VARIS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, PANAUDOJIMAS, BIOLOGINIS VAIDMUO - CHEMIJA - 2025

Vario yra pereinamasis metalas, priklausanti periodinės lentelės 11 grupės ir atstovauja cheminis simbolis Cu. Jis apibūdinamas ir išsiskiria tuo, kad yra raudonai oranžinis metalas, labai elastingas ir kalus, taip pat yra puikus elektros ir šilumos laidininkas.

Savo metaline forma jis randamas kaip pagrindinis mineralas bazalto uolienose. Tuo tarpu jis oksiduojamas sieros junginiuose (kurie yra labiau naudojami kasybos reikmėms), arseniduose, chloriduose ir karbonatuose; tai yra didžiulė mineralų kategorija.

Žadintuvas pagamintas iš vario. Šaltinis: „Pixabay“.

Tarp mineralų, kuriuose yra jo, galime paminėti chalcocitą, chalcopyritą, bornitą, cuprite, malachitą ir azuritą. Vario taip pat yra dumblių pelenuose, jūrų koraluose ir nariuotakojuose.

Šio metalo žemės plutoje gausu 80 ppm, o vidutinė koncentracija jūros vandenyje yra 2,5 ∙ ^10–4 mg / L. Gamtoje jis yra dviejų natūralių izotopų pavidalu: ⁶³ Cu, kuriame gausu 69,15%, ir ⁶⁵ Cu, kuriuose yra 30,85%.

Yra duomenų, kad varis buvo lydomas 8000 m. Pr. Kr. C. ir legiruotas alavu, kad susidarytų bronza, 4000 m. Pr. C. Manoma, kad prieš tai kaip meteorinė geležis ir auksas yra pirmieji metalai, kuriuos naudoja žmogus. Taigi tai yra sinonimas archajiškam ir oranžiniam spindesiui tuo pačiu metu.

Varis daugiausia naudojamas kabelių, skirtų elektros varikliams pravesti, gamyboje. Tokie maži ar dideli kabeliai sudaro mašinas ar prietaisus pramonėje ir kasdieniame gyvenime.

Varis dalyvauja elektroninėje transporto grandinėje, leidžiančioje sintetinti ATP; pagrindinis energinis gyvų būtybių junginys. Tai yra superoksido dismutazės kofaktorius: fermentas, kuris skaido superoksido joną, junginį, labai toksišką gyvoms būtybėms.

Be to, varis vaidina hemocianiną kai kurių arachidų, vėžiagyvių ir moliuskų deguonies pernešime, panašiai kaip tas, kurį geležyje atlieka hemoglobinas.

Nepaisant visų žmonėms naudingų veiksmų, kai varis kaupiasi žmogaus kūne, pavyzdžiui, Vilsono liga, jis, be kitų pakitimų, gali sukelti kepenų cirozę, smegenų sutrikimus ir akių pažeidimus.

Istorija

Vario amžius

Natūralus varis buvo naudojamas artefaktams kaip akmens pakaitalui gaminti neolite, tikriausiai tarp 9000–8000 m. Pr. Kr. Varis yra vienas iš pirmųjų metalų, kuriuos naudoja žmogus po geležies, esančios meteorituose ir aukse.

Yra duomenų apie kalnakasybos naudojimą gaunant varį 5000 m. Pr. Kr. C. Jau ankstesnę datą buvo gaminami vario dirbiniai; toks atvejis yra Irake pagamintas auskaras, kurio apytiksliai 8700 m. pr. Kr. C.

Savo ruožtu manoma, kad metalurgija gimė Mesopotamijoje (dabar Irakas) 4000 m. Prieš Kristų. C., kai buvo galima sumažinti mineralų metalą naudojant ugnį ir anglį. Vėliau varis buvo sąmoningai legiruotas alavu, kad būtų gaunama bronza (4000 m. Pr. Kr.).

