Wstęp
Miedź (Cu, łac. cuprum) – pierwiastek chemiczny, z grupy metali przejściowych układu okresowego. Nazwa miedzi po łacinie (a za nią także w wielu innych językach, w tym angielskim) pochodzi od Cypru, gdzie w starożytności wydobywano ten metal. Początkowo nazywano go metalem cypryjskim (łac. cyprum aes), a następnie cuprum. Posiada 26 izotopów z przedziału mas 55-80. Trwałe są tylko dwa: 63 i 65. Miedź jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 29, należącym do 11 grupy układu okresowego. Jest metalem, który w stanie czystym charakteryzuje się następującymi właściwościami:
- Jest miękkim ciałem stałym o charakterystycznej, czerwono-brązowej barwie.
- Ma bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.
- Na powietrzu nie ulega korozji, ale pokrywa się charakterystyczną, zieloną patyną.
- Gdy w atmosferze występują duże ilości dwutlenku siarki, zamiast patyny powstaje czarny nalot siarczku miedzi.
Czysta miedź metaliczna
Miedź jest metalem barwy ceglastoczerwonej, o gęstości 8,96 g/cm³ i temperaturze topnienia 1083 °C. Miedź metaliczna po wytopie i oczyszczeniu jest czerwono-brązowym, miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Jest dość odporna chemicznie, zalicza się do metali półszlachetnych. Nie ulega działaniu kwasów w warunkach nieutleniających. Na powietrzu ulega powolnej korozji powierzchniowej (→ pasywacja)pod wpływam wilgoci i dwutlenku węgla, pokrywając się charakterystyczną zieloną patyną zwaną grynszpanem szlachetnym (śniedzenie miedzi). W atmosferze zawierającej dwutlenek siarki w skład patyny wchodzi także zasadowy siarczan miedzi(II) (CuOH)2SO4, a powłoka taka nie stanowi ochrony przed dalszą korozją[1].
Miedź można przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600 °C). Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650-800 °C.
Miedź czysta zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń, zależnie od rodzaju wytwarzania, przetwarzania i oczyszczania. Za zanieczyszczenia uważa się takie pierwiastki jak: Bi, Pb, Sb, As, Fe, Ni, Sn, Zn oraz S.
Pięciowodny siarczan miedzi(II) CuSO4· 5H2O ma własności odkażające, a bezwodny ma silne własności higroskopijne i niekiedy stosowany jest do osuszania rozpuszczalników. Kompleksy miedzi są trwałe, jednak dość łatwo jest zmieniać stopień utlenienia miedzi w takich kompleksach i dlatego są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Związki miedzi(I) są trudno rozpuszczalne w wodzie, natomiast wodne roztwory soli miedzi(II) z reguły mają barwę niebieską lub niebiesko-zieloną.
Występowanie
Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach 55 ppm. W naturze występuje w postaci rud oraz w postaci czystej jako minerał - miedź rodzima. Miedź rodzima jest rzadko spotykana. Głównym źródłem tego metalu są minerały:
· Siarczki: chalkopiryt CuFeS2, chalkozyn Cu2S, bornit Cu5FeS4;
· Węglany: azuryt Cu3(CO3)2(OH)2, malachit Cu2CO3(OH)2.
Ze względu na duże zapotrzebowanie i stosunkowo małe zasoby naturalne miedź stanowi materiał strategiczny. Większość miedzi wydobywa się jako siarczek w kopalniach odkrywkowych ze złóż porfiru miedziowego zawierającego do 1% miedzi. W światowym wydobyciu rud miedzi w przeliczeniu na czysty składnik, wynoszącym w 2003 r. łącznie 13 600 tys. ton, przodowały: Chile (4 900 tys. ton), USA (1 140 tys. ton), Indonezja (1 000 tys. ton), Australia (860 tys. ton), Peru (840 tys. ton), Kanada (614 tys. ton), Rosja (500 tys. ton), Polska (460 tys. ton) i Zambia (430 tys. ton).
