RÉZ: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK, BIOLÓGIAI SZEREP - KÉMIA - 2026

A réz a periódusos rendszer 11. csoportjába tartozó átmeneti fém, amelyet a Cu kémiai szimbólum képvisel. Jellemzője és megkülönböztetése, hogy vörös-narancssárga fém, nagyon elasztikus és temperönthető, ugyanakkor nagy elektromos és hővezető is.

Fémes formájában primer ásványi anyagként található meg a bazaltos kőzetekben. Eközben kénvegyületekben (amelyek nagyobb bányászati ​​hasznosításúak), arzenidekben, kloridokban és karbonátokban oxidálódnak; vagyis az ásványok hatalmas kategóriája.

Réz ébresztőóra. Forrás: Pixabay.

Az ásványi anyagok között megemlíthetjük a kalcocitot, a halkopiritot, a szomfitot, a kuprit, a malachitet és azuritot. A réz az alga hamujában, a tengeri korallokban és az ízeltlábúakban is megtalálható.

Ennek a fémnek a földkéregben 80 ppm bősége van, és a tengervíz átlagos koncentrációja 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. A természetben két természetes izotóp formájában fordul elő: ⁶³ Cu, 69.15% -os bőséggel és ⁶⁵ Cu, 30.85% -os bőségesen.

Bizonyítékok vannak arra, hogy a réz BC 8000-ben megolvadt. C. és ónval ötvözve bronz képződik, BC-ben 4000-ben. C. Úgy gondolják, hogy csak az meteorikus vas és az arany megelőzi azt, mint az első fémek, amelyeket az ember használ. Ez tehát egyidejűleg az archaikus és a narancssárga fény.

A réz főként az elektromos motorok villamosenergia-ellátására szolgáló kábelek gyártásában használatos. Az ilyen kábelek, kicsi vagy nagy, gépeket vagy eszközöket alkotnak az iparban és a mindennapi életben.

A réz részt vesz az elektronikus szállítási láncban, amely lehetővé teszi az ATP szintézisét; az élőlények fő energiavegyülete. Ez a szuperoxid-diszmutáz kofaktora: egy enzim, amely lebontja a szuperoxid-iont, az élőlényekre nagyon mérgező vegyület.

Ezenkívül a réz szerepet játszik a heocianinban az egyes pókok, rákfélék és puhatestűek oxigénszállításában, ami hasonló a vas által hemoglobinban végrehajtotthoz.

Az emberre gyakorolt ​​minden kedvező hatása ellenére, amikor a réz felhalmozódik az emberi testben, mint például a Wilson-kór, többek között májcirrózist, agyi rendellenességeket és szemkárosodást okozhat.

Történelem

Rézkor

A natív rézből műtárgyakat készítettek kő helyettesítésére a neolitikumban, valószínűleg ie 9000 és 8000 között. C. A réz az egyik elsõ ember által használt fémek a meteoritokban és az aranyban lévõ vas után.

Bizonyítékok vannak a bányászatnak a réz előállításában történő felhasználásáról Kr. E. 5000-ben. C. Már egy korábbi időpontban rézcikkeket gyártottak; Ilyen az iraki fülbevaló, amely becslések szerint BC 8700 lenne. C.

Viszont úgy gondolják, hogy a kohászat Mesopotámiában (ma Irak) született ie 4000-ben. C., amikor lehetséges volt az ásványok fémének redukálása tűz és szén felhasználásával. Később a réz szándékosan ötvözött ónnal bronz előállításához (ie 4000-ben).

Egyes történészek rézkorra mutatnak, amely időrendben a neolitikum és a bronzkor között helyezkedik el. Később, a vaskor váltotta fel a bronzkorát Kr. E. 2000 és 1000 között. C.

Bronzkor

A bronzkor 4000 évvel a réz olvasztása után kezdődött. A Vinca kultúrából származó bronztermékek Kr. E. 4500-ból származnak. C.; míg Sumériában és Egyiptomban bronz tárgyak készültek Kr. e. 3000 évvel. C.

A radioaktív szén használata megállapította, hogy a rézbányászat létezik a cheshire-i Alderley Edge-ben és az Egyesült Királyságban, 2280 és 1890 között. C.