Kai kurie istorikai nurodo vario amžių, kuris chronologiškai atsidurtų tarp neolito ir bronzos amžiaus. Vėliau geležies amžius pakeitė bronzos amžių 2000–1000 m. Pr. Kr. C.

Bronzos amžius

Bronzos amžius prasidėjo 4000 metų po vario lydymo. Bronziniai dirbiniai iš Vinca kultūros datuojami 4500 m. Pr. Kr. C .; tuo tarpu Šumerijoje ir Egipte yra bronzinių daiktų, pagamintų 3000 metų prieš Kristų. C.

Radioaktyviosios anglies naudojimas nustatė vario kasybą Alderley Edge mieste, Češyre ir Jungtinėje Karalystėje 2280–1890 m. Pr. Kr. C.

Galima pastebėti, kad Ötzi, „Ledo žmogus“, kurio data skaičiuojama nuo 3300 iki 3200 m. Pr. C., turėjo kirvį su gryno vario galva.

Romėnai nuo VI amžiaus prieš Kristų. Kaip valiutą jie naudojo vario gabaliukus. Julius Cezaris naudojo monetas iš žalvario, vario ir cinko lydinio. Be to, Oktaviano monetos buvo pagamintos iš vario, švino ir alavo lydinio.

Gamyba ir pavadinimas

Vario gamyba Romos imperijoje siekė 150 000 tonų per metus, o šis skaičius viršijo tik per pramonės revoliuciją. Romėnai atvežė varį iš Kipro, žinodami jį kaip aes Cyprium („metalą iš Kipro“).

Vėliau terminas išsigimė į kuprą: vardas, naudojamas variui žymėti iki 1530 m., Kai angliškas šaknies terminas „varis“ buvo įvestas metalui žymėti.

Didysis vario kalnas Švedijoje, kuris veikė nuo 10 amžiaus iki 1992 m., XVII a. Sudarė 60% Europos vartojimo. „La Norddeutsche Affinerie“ gamykla Hamburge (1876 m.) Buvo pirmoji šiuolaikiška galvaninio paviršiaus padengimo įmonė, kuriai buvo naudojamas varis.

Fizinės ir cheminės savybės

Išvaizda

Varis yra blizgus oranžinės raudonos spalvos metalas, o dauguma vietinių metalų yra pilka arba sidabrinė.

Atominis skaičius (Z)

29

Atominis svoris

63 546 u

Lydymosi temperatūra

1 084,62 ºC

Įprastos dujos, tokios kaip deguonis, azotas, anglies dioksidas ir sieros dioksidas, tirpsta išlydytame varyje ir kietėjant turi įtakos metalo mechaninėms ir elektrinėms savybėms.

Virimo taškas

2562 ºC

Tankis

- 8,96 g / ml kambario temperatūroje.

- 8,02 g / ml lydymosi temperatūroje (skystas).

Atminkite, kad tarp kietosios ir skystosios fazių tankis nemažėja; abu vaizduoja labai tankias medžiagas.

Lydymosi šiluma

13,26 kJ / mol.

Garinimo šiluma

300 kJ / mol.

Molinė kalorinė talpa

24,44 J / (mol * K).

Šiluminis plėtimasis

16,5 µm / (m * K) 25 ° C temperatūroje.

Šilumos laidumas

401 W / (m ∙ K).

Elektrinė varža

16,78 Ω m, esant 20 ° C.

Elektros laidumas

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Varis turi labai aukštą elektrinį laidumą, jį pralenkė tik sidabras.

Mocso kietumas

3.0.

Todėl jis yra minkštas metalas ir gana elastingas. Stiprumas ir kietumas padidėja apdirbant šaltai, nes pailgos formos kristaluose susidaro tokia pati vario pavidalo kubinė struktūra.