W światowej produkcji miedzi rafinowanej, która w 2003 r. wyniosła 15 200 tys. ton, przodowały: Chile (2 900 tys. ton), Chiny (1 700 tys. ton), Japonia (1 430 tys. ton), USA (1 320 tys. ton), Rosja (820 tys. ton), Niemcy (595 tys. ton), Polska (530 tys. ton), Peru (520 tys. ton), Australia (500 tys. ton), i Korea Południowa (510 tys. ton).
Rudy miedzi zawierają tylko nieznaczne ilości miedzi. W celu oddzielenia siarczków miedzi od skały płonnej, stosowana jest flotacja. Otrzymane w ten sposób koncentraty miedzi przerabiane są w piecach hutniczych (np. piec zawiesinowy firmy Outotec), a produktem wytopu sa anody miedziowe. Anody te poddawane są elektrorafinacji. Produktem huty są katody, które w zależności od przeznaczenia przetapiane są na wlewki różnego kształtu i wielkości.
Miedź, obok żelaza odegrała wyjątkową rolę w rozwoju cywilizacji ludzkiej. Epoka brązu zawdzięcza swoją nazwę jednemu ze stopów miedzi. Pierwiastek ten znany jest od starożytności, od kiedy to był podstawowym składnikiem brązów.
Jest masowo wykorzystywana, jako surowiec do produkcji przewodów elektrycznych i powszechnie w elektronice, a także w budownictwie (pokrycie dachów, elementy różnych instalacji), jako barwnik szkła oraz katalizator. W przemyśle chemicznym do wyrobu urządzeń, takich jak chłodnice, aparaty chemiczne. Do produkcji elementów grzejnych oraz wymienników cieplnych. W jubilerstwie, jako dodatek do srebra i złota, który znacznie poprawia ich własności mechaniczne.
Bardzo szerokie zastosowania mają różnego rodzaju stopy miedzi z innymi metalami. Stop jest to mieszanina jednorodna metali stopionych w odpowiednich, charakterystycznych proporcjach. Poszczególne stopy różnią się od siebie zarówno właściwościami fizycznymi, jak i chemicznymi. Właściwości te są także inne od właściwości pierwiastków wchodzących w skład stopów, z reguły bardziej pożądane z punktu widzenia praktycznego (np. są twardsze, bardziej odporne na korozję itp.). Miedź jest szeroko wykorzystywana jako baza do wyrobu stopów brązu, mosiądzu oraz stopów miedziowo-niklowych.
Spośród stopów miedzi należy wymienić przede wszystkim:
Mosiądz – jest to stop miedzi z cynkiem charakteryzujący się dużo większą twardością od obydwu metali w stanie czystym. W zależności od składu procentowego składników, przyjmuje barwę od białej, przez żółtą, aż do czerwonej. Wykazuje bardzo dobre właściwości odlewnicze. Niektóre gatunki mosiądzu zawierają czasami dodatki innych pierwiastków, takich jak ołów, cyna, żelazo, glin, chrom, a nawet krzem. Wykorzystywany jest między innymi do wyrobu części maszyn między innymi w przemyśle maszynowym, samochodowym i elektrotechnicznym, do produkcji przedmiotów codziennego użytku takich jak armatura, klamki, okucia i wiele innych. Ze względu na wysoką odporność na korozję, może być stosowany do wyrobu przedmiotów, które muszą charakteryzować się szczególną odpornością na działanie czynników korozyjnych (np. śrub okrętowych). Kruchy mosiądz wykorzystywany jest czasem jako forma odlewnicza. Tzw. mosiądz czerwony, zawierający powyżej 80% miedzi nazywany jest również tombakiem. Cechuje się żółtą barwą, która bardzo przypomina złoto. Dlatego właśnie jest szeroko stosowany jako imitacja złota w wyrobach artystycznych i jubilerskich, a także do wyrobu instrumentów muzycznych.
Brąz – jest stopem miedzi z cyną (czasem także z aluminium, krzemem, manganem itd.). Znany i wykorzystywany był już w czasach starożytnych, głownie dlatego, że rudy miedzi i cyny występowały często w tych samych miejscach. Wykazuje wysoką odporność na wysoką temperaturę oraz korozję. Używa się go między innymi do wyrobu części maszyn (np. łożysk), aparatury chemicznej, monet. Szeroko stosowany jest w odlewnictwie przedmiotów artystycznych. Jedynym czynnikiem ograniczającym jego wykorzystanie jest dosyć wysoka cena.
