VARŠ: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI, BIOLOĢISKĀ LOMA - ĶĪMIJA - 2025

Varš ir pārejas metāls, kas pieder pie periodiskās tabulas 11. grupas un ir pārstāvēta ar ķīmisko simbolu Cu. To raksturo un izceļas ar sarkano oranžu metālu, ļoti kaļamu un kaļamu, kā arī lielisku elektrības un siltuma vadītāju.

Metāliskajā formā tas ir atrodams kā primārais minerāls bazalta iežos. Tikmēr tas tiek oksidēts sēra savienojumos (tie, kuru ieguve ir vairāk izmantojama), arsenīdos, hlorīdos un karbonātos; tas ir, plaša minerālu kategorija.

Modinātājs izgatavots no vara. Avots: Pixabay.

Starp minerāliem, kas to satur, mēs varam minēt halcocītu, halkopirītu, eloitītu, kupīru, malahītu un azurītu. Varš ir arī aļģu pelnos, jūras koraļļos un posmkājos.

Šim metālam zemes garozā ir 80 ppm pārpilnība, un vidējā koncentrācija jūras ūdenī ir 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. Dabā tas sastopams kā divi dabiski izotopi: ⁶³ Cu ar pārpalikumu 69,15% un ⁶⁵ Cu ar pārpalikumu 30,85%.

Ir pierādījumi, ka varš tika kausēts 8000. gadā pirms mūsu ēras. C. un sakausēts ar alvu, veidojot bronzu, 4000. gadā pirms Kristus. C. Tiek uzskatīts, ka pirms tā ir pirmie metāli, ko izmanto tikai meteoriskā dzelzs un zelts. Tādējādi tas ir sinonīms arhaiskajam un oranžajam mirdzumam vienlaikus.

Varš galvenokārt tiek izmantots kabeļu ražošanā elektrības vadīšanai elektromotoros. Šādi mazi vai lieli kabeļi veido iekārtas vai ierīces rūpniecībā un ikdienā.

Varš ir iesaistīts elektroniskajā transporta ķēdē, kas ļauj sintēt ATP; dzīvu būtņu galvenais enerģijas savienojums. Tas ir superoksīda dismutāzes kofaktors: ferments, kas noārda superoksīda jonu - savienojumu, kas ir ļoti toksisks dzīvām būtnēm.

Turklāt varam ir hemocianīna loma skābekļa transportēšanā dažos zirnekļveidīgos, vēžveidīgajos un gliemjos, kas ir līdzīgs tam, ko dzelzs veic hemoglobīnā.

Neskatoties uz visām labvēlīgajām darbībām cilvēkam, kad varš uzkrājas cilvēka ķermenī, piemēram, Vilsona slimības gadījumā, tas, cita starpā, var izraisīt aknu cirozi, smadzeņu darbības traucējumus un acu bojājumus.

Vēsture

Vara vecums

Vietējais varš tika izmantots artefaktu izgatavošanai kā akmens aizvietotājs neolītā, iespējams, no 9000 līdz 8000 BC. C. Varš ir viens no pirmajiem metāliem, ko izmanto cilvēks pēc dzelzs, kas atrodas meteorītos un zeltā.

Ir pierādījumi par kalnrūpniecības izmantošanu vara iegūšanā 5000. gadā pirms mūsu ēras. C. Jau iepriekšējā datumā tika būvēti vara izstrādājumi; tāds ir gadījums, kad Irākā izgatavoti auskari ir 8700. gadā pirms mūsu ēras. C.

Savukārt tiek uzskatīts, ka metalurģija dzimusi Mesopotāmijā (tagad Irāka) 4000. gadā pirms mūsu ēras. C. kad bija iespējams samazināt minerālu metālu, izmantojot uguni un ogles. Vēlāk varš tika apzināti sakausēts ar alvu, lai iegūtu bronzu (4000.g. pirms mūsu ēras).