Cheminės reakcijos

Vario liepsnos bandymas, kuris nustatomas pagal mėlynai žalios liepsnos spalvą. Šaltinis: „Swn“ (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Varis nereaguoja su vandeniu, bet reaguoja su atmosferos deguonimi, padengtas juodai rudos spalvos oksido sluoksniu, kuris apsaugo apatinius metalo sluoksnius nuo korozijos:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Varis netirpsta praskiestose rūgštyse, tačiau jis reaguoja su karštomis ir koncentruotomis sieros ir azoto rūgštimis. Jis taip pat tirpsta amoniake vandeniniame tirpale ir kalio cianide.

Jis gali atsispirti atmosferos oro ir jūros vandens poveikiui. Tačiau dėl ilgalaikio jo veikimo susidaro plonas žalias apsauginis sluoksnis (patina).

Ankstesnis sluoksnis yra karbonato ir vario sulfato mišinys, stebimas senuose pastatuose ar skulptūrose, tokiose kaip Laisvės statula Niujorke.

Varis reaguoja įkaitęs iki raudonos su deguonimi, kad gautų vario oksidą (CuO), o aukštesnėje temperatūroje susidaro vario oksidas (Cu ₂ O). Jis taip pat karštai reaguoja su siera, kad gautų vario sulfidą; todėl, veikiant kai kuriems sieros junginiams, tampa rūkas.

Varis I dega mėlyna liepsna atliekant liepsnos bandymą; o varis II skleidžia žalią liepsną.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Vario kristalai kristaluojasi į veidą, kurio centre yra kubinė (fcc) struktūra. Šiame fcc kristaluose Cu atomai lieka prisirišę dėl metalinės jungties, kuri yra palyginti silpnesnė nei kitų pereinamųjų metalų; faktas, pasireiškiantis dideliu elastingumu ir žema lydymosi temperatūra (1084 ºC).

Pagal elektroninę konfigūraciją:

3d ¹⁰ 4s ¹

Visi 3d orbitalės užpildyti elektronais, o 4s orbitalėje yra laisva vieta. Tai reiškia, kad 3d orbitalės nebendradarbiauja metalinėje jungtyje, kaip galima būtų tikėtis iš kitų metalų. Taigi, Cu atomai išilgai kristalo sutampa su jų 4s orbitomis, sudarydami juostas, veikdami santykinai silpną jų sąveikos jėgą.

Tiesą sakant, susidaręs energinis skirtumas tarp 3d (pilnų) ir 4s (pusiau pilnų) orbitos elektronų yra atsakingas už vario kristalus, absorbuojančius fotonus iš matomo spektro, atspindinčius jų skiriamąją oranžinę spalvą.

Vario fcc kristalai gali būti skirtingų dydžių, o kuo jie mažesni, tuo stipresnis bus metalo gabalas. Kai jie yra labai maži, mes kalbame apie nanodaleles, jautrias oksidacijai ir skirtas selektyviam pritaikymui.

Oksidacijos skaičiai

Pirmasis skaičius arba oksidacijos būsena, kurios galima tikėtis iš vario, yra +1, dėl to, kad prarandamas elektronas iš jo 4s orbitos. Kai jis yra junginyje, daroma prielaida, kad yra Cu ⁺ katijonas (paprastai vadinamas vario jonu).

Vario geriausiai žinomas šis ir oksidacijos skaičius +2 (Cu ²⁺ ); jie paprastai yra vieninteliai mokomi vidurinės mokyklos lygmenyje. Tačiau taip pat yra oksidacijos numerių +3 (Cu ³⁺ ) ir +4 (Cu ⁴⁺ ), kurie nėra tokie reti, kaip galite pamanyti iš pirmo žvilgsnio.

Pavyzdžiui, atsižvelgiama į cuprate anijonu druskos, CuO ₂ ^- , reiškia junginius, su vario (III) arba +3; toks yra kalio kuprato, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ) atvejis .

Varis, nors ir mažesniu laipsniu, ir labai retais atvejais, gali turėti neigiamą oksidacijos skaičių: -2 (Cu ² ).