Megjegyzendő, hogy Ötzi, az "jégember", becsült dátuma 3300 és 3200 között volt. C., tiszta réz fejjel ellátott fejszével rendelkezik.

A rómaiak a Kr. E. 6. századból származnak. Valutadarabok voltak pénznemként. Julius Caesar sárgarézből, rézből és cink ötvözetből készített érméket használt. Ezenkívül Octavianus érmék réz, ólom és ón ötvözetével készültek.

Gyártás és név

A Római Birodalomban a réztermelés évi 150 000 tonnát ért el, ez az arány csak az ipari forradalom idején haladta meg a szintet. A rómaiak vörösrézet hoztak Ciprusról, tudva, hogy aes Cyprium ("Ciprus fémje").

Később a kifejezés cuprummá degenerálódott: ez a név a réz megjelölésére szolgált 1530-ig, amikor a fém megjelölésére bevezették a réz angol gyökérnevet.

A svédországi Nagy Rézhegy, amely a 10. századtól 1992-ig működött, a 17. században Európa fogyasztásának 60% -át fedezte. A hamburgi La Norddeutsche Affinerie üzem (1876) volt az első modern galvanizáló üzem, amely réztermelőt használt.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

A réz fényes narancssárga-vörös fém, míg a legtöbb natív fém szürke vagy ezüst.

Atomszám (Z)

29

Atomsúly

63 546 u

Olvadáspont

1084,62 ºC

A közönséges gázok, például az oxigén, a nitrogén, a szén-dioxid és a kén-dioxid oldódnak az olvadt rézben, és megszilárduláskor befolyásolják a fém mechanikai és elektromos tulajdonságait.

Forráspont

2562 ºC

Sűrűség

- 8,96 g / ml szobahőmérsékleten.

- 8,02 g / ml az olvadáspontban (folyadék).

Vegye figyelembe, hogy a szilárd és a folyékony fázis között nincs jelentős csökkenés a sűrűségben; mindkettő nagyon sűrű anyagokat képvisel.

A fúziós hő

13,26 kJ / mol.

A párolgás hője

300 kJ / mol.

Moláris kalóriakapacitás

24,44 J / (mol * K).

Hőtágulás

16,5 μm / (m * K) 25 ° C-on.

Hővezető

401 W / (m ∙ K).

Elektromos ellenállás

16,78 Ω m 20 ° C-on.

Elektromos vezetőképesség

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

A réz elektromos vezetőképessége nagyon magas, csak az ezüsttel meghaladja.

Mohs keménysége

3.0.

Ezért lágy fém, és szintén nagyon elasztikus. A szilárdságot és a szilárdságot a hideg megmunkálás növeli, mert a rézben ugyanolyan arc-központú köbös szerkezetű hosszúkás kristályok képződnek.

Kémiai reakciók

Rézláng-teszt, amelyet kék-zöld láng színe azonosít. Forrás: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

A réz nem reagál a vízzel, de reagál a légköri oxigénnel, feketétbarna oxidréteggel borítva, amely korrózióvédelmet nyújt a fém mögöttes rétegei számára:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

A réz nem oldódik híg savakban, azonban forró és koncentrált kénsavval és salétromsavval reagál. Oldékony továbbá ammóniában, vizes oldatban és kálium-cianidban.

Ellenáll a légköri levegő és a tengervíz hatásának. Azonban hosszan tartó expozíciója vékony zöld védőréteg (patina) kialakulását eredményezi.

Az előző réteg egy karbonát és réz-szulfát keveréke, amelyet megfigyeltek régi épületekben vagy szobrokban, például a New York-i Szabadság-szoboron.

A réz vörösre hevített reakcióval oxigénnel réz-oxidot (CuO) eredményez, és magasabb hőmérsékleten réz-oxidot (Cu ₂ O) képez. Forró módon reagál a kénnel is, és réz-szulfidot képez; ezért ködös lesz, amikor bizonyos kénvegyületekkel érintkeznek.

Az I. réz kék lánggal ég a lángteszt során; míg a réz II zöld lángot bocsát ki.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A rézkristályok az arc központú köbös (fcc) struktúrában kristályosodnak. Ebben az fcc kristályban a Cu-atomok kapcsolódnak a fémkötésnek köszönhetően, amely viszonylag gyengébb, mint más átmeneti fémek; a tény nagy rugalmasságával és alacsony olvadáspontjával (1084 ºC) nyilvánul meg.