Daži vēsturnieki norāda uz vara laikmetu, kas hronoloģiski atrastos starp neolītu un bronzas laikmetu. Vēlāk dzelzs laikmets aizstāja bronzas laikmetu no 2000. līdz 1000. gadam pirms mūsu ēras. C.

Bronzas vecums

Bronzas laikmets sākās 4000 gadus pēc vara kausēšanas. Bronzas izstrādājumi no Vinca kultūras datēti ar 4500. gadu pirms mūsu ēras. C .; savukārt Sumerijā un Ēģiptē ir bronzas priekšmeti, kas izgatavoti 3000 gadus pirms mūsu ēras. C.

Radioaktīvā oglekļa izmantošana ir pierādījusi vara ieguvi Alderley Edge, Češīrā un Apvienotajā Karalistē no 2280. līdz 1890. gadam pirms mūsu ēras. C.

Var atzīmēt, ka Ötzi, "Ice Man", kura paredzamais datums ir no 3300 līdz 3200 BC. C., bija cirvis ar tīra vara galvu.

Romieši no 6. gadsimta pirms mūsu ēras. Viņi kā valūtu izmantoja vara gabalus. Jūlijs Cēzars izmantoja monētas, kas izgatavotas no misiņa, vara un cinka sakausējuma. Turklāt Oktavianas monētas tika izgatavotas ar vara, svina un alvas sakausējumu.

Ražošana un nosaukums

Vara ražošana Romas impērijā sasniedza 150 000 tonnu gadā, skaitlis pārsniedza tikai rūpnieciskās revolūcijas laikā. Romieši atnesa varu no Kipras, zinot to kā aes Cyprium ("metāls no Kipras").

Vēlāk termins deģenerējās par cuprum: nosaukums, ko lieto, lai apzīmētu varu līdz 1530. gadam, kad tika ieviests angļu valodas saknes nosaukums “copper”, lai apzīmētu metālu.

Lielais vara kalns Zviedrijā, kas darbojās no 10. gadsimta līdz 1992. gadam, 17. gadsimtā sedza 60% no Eiropas patēriņa. La Norddeutsche Affinerie rūpnīca Hamburgā (1876. gadā) bija pirmā modernā elektrolītiskā rūpnīca, kurā tika izmantots varš.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Izskats

Varš ir spožs oranžsarkans metāls, savukārt vairums dabīgo metālu ir pelēks vai sudrabs.

Atomu skaitlis (Z)

29

Atomsvars

63 546 u

Kušanas punkts

1084,62 ºC

Parastās gāzes, piemēram, skābeklis, slāpeklis, oglekļa dioksīds un sēra dioksīds, šķīst kausētā varā un ietekmē metāla mehāniskās un elektriskās īpašības, kad tas sacietē.

Vārīšanās punkts

2562 ºC

Blīvums

- 8,96 g / ml istabas temperatūrā.

- 8,02 g / ml kušanas temperatūrā (šķidrums).

Ņemiet vērā, ka blīvums starp cieto un šķidro fāzi nav ievērojami samazinājies; abi attēlo ļoti blīvus materiālus.

Saplūšanas karstums

13,26 kJ / mol.

Iztvaikošanas siltums

300 kJ / mol.

Molārā kaloritāte

24.44 J / (mol * K).

Termiska izplešanās

16,5 µm / (m * K) 25 ° C temperatūrā.

Siltumvadītspēja

401 W / (m ∙ K).

Elektriskā pretestība

16,78 Ω m 20 ° C temperatūrā.

Elektriskā vadītspēja

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Varam ir ļoti augsta elektriskā vadītspēja, kuru pārspēj tikai sudrabs.

Mosa cietība

3.0.

Tāpēc tas ir mīksts metāls un arī diezgan kaļams. Spēcību un izturību palielina aukstā apstrāde, jo iegareni kristāli veidojas vienā un tajā pašā uz sejas vērsta kubiskā struktūrā, kas atrodas varā.