Kaip jis gaunamas

Žaliava

Mineralai, dažniausiai naudojami vario gavybai, yra metalų sulfidai, daugiausia chalkopiritas (CuFeS ₂ ) ir eloititas (Cu ₅ FeS ₄ ). Šie mineralai sudaro 50% viso išgauto vario. Vario gavimui taip pat naudojami kaleitai (CuS) ir chalcocitai (Cu ₂ S).

Smulkinimas ir malimas

Iš pradžių uolienos susmulkinamos, kad gautųsi 1,2 cm uolienos fragmentai. Tada jis tęsiamas šlifuojant uolėtas fragmentus, kol gaunamos 0,18 mm dalelės. Vanduo ir reagentai pridedami, kad gautumėte pastą, kuri po to plautina, kad gautumėte vario koncentratą.

Fliacija

Šiame etape susidaro burbuliukai, kurie sulaiko vario ir sieros mineralus, esančius minkštime. Putos surenkamos keliais būdais, jas džiovinant, gaunamas koncentratas, kuris tęsia gryninimą.

Valymas

Norėdami atskirti varį nuo kitų metalų ir priemaišų, sausas koncentratas specialiose krosnyse veikiamas aukšta temperatūra. Ugniai rafinuotas varis (RAF) yra suformuotas į maždaug 225 kg sveriančias plokšteles, kurios sudarys anodus.

Elektrolizė

Valant varį naudojama elektrolizė. Anodai iš lydyklos perkeliami į elektrolitinius elementus, kad būtų patobulinti. Varis keliauja į katodą, o priemaišos nusėda ląstelių apačioje. Šiame procese gaunami vario katodai, kurių grynumas yra 99,99%.

Vario lydiniai

Bronza

Bronza yra vario ir alavo lydinys, kurio varis sudaro nuo 80 iki 97%. Jis buvo naudojamas gaminant ginklus ir indus. Šiuo metu jis naudojamas mechaninių dalių, atsparių trinčiai ir korozijai, gamyboje.

Be to, jis naudojamas statant muzikos instrumentus, tokius kaip varpai, gongai, cimbolai, saksofonai ir arfų stygos, gitaros ir fortepijonas.

Žalvaris

Žalvaris yra vario ir cinko lydinys. Pramoniniuose žalvariuose cinko procentinė dalis yra mažesnė kaip 50%. Jis naudojamas kuriant konteinerius ir metalines konstrukcijas.

Monelis

Monelio lydinys yra nikelio ir vario lydinys, kurio nikelio ir vario santykis yra 2: 1. Jis atsparus korozijai ir naudojamas šilumokaičiuose, strypuose ir objektyvo arkuose.

Jie patvirtino

„Constatán“ yra lydinys, sudarytas iš 55% vario ir 45% nikelio. Jis naudojamas monetoms gaminti ir pasižymi nuolatiniu pasipriešinimu. Taip pat vario-nikelio lydinys naudojamas mažų nominalų monetų išoriniam padengimui.

„BeCu“

Vario ir berilio lydinio berilio procentas yra 2%. Šis lydinys sujungia stiprumą, kietumą, elektros laidumą ir atsparumą korozijai. Lydinys dažniausiai naudojamas elektros jungtyse, telekomunikacijos produktuose, kompiuterių komponentuose ir mažose spyruoklėse.

Tokie įrankiai kaip veržliarakčiai, atsuktuvai ir plaktukai, naudojami naftos gręžimo platformose ir anglies kasyklose, turi inicialą „BeCu“, kuris garantuoja, kad jie nesukels kibirkšties.

Kiti

90% sidabro lydinio ir 10% vario buvo naudojamas monetose iki 1965 m., Kai sidabras nebuvo naudojamas visomis valiutomis, išskyrus pusės dolerio monetą.