Az elektronikus konfiguráció szerint:

3d ¹⁰ 4s ¹

Az összes 3d körpályát elektronok töltik meg, miközben a 4s körüli pályán van üresedés. Ez azt jelenti, hogy a 3d orbitálok nem működnek együtt a fémkötésben, ahogy azt más fémektől elvárhatják. Így a Cu-atomok a kristály mentén átfedik 4s-es pályájukat sávok létrehozása érdekében, befolyásolva az interakcióik viszonylag gyenge erejét.

Valójában a 3D (teljes) és a 4s (félig teli) orbitális elektronok közötti energikus különbség felelős a rézkristályokból a fotonokat a látható spektrumból elnyelő képességeiből, tükrözve megkülönböztető narancssárga színüket.

A réz-fcc kristályok különböző méretűek lehetnek, minél kisebbek, annál erősebb a fémdarab. Amikor nagyon kicsik, akkor nanorészecskékről beszélünk, érzékenyek az oxidációra és szelektív alkalmazásokra vannak fenntartva.

Oxidációs számok

A réznél elvárható első szám vagy oxidációs állapot +1, mivel az elektron elveszik a 4s-es köréből. Ha vegyületben van, feltételezhető, hogy létezik a Cu ⁺ kation (általában nevezik a rézionnak).

Ez és az oxidációs szám +2 (Cu ²⁺) a legismertebb és leginkább bőséges a rézre; általában középiskolában tanítják őket. Vannak azonban olyan oxidációs számok is, amelyek +3 (Cu ³⁺) és +4 (Cu ⁴⁺), amelyek nem olyan ritkák, mint gondolnád az első pillantásra.

Például, a sók a kuprát anion, CuO ₂ ^-, képviseli vegyületeket réz (III) vagy +3; ez a helyzet a kálium-kuprát, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-).

A réznek, bár kisebb mértékben és nagyon ritkán, negatív oxidációs száma is lehet: -2 (Cu ^2-).

Hogyan nyerik?

Nyersanyag

Az ásványi anyagok leginkább használt réz extrakciós fém-szulfidok, elsősorban a kalkopirit (CuFeS ₂) és Bornite (Cu ₅ FeS ₄). Ezek az ásványok teszik ki a kivont teljes réz 50% -át. Calellite (CUS) és kalkocit (Cu ₂ S) is használni ahhoz, hogy a réz.

Zúzás és őrlés

A sziklákat kezdetben összetörik, hogy 1,2 cm vastag sziklás darabokat kapjanak. Ezután a szikladarabok őrlésével folytatódik, amíg 0,18 mm-es részecskéket kapunk. Vizet és reagenseket adunk hozzá, hogy pasztát kapjunk, amelyet ezután úsztatunk rézkoncentrátum előállításához.

Lebegés

Ebben a szakaszban buborékok képződnek, amelyek csapdába ejtik a pépben lévő réz- és kén-ásványokat. Számos eljárást hajtanak végre a hab összegyűjtésére, szárításával, hogy megkapja a koncentrátumot, amely folytatja a tisztítást.

Tisztítás

A réz más fémektől és szennyeződéseitől történő elválasztására a száraz koncentrátumot speciális kemencékben magas hőmérsékleten helyezik. A tűzzel finomított réz (RAF) kb. 225 kg tömegű lemezekre van formázva, amelyek anódokat képeznek.

Elektrolízis

Az elektrolízist a réz finomításában használják. Az olvasztó készülék anódjait elektrolitikus cellákba veszik finomítás céljából. A réz a katódhoz vezet, és a szennyeződések a sejtek aljára rendeződnek. Ebben az eljárásban 99,99% tisztaságú rézkatódokat kapunk.

Rézötvözetek

Bronz

A bronz réz és ón ötvözete, amelynek réza 80–97% -át teszi ki. Fegyverek és edények gyártásához használták fel. Jelenleg súrlódással és korrózióval szemben ellenálló mechanikus alkatrészek gyártásánál használják.

Ezenkívül hangszerek, például harangok, gongok, cintányérok, szaxofonok, hárfahúrok, gitárok és zongorák gyártásánál használják.