Ķīmiskās reakcijas

Vara liesmas tests, ko identificē pēc tā zilganzaļās liesmas krāsas. Avots: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Varš nereaģē ar ūdeni, bet reaģē ar atmosfēras skābekli, pārklājot to ar melni brūnu oksīda slāni, kas nodrošina metāla korozijas aizsardzību pret koroziju:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Varš nešķīst atšķaidītās skābēs, tomēr tas reaģē ar karstām un koncentrētām sērskābi un slāpekļskābēm. Tas šķīst arī amonjakā ūdens šķīdumā un kālija cianīdā.

Tas var pretoties atmosfēras gaisa un jūras ūdens darbībai. Tomēr ilgstošas ​​iedarbības rezultātā veidojas plāns zaļš aizsargslānis (patina).

Iepriekšējais slānis ir karbonāta un vara sulfāta maisījums, kas novērots vecās ēkās vai skulptūrās, piemēram, Brīvības statuja Ņujorkā.

Varš reaģē uzkarsēts līdz sarkanam ar skābekli, iegūstot vara oksīdu (CuO), un augstākā temperatūrā veidojas vara oksīds (Cu ₂ O). Tas arī karstā veidā reaģē ar sēru, iegūstot vara sulfīdu; tāpēc, nonākot saskarē ar dažiem sēra savienojumiem, tas kļūst miglains.

Varu I liesmas pārbaudē deg ar zilu liesmu; bet varš II izstaro zaļu liesmu.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Vara kristāli izkristalizējas uz sejas centrālo kubiskā (fcc) struktūru. Šajā fcc kristālā Cu atomi paliek piesaistīti, pateicoties metāliskajai saitei, kas ir salīdzinoši vājāka nekā citi pārejas metāli; fakts, kas izpaužas tā lielajā elastībā un zemā kušanas temperatūrā (1084 ºC).

Saskaņā ar elektronisko konfigurāciju:

3d ¹⁰ 4s ¹

Visas 3d orbitāles ir piepildītas ar elektroniem, kamēr 4s orbitālē ir brīva vieta. Tas nozīmē, ka 3d orbitāles nesadarbojas metāla savienojumā, kā varētu sagaidīt no citiem metāliem. Tādējādi Cu atomi gar kristālu pārklājas ar 4s orbitāli, veidojot joslas, ietekmējot to mijiedarbības samērā vājo spēku.

Faktiski iegūtā enerģētiskā atšķirība starp 3d (pilniem) un 4s (puspilniem) orbitālajiem elektroniem ir atbildīga par vara kristāliem, kas absorbē fotonus no redzamā spektra, atspoguļojot to atšķirīgo oranžo krāsu.

Vara fcc kristāliem var būt dažādi izmēri, kas, jo mazāki tie ir, jo stiprāks būs metāla gabals. Kad tie ir ļoti mazi, mēs runājam par nanodaļiņām, jutīgām pret oksidāciju un rezervētām selektīviem lietojumiem.

Oksidācijas skaitļi

Pirmais skaitlis vai oksidācijas stāvoklis, ko var sagaidīt no vara, ir +1, sakarā ar elektronu zudumu no tā 4s orbitāles. Ja tas atrodas savienojumā, tiek pieņemts, ka pastāv Cu ⁺ katjons (parasti saukts par vara jonu).

Šis un oksidācijas skaitlis +2 (Cu ²⁺ ) ir vara pazīstamākie un visizplatītākie; viņi parasti ir vienīgie, kurus māca vidusskolas līmenī. Tomēr ir arī oksidācijas skaitļi +3 (Cu ³⁺ ) un +4 (Cu ⁴⁺ ), kas nav tik reti, kā jūs varētu domāt no pirmā acu uzmetiena.

Piemēram, sāļus cuprate anjons, CuO ₂ ^- , atbilst savienojumiem ar vara (III) vai +3; piemēram, kālija kuperāts, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Arī varam, kaut arī mazākā mērā un ļoti retos gadījumos, var būt negatīvs oksidācijas skaitlis: -2 (Cu ² ).