Miedzionikle – jest to grupa stopów miedzi i niklu, które zawierają również zazwyczaj dodatki innych pierwiastków, takich jak krzem, żelazo, glin, czy mangan. Charakteryzują się one dobra wytrzymałością mechaniczną, a także odpornością na korozję i bardzo dobrymi własności oporowymi. Wykorzystywane są między innymi do w elektrotechnice, a także do produkcji monet.
Spiż – jest to stop miedzi z cyną, cynkiem oraz ołowiem. Czasami zaliczany jest do grupy brązów, zawiera jednak znacznie więcej cyny (11%) niż brąz cynowy (maksymalnie 9%). Charakteryzuje się dużą odpornością na korozję i ścieranie. W średniowieczu wykorzystywany był do odlewania dzwonów, a później także armat. Obecnie stosuje się go przede wszystkim w rzeźbiarstwie oraz do wyrobu elementów ozdobnych.
Znaczenie biologiczne miedzi
Miedź występuje powszechnie w wielu organizmach roślinnych i zwierzęcych. Szczególnie dużo jest jej w wołowinie, sałacie, grzybach, owocach morza (ostrygi, homary), gotowanych podrobach, ale można ją znaleźć również w chlebie gruboziarnistym, warzywach strączkowych, owocach awokado i kiwi. Dużą zawartość miedzi ma także nasienie ssaków. Jako mikroelement jest niezbędna dla życia wielu organizmów, biorąc udział m.in. w fotosyntezie i oddychaniu, jednak niektóre giną już przy bardzo niskich jej stężeniach. Dotyczy to np. skrętnicy, choć inne glony też są stosunkowo wrażliwe na obecność jonów miedziowych w wodzie, przez co sole miedzi mogą być stosowane jako algicydy[2].
Miedź jest mikroelementem występującym w centrach aktywnych wielu enzymów. Znajduje się tam, ze względu na łatwość pobierania i oddawania elektronu w czasie zmiany stopnia utlenienia. Potrzebna jest do tworzenia się krwinek czerwonych, wchodzi w skład hemocyjaniny, wpływa pozytywnie na błonę otaczającą komórki nerwowe, bierze udział w przesyłaniu impulsów nerwowych. Wchodzi w skład enzymu o działaniu przeciwutleniającym, zwanego dysmutazą ponadtlenkową, chroniącego błony komórkowe przed wolnymi rodnikami. Ponadto bierze udział w tworzeniu tkanki łącznej (wiązania krzyżowe w cząsteczkach kolagenu i elastyny katalizowane przez oksydazę lizylową) i syntezie prostaglandyn, związków zwanych hormonami miejscowymi, wpływających między innymi na czynność serca i ciśnienie tętnicze krwi. U fotoautotrofów wchodzi w skład plastocyjaniny.
Jej minimalne dzienne spożycie wynosi 0,5 ppm. Genetycznie uwarunkowany defekt metabolizmu miedzi prowadzi do wystąpienia schorzenia nazywanego chorobą Wilsona (zwyrodnienie wątrobowo-soczewkowe). Niedobór miedzi może stać się przyczyną niedokrwistości, ponieważ zbyt mała ilość tego pierwiastka powoduje gorsze wchłanianie żelaza i zmniejszenie liczby czerwonych krwinek. Ponadto przypuszcza się, że powoduje uszkodzenie serca i tętnic, zaburzenia pracy systemu nerwowego, np. mrowienia, brak koncentracji. Niewystarczająca ilość miedzi obniża również ilość białych krwinek, a zatem zmniejsza odporność organizmu. Niedobór miedzi zaburza również gospodarkę lipidową organizmu- powoduje wzrost poziomu trójglicerydów we krwi, niealkoholowe stłuszczenie wątroby (NASH) oraz zaburzenia syntezy dopaminy i melaniny, które objawiają sie złym samopoczuciem i opalaniem się nie na brązowo tylko na różowo z oparzeniami słonecznymi.
Wchłanianie miedzi (podobnie jak jonów innych metali) w przewodzie pokarmowym jest blokowane p...
ChomiczekRekultywant