е извор за добивање злато, сребро и платина.Бојан Шоптрајанов, Хемија за втора година на реформираното гимназиско образование (петто изменето и дополнето издание). Скопје: Просветно дело, 2009, стр. 142-143.

Концентрацијата на бакар во рудите во просек изнесува само 0,6%, а повеќето комерцијални руди се сулфиди, особено халкопирит (CuFeS2), борнит (Cu5FeS4) и, во помала мера, ковелит (CuS) и халкоцит (Cu2S). Овие минерали се концентрирани од растурени руди на ниво од 10-15% бакар со флотација или биоекстрахирање. Загревањето на овој материјал со силициум диоксид со топење го отстранува поголемиот дел од железото како остаток. Процесот ја искористува големата леснотија на претворање на сулфиди на железо во оксиди, кои пак реагираат со силициум диоксид за да формираат силикатен остаток кој плови на врвот на загреаната маса. Резултантниот бакар мат, кој се состои од Cu2S, се пече за да се претворат сите сулфиди во оксиди: 2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2 Побојниот оксид се претвора во блистер бакар при загревање: 2 Cu2O → 4 Cu + O2

Судбериевиот процес во металургијата претвора само половина од сулфидот во оксид и потоа се користи овој оксид за отстранување на остатокот на сулфур како оксид. Тогаш е електролитички рафиниран и анодната кал е експлоатирана за платината и златото кои ги содржи. Овој чекор го експлоатира релативно лесното намалување на бакарни оксиди на бакарни метали. Природниот гас се разнесува низ блистер за да се отстрани поголемиот дел од преостанатиот кислород и се изведува електроразладување на добиениот материјал за да се произведе чист бакар: Cu2+ + 2 e− → Cu

Рециклирање