Kā tas tiek iegūts

Izejviela

Minerāli, ko visbiežāk izmanto vara ieguvei, ir metālu sulfīdi, galvenokārt halkopirīts (CuFeS ₂ ) un eloitīts (Cu ₅ FeS ₄ ). Šie minerāli veido 50% no kopējā iegūtā vara. Vara iegūšanai tiek izmantots arī karelīts (CuS) un halcocīts (Cu ₂ S).

Smalcināšana un slīpēšana

Sākumā ieži tiek sasmalcināti, lai iegūtu akmeņainus fragmentus 1,2 cm garumā. Pēc tam tas turpinās ar akmeņaino fragmentu slīpēšanu, līdz iegūst daļiņas 0,18 mm. Ūdeni un reaģentus pievieno, lai iegūtu pastu, pēc tam to peld ar, lai iegūtu vara koncentrātu.

Flodācija

Šajā posmā veidojas burbuļi, kas notver slazdā esošos vara un sēra minerālus. Putu savākšanai tiek veikti vairāki procesi, tos žāvējot, iegūstot koncentrātu, kas turpina attīrīšanu.

Attīrīšana

Lai atdalītu varu no citiem metāliem un piemaisījumiem, sausais koncentrāts tiek pakļauts augstām temperatūrām īpašās krāsnīs. Uguns attīrīts varš (RAF) tiek sakausēts plāksnēs, kuru svars ir aptuveni 225 kg un kuras veidos anodus.

Elektrolīze

Vara attīrīšanā tiek izmantota elektrolīze. Anodus no kausēšanas iekārtas nogādā elektrolīzes elementos rafinēšanai. Varš pārvietojas uz katodu, un piemaisījumi nogulsnējas šūnu apakšā. Šajā procesā iegūst vara katodus ar 99,99% tīrību.

Vara sakausējumi

Bronza

Bronza ir vara un alvas sakausējums, kurā varš ir no 80 līdz 97%. To izmantoja ieroču un piederumu ražošanā. Pašlaik to izmanto mehānisku detaļu ražošanā, kas ir izturīgas pret berzi un koroziju.

Turklāt to izmanto tādu mūzikas instrumentu kā zvani, gongi, simboli, saksofoni un arfu, ģitāras un klavieru stīgas būvēšanā.

Misiņš

Misiņš ir vara un cinka sakausējums. Rūpnieciskajās misēs cinka procentuālais daudzums ir mazāks par 50%. To izmanto konteineru un metāla konstrukciju izstrādē.

Monels

Monela sakausējums ir niķeļa un vara sakausējums ar niķeļa un vara attiecību 2: 1. Tas ir izturīgs pret koroziju un tiek izmantots siltummaiņos, stieņos un lēcu arkās.

Viņi apstiprināja

Constatán ir sakausējums, kas sastāv no 55% vara un 45% niķeļa. To izmanto monētu izgatavošanai, un to raksturo pastāvīga pretestība. Neliela nomināla monētu ārējam pārklājumam tiek izmantots arī kupero-niķeļa sakausējums.

BeCu

Vara-berilija sakausējumā berilija procentuālais daudzums ir 2%. Šis sakausējums apvieno izturību, cietību, elektrisko vadītspēju un izturību pret koroziju. Sakausējumu parasti izmanto elektriskos savienotājos, telekomunikāciju izstrādājumos, datoru komponentos un mazās atsperēs.

Tādiem instrumentiem kā uzgriežņu atslēgas, skrūvgrieži un āmuri, ko izmanto naftas ieguves platformās un ogļu raktuvēs, ir iniciāļi BeCu kā garantija, ka tie neradīs dzirksteles.

Cits

90% sakausējuma sudrabs un 10% varš tika izmantots monētās līdz 1965. gadam, kad sudraba lietošana tika pārtraukta visās valūtās, izņemot pusdolāra monētu.