7% vario aliuminio lydinys yra aukso spalvos ir naudojamas dekoravimui. Tuo tarpu „Shakudo“ yra mažas Japonijos vario ir aukso lydinys (nuo 4 iki 10%).

Programos

Elektros instaliacija ir varikliai

Varinė elektros instaliacija. Šaltinis: Scott Ehardt

Varis dėl savo aukšto elektros laidumo ir mažų sąnaudų yra pasirinktas metalas, naudojamas elektros instaliacijai. Varinis laidas naudojamas įvairiuose elektros energijos gamybos etapuose, tokiuose kaip elektros energijos gamyba, perdavimas, paskirstymas ir kt.

Dėl didelio elektrinio laidumo, lengvo vielų formavimo (lankstumo), atsparumo deformacijoms ir korozijos, 50% pasaulyje pagaminto vario yra naudojama elektros laidų ir laidų gamyboje.

Varis taip pat naudojamas gaminant integrinius grandynus ir spausdintines plokštes. Metalas naudojamas šilumnešiuose ir šilumokaičiuose dėl didelio šilumos laidumo, kuris palengvina šilumos išsiskyrimą.

Varis naudojamas elektromagnetuose, vakuuminiuose vamzdžiuose, katodinių spindulių vamzdžiuose ir magnetronuose mikrobangų krosnelėse.

Taip pat jis naudojamas statant elektrinių variklių ritinius ir sistemas, kurios veikia variklius. Šie elementai sunaudoja apie 40% viso pasaulyje suvartojamo elektros energijos kiekio.

Pastatas

Varis dėl savo atsparumo korozijai ir atmosferos oro veikimo ilgą laiką buvo naudojamas namų stoguose, nuosėdose, kupoluose, duryse, languose ir kt.

Šiuo metu jis naudojamas sienų apmušalams ir dekoratyviniams elementams, tokiems kaip vonios aksesuarai, durų rankenos ir lempos. Be to, jis naudojamas antimikrobiniuose produktuose.

Biostatinis veiksmas

Varis neleidžia augti daugybei gyvybės formų. Jis buvo naudojamas lakštuose, kurie buvo dedami ant laivų korpusų dugno, kad būtų išvengta moliuskų, tokių kaip midijos, taip pat baravykai, augimo.

Šiuo metu vario pagrindo dažai naudojami minėtai laivų korpusų apsaugai. Metalinis varis kontaktuodamas gali neutralizuoti daugelį bakterijų.

Jo veikimo mechanizmas buvo ištirtas remiantis jo joninėmis, ėsdinančiomis ir fizinėmis savybėmis. Buvo padaryta išvada, kad vario oksiduojančios savybės ir jo oksidų tirpumo savybės yra veiksniai, dėl kurių metalinis varis yra antibakterinis.

Metalinis varis veikia kai kurias E. coli, S. aureus ir Clostridium difficile padermes, A grupės virusus, adenovirusus ir grybelius. Todėl įvairiose transporto priemonėse planuota naudoti vario lydinius, kurie liečiasi su keleivių rankomis.

Nanodalelės

Vario antimikrobinis poveikis dar labiau sustiprėja, kai naudojamos jo nanodalelės, kurios pasirodė esančios naudingos endodontiniam gydymui.

Be to, vario nanodalelės yra puikūs adsorbentai, o kadangi jos yra oranžinės, spalvos pasikeitimas jose reiškia latentinį kolorimetrinį metodą; pavyzdžiui, sukurta ditiokarbamatų pesticidams aptikti.

Biologinis vaidmuo

Elektroninio transporto grandinėje

Varis yra svarbus gyvenimo elementas. Ji dalyvauja elektroninio transporto grandinėje ir yra IV komplekso dalis. Šiame komplekse vyksta paskutinis elektroninės transporto grandinės žingsnis: deguonies molekulės redukcija, kad susidarytų vanduo.