Sárgaréz

A sárgaréz réz és cink ötvözete. Az ipari sárgarézben a cink százaléka kevesebb, mint 50%. Konténerek és fémszerkezetek kidolgozásához használják.

Monel

A monel ötvözet nikkel-réz ötvözet, a nikkel és a réz aránya 2: 1. Korrózióálló, hőcserélőkben, rudakban és lencse ívekben használják.

Megerősítették

A Constatán ötvözet 55% rézből és 45% nikkelből áll. Érmék készítésére használják, és állandó ellenállásúak. Szintén a kupora-nikkel ötvözetet használják a kis címletű érmék külső bevonására.

BeCu

A réz-berillium ötvözet berillium százaléka 2%. Ez az ötvözet egyesíti az szilárdságot, a keménységet, az elektromos vezetőképességet és a korrózióállóságot. Az ötvözetet általában elektromos csatlakozókban, telekommunikációs termékekben, számítógépes alkatrészekben és kis rugókban használják.

Az olyan szerszámok, mint például villáskulcs, csavarhúzó és kalapács, amelyet az olajfúrótoronyokon és a szénbányáknál használnak, a BeCu kezdőbetűkkel garantálják, hogy szikrákat nem okoznak.

Egyéb

Az ezüstötvözet 90% -át és a réz 10% -át érmékben használták, 1965-ig, amikor az ezüst felhasználását minden valutában megszüntették, kivéve a fél dolláros érmét.

A 7% réz-alumínium ötvözet arany színű és dekorációban használatos. Eközben a Shakudo egy japán dekoratív réz és arany ötvözet, alacsony százalékban (4-10%).

Alkalmazások

Elektromos vezetékek és motorok

Réz elektromos vezetékek. Forrás: Scott Ehardt

A réz magas villamos vezetőképességének és alacsony költségének köszönhetően a fém az elektromos kábelezéshez. A rézkábelt a villamos energia különféle szakaszaiban használják, például villamosenergia-termelésben, továbbításban, elosztásban stb.

A világon előállított réz 50% -át elektromos kábelek és vezetékek gyártásához használják fel, magas elektromos vezetőképességük, huzalok kialakításuk könnyűsége (rugalmassága), deformációs ellenállása és korróziója miatt.

A réz az integrált áramkörök és a nyomtatott áramköri táblák gyártására is felhasználható. A fémet nagy hővezető képességük miatt használják a hűtőbordákban és a hőcserélőkben, ami megkönnyíti a hőelvezetést.

A rézet elektromágnesekben, vákuumcsövekben, katódsugárcsövekben és a mikrohullámú sütőben lévő magnetronokban használják.

Hasonlóképpen, az elektromos motorok tekercseinek és a motorokat működtető rendszereket gyártó épületekben is felhasználják, ezek az elemek a világ villamosenergia-fogyasztásának körülbelül 40% -át teszik ki.

Épület

A réz korrózióállóságának és a légköri levegő hatásának köszönhetően hosszú ideje használták házak tetőiben, lejtőkön, kupolákban, ajtókban, ablakokban stb.

Jelenleg falburkolatban és dekorációs cikkekben, például fürdőszobai kiegészítőkben, ajtófogantyúkban és lámpákban használják. Ezenkívül antimikrobiális termékekben is felhasználják.

Biosztatikus fellépés

A réz megakadályozza, hogy számos életformája növekedjen rajta. Lemezekben használták, amelyeket a hajók héjának aljára helyezték el, hogy megakadályozzák a puhatestűek, például kagylók, valamint a hercegnők növekedését.

Jelenleg réz alapú festékeket használnak a hajótest fent említett védelmére. A fémréz sok baktériumot semlegesíthet, ha érintkezésbe kerül.

Hatásmechanizmusát ionos, maró és fizikai tulajdonságai alapján vizsgálták. A következtetés az volt, hogy a réz oxidáló viselkedése és oxidjainak oldhatósági tulajdonságai együttesen okozzák a fémréz antibakteriális tulajdonságait.

A fémréz az E. coli, S. aureus és Clostridium difficile egyes törzseire, A. csoportba tartozó vírusokra, adenovírusokra és gombákra hat. Ezért a tervek szerint olyan rézötvözeteket használnak, amelyek különböző szállítóeszközökben érintkeznek az utasok kezével.