7% vara alumīnija sakausējuma ir zelta krāsā un tiek izmantots dekorēšanai. Tikmēr Shakudo ir japāņu dekoratīvs vara un zelta sakausējums, kas ir zems (4 līdz 10%).

Lietojumprogrammas

Elektriskās vadi un motori

Vara elektroinstalācija. Avots: Skots Ehards

Varš, ņemot vērā tā augsto elektrisko vadītspēju un zemās izmaksas, ir metāls, ko izmantot elektroinstalācijā. Vara kabeli izmanto dažādos elektroenerģijas posmos, piemēram, elektroenerģijas ražošanā, pārvadē, sadalē utt.

50% no pasaulē saražotā vara tiek izmantoti elektrisko kabeļu un vadu ražošanā, pateicoties tā augstajai elektrovadītspējai, vadu veidošanas vienkāršībai (lokanība), izturībai pret deformāciju un korozijai.

Varš tiek izmantots arī, lai izgatavotu integrētās shēmas un iespiedshēmas plates. Metāls tiek izmantots siltuma izlietnēs un siltummaiņos tā augstās siltumvadītspējas dēļ, kas atvieglo siltuma izkliedi.

Varš tiek izmantots elektromagnētos, vakuuma caurulēs, katodstaru lampās un magnetronos mikroviļņu krāsnīs.

Tāpat tas tiek izmantots elektromotoru spoļu un sistēmu, kas darbina motorus, konstrukcijā, veidojot šos izstrādājumus aptuveni 40% no pasaules elektrības patēriņa.

Ēka

Varš, pateicoties tā izturībai pret koroziju un atmosfēras gaisa iedarbībai, jau ilgu laiku tiek izmantots māju jumtos, notekas, kupolos, durvīs, logos utt.

Pašlaik to izmanto sienu apšuvumā un dekoratīvos priekšmetos, piemēram, vannas istabas piederumos, durvju rokturos un lampās. To lieto arī pretmikrobu līdzekļos.

Biostatiska darbība

Varš neļauj daudzām dzīvības formām augt virs tā. To izmantoja loksnēs, kuras tika novietotas uz kuģu korpusa apakšas, lai novērstu tādu mīkstmiešu, kā mīdijas, kā arī dzeloņveidīgo augšanu.

Pašlaik iepriekšminētajā kuģu korpusa aizsardzībā tiek izmantotas krāsas uz vara bāzes. Metāliskais varš var neitralizēt daudzas baktērijas, nonākot saskarē.

Tās darbības mehānisms ir pētīts, ņemot vērā tā joniskās, kodīgās un fizikālās īpašības. Secinājums bija tāds, ka vara oksidējošā izturēšanās kopā ar tā oksīdu šķīdības īpašībām ir faktori, kas izraisa metālisko varu antibakteriālu.

Metāliskais varš darbojas uz dažiem E. coli, S. aureus un Clostridium difficile celmiem, A grupas vīrusiem, adenovīrusiem un sēnītēm. Tāpēc dažādos transporta veidos ir plānots izmantot vara sakausējumus, kas saskaras ar pasažieru rokām.

Nanodaļiņas

Vara antibakteriālā iedarbība tiek vēl vairāk pastiprināta, kad tiek izmantotas tā nanodaļiņas, kuras ir izrādījušās noderīgas endodontiskajā ārstēšanā.

Arī vara nanodaļiņas ir lieliski adsorbenti, un, tā kā tās ir oranžas, krāsas maiņa tajās atspoguļo latentu kolorimetrisko metodi; piemēram, izstrādāts pesticīdu ditiokarbamātu noteikšanai.

Bioloģiskā loma

Elektroniskā transporta ķēdē

Varš ir būtisks dzīves elements. Tas ir iesaistīts elektroniskajā transporta ķēdē, veidojot daļu no IV kompleksa. Šajā kompleksā notiek elektroniskās transporta ķēdes pēdējais solis: skābekļa molekulas reducēšana, veidojot ūdeni.