A nanorészecskék

A réz antimikrobiális hatása tovább fokozódik nanorészecskéinek használatakor, amelyek endodontikus kezelésekben hasznosnak bizonyultak.

Hasonlóképpen, a réz nanorészecskék kiválóan adszorbensek, és mivel narancssárga színűek, színe megváltozik benne egy rejtett kolorimetrikus módszer; például a ditiokarbamátok peszticideinek kimutatására fejlesztették ki.

Biológiai szerepe

Az elektronikus szállítási láncban

A réz az élet elengedhetetlen eleme. Részt vesz az elektronikus szállítási láncban, és a IV komplex részét képezi. Az elektronikus szállítási lánc utolsó lépése ebben a komplexben zajlik: az oxigénmolekula redukciója vízré.

A IV komplex két szárcsoportból áll, egy citokróm a, egy citokróm a ₃, valamint két Cu központból; az egyik CuA, a másik CuB. A citokróm a ₃ és a CuB egy binukleáris központot alkot, amelyben az oxigén redukciója vízré válik.

Ebben a szakaszban a Cu átváltozik +1 és +2 közötti oxidációs állapotából, elektronokat adva az oxigénmolekulához. Az elektronikus szállító lánc a Krebs-ciklusból származó NADH-t és FADH _2- t elektron donorokként használja fel, amelyekkel elektrokémiai hidrogéngradienst hoz létre.

Ez a gradiens energiaforrásként szolgál az ATP előállításához, oxidatív foszforilezés néven ismert folyamatban. Végül tehát a réz jelenléte szükséges az ATP előállításához eukarióta sejtekben.

A szuperoxid enzimben a diszmutáz

A réz a szuperoxid-diszmutáz enzim része, egy olyan enzim, amely katalizálja a szuperoxid-ion (O ₂ ^-) bomlását, egy vegyület, amely mérgező az élőlények számára.

A szuperoxid-diszmutáz katalizálja a szuperoxid-ion bomlását oxigénné és / vagy hidrogén-peroxiddá.

A szuperoxid-diszmutáz felhasználhatja a réz redukcióját a szuperoxid oxigénné történő oxidálására, vagy a réz oxidációját okozhatja, hogy hidrogén-peroxidot képezzen a szuperoxidból.

Hemocianinban

A hemocianin olyan fehérje, amely jelen van egyes pókfélék, rákfélék és puhatestűek vérében. Ezekben az állatokban hasonló funkciót tölt be, mint a hemoglobin, de ahelyett, hogy az oxigén szállításának helyén vas lenne, réz.

A hemocianin aktív helyén két rézatom található. Ezért a hemocianin színe kék-zöld. A fém rézközpontok nincsenek közvetlen kapcsolatban, de szoros helyzetben vannak. Az oxigénmolekulát a két rézatom közé helyezzük.

Koncentráció az emberi testben

Az emberi test 1,4–2,1 mg Cu / testtömeg-kg-ot tartalmaz. A réz felszívódik a vékonybélben, majd az albuminnal együtt a májba továbbítja. Onnan a réz az emberi test többi részébe szállítódik, amely a plazma-ceruloplazminhoz kapcsolódik.

A felesleges réz kiválasztódik az epeben. Egyes esetekben, például a Wilson-kórban, a réz felhalmozódik a testben, mérgező hatásai vannak a fémnek, amelyek érintik az idegrendszert, a veséket és a szemet.

Irodalom

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Réz nanorészecskék alkalmazása a ditiokarbamát-peszticidek kolorimetrikus kimutatására. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela és Bello-Toledo, Helia. (2016). Réz nanorészecskék mint potenciális antimikrobiális szerek a gyökércsatornák fertőtlenítésében: Rendszeres áttekintés. Nemzetközi odontostomatológiai folyóirat, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Réz. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (2018. szeptember 19.) A berillium-réz fizikai tulajdonságai. Helyreállítva: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). Réz tények: Kémiai és fizikai tulajdonságok. Helyreállítva: gondolat.com
6. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. július 26.) Réz: kémiai elem. Encyclopaedia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
7. Szerkesztő. (2018. november 10.). Kalkopirit. Helyreállítva: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periódusos rendszer: réz. Helyreállítva: lenntech.com