IV kompleksu veido divas bišu grupas, citohroms a, citohroms a ₃ , kā arī divi Cu centri; vienu sauc par CuA, bet otru - par CuB. Citohroms a ₃ un CuB veido divkodolu centru, kurā notiek skābekļa reducēšanās ūdenī.

Šajā posmā Cu pāriet no oksidācijas stāvokļa no +1 līdz +2, piešķirot skābekļa molekulai elektronus. Elektroniskajā transporta ķēdē NADH un FADH ₂ no Krebsa cikla tiek izmantoti kā elektronu donori, ar kuru palīdzību tiek izveidots elektroķīmiskais ūdeņraža gradients.

Šis gradients kalpo kā enerģijas avots ATP veidošanai procesā, kas pazīstams kā oksidatīvā fosforilēšana. Tātad, un galu galā vara klātbūtne ir nepieciešama ATP ražošanai eikariotu šūnās.

Fermentā superoksīda dismutāze

Varš ir daļa no enzīma superoksīda dismutāzes - fermenta, kas katalizē superoksīda jonu (O ₂ ^- ) sadalīšanos ^- savienojumu, kas ir toksisks dzīvām būtnēm.

Superoksīda dismutāze katalizē superoksīda jonu sadalīšanos skābekļa un / vai ūdeņraža peroksīdā.

Superoksīda dismutāze var izmantot vara reducēšanu, lai oksidētu superoksīdu līdz skābeklim, vai arī tas var izraisīt vara oksidēšanu, veidojot ūdeņraža peroksīdu no superoksīda.

Hemocianīnā

Hemocianīns ir olbaltumviela, kas atrodas dažu zirnekļveidīgo, vēžveidīgo un mīkstmiešu asinīs. Šiem dzīvniekiem tas pilda līdzīgu funkciju kā hemoglobīns, bet tā vietā, lai skābekļa transportēšanas vietā būtu dzelzs, tam ir varš.

Hemocianīnam aktīvajā vietā ir divi vara atomi. Šī iemesla dēļ hemocianīna krāsa ir zili zaļa. Metāliskā vara centri nav tiešā saskarē, bet tiem ir tuvu atrašanās vieta. Skābekļa molekula atrodas starp diviem vara atomiem.

Koncentrācija cilvēka ķermenī

Cilvēka ķermenis satur no 1,4 līdz 2,1 mg Cu / kg ķermeņa svara. Varš uzsūcas tievās zarnās, un pēc tam to kopā ar albumīnu pārnes uz aknām. No turienes varš tiek pārvadāts uz pārējo cilvēka ķermeni, kas piestiprināts pie plazmas olbaltumvielu ceruloplazmīna.

Vara pārpalikums izdalās caur žulti. Tomēr dažos gadījumos, piemēram, Vilsona slimības gadījumā, ķermenī uzkrājas varš, izpaudot metāla toksisko iedarbību, kas ietekmē nervu sistēmu, nieres un acis.

Atsauces

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MAN, Jahangir, TM et al. (2019. gads). Vara nanodaļiņu pielietojums ditiokarbamāta pesticīdu kolorimetriskai noteikšanai. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sančesa-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodrigess, Daniela un Bello-Toledo, Helija. (2016). Vara nanodaļiņas kā potenciāls pretmikrobu līdzeklis sakņu kanālu dezinficēšanā: sistemātisks pārskats. Starptautiskais odontostomatoloģijas žurnāls, 10 (3), 547–554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019. gads). Vara. Atgūts no: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (2018. gada 19. septembris). Berilija vara fizikālās īpašības. Atgūts no: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 03. jūlijs). Fakti par varu: ķīmiskās un fizikālās īpašības. Atgūts no: domaco.com
6. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2019. gada 26. jūlijs). Varš: ķīmiskais elements. Enciklopēdija Britannica. Atgūts no: britannica.com
7. Redaktors. (2018. gada 10. novembris). Halkopirīts. Atgūts no: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodiskā tabula: varš. Atgūts no: lenntech.com