IV kompleksas yra sudarytas iš dviejų kruopų grupių: citochromo a, citochromo a ₃ , taip pat dviejų Cu centrų; vienas vadinamas CuA, o kitas CuB. Citochromas a ₃ ir CuB sudaro dviejų branduolių centrą, kuriame deguonis redukuojamas į vandenį.

Šiame etape Cu pereina iš savo +1 į +2 oksidacijos būseną, suteikdamas elektronus deguonies molekulei. Elektroninė transportavimo grandinė naudoja NADH ir FADH ₂ iš Krebso ciklo kaip elektronų donorus, su kuriais sukuria elektrocheminį vandenilio gradientą.

Šis gradientas yra energijos šaltinis ATP susidarymui, vykstančiam kaip oksidacinis fosforilinimas. Taigi galiausiai ATP gamybai eukariotų ląstelėse būtinas vario buvimas.

Fermente superoksidas dismutazė

Varis yra dalis fermento superoksido dismutazės, fermento, kuris katalizuoja superoksido jonų (O ₂ ^- ), junginio, toksiško gyvoms būtybėms, irimą .

Superoksido dismutazė katalizuoja superoksido jonų skilimą į deguonį ir (arba) vandenilio peroksidą.

Superoksido dismutazė gali naudoti vario redukciją, kad oksiduotų superoksidą iki deguonies, arba ji gali sukelti vario oksidaciją, kad iš superoksido susidarytų vandenilio peroksidas.

Be hemocianino

Hemocianinas yra baltymas, esantis kai kurių arachnidų, vėžiagyvių ir moliuskų kraujyje. Šiems gyvūnams jis atlieka panašią funkciją kaip hemoglobinas, tačiau užuot turėjęs geležies deguonies transportavimo vietoje, jis turi vario.

Hemocianinas savo aktyviojoje vietoje turi du vario atomus. Dėl šios priežasties hemocianino spalva yra mėlynai žalia. Metaliniai vario centrai neturi tiesioginio kontakto, bet yra artimoje vietoje. Deguonies molekulė yra tarp dviejų vario atomų.

Koncentracija žmogaus kūne

Žmogaus kūne yra nuo 1,4 iki 2,1 mg Cu / kg kūno svorio. Varis yra absorbuojamas plonojoje žarnoje ir kartu su albuminu nešamas į kepenis. Iš ten varis gabenamas į likusį žmogaus kūną, prijungtą prie plazmos baltymo ceruloplazmino.

Vario perteklius pašalinamas per tulžį. Tačiau kai kuriais atvejais, pvz., Sergant Vilsono liga, varis kaupiasi organizme ir pasireiškia toksiniu metalo poveikiu, kuris veikia nervų sistemą, inkstus ir akis.

Nuorodos

1. „Ghoto“, SA, Khuhawar, MAN, Jahangir, TM ir kt. (2019 m.). Vario nanodalelių panaudojimas pesticidų ditiokarbamato kolorimetriniam nustatymui. „J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela ir Bello-Toledo, Helia. (2016). Varinės nanodalelės kaip galimas antimikrobinis agentas dezinfekuojant šaknies kanalus: sisteminė apžvalga. Tarptautinis odontostomatologijos žurnalas, 10 (3), 547–554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Vikipedija. (2019 m.). Varis. Atkurta iš: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (2018 m. Rugsėjo 19 d.). Fizinės berilio vario savybės. Atkurta iš: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019 m. Liepos 03 d.). Faktai apie varį: cheminės ir fizinės savybės. Atgauta iš: thinkco.com
6. Enciklopedijos „Britannica“ redaktoriai. (2019 m. Liepos 26 d.). Varis: cheminis elementas. Enciklopedija „Britannica“. Atkurta iš: britannica.com
7. Redaktorius. (2018 m. Lapkričio 10 d.). Chalkopiritas. Atkurta iš: mineriaenlinea.com
8. „Lenntech BV“ (2019 m.). Periodinė lentelė: varis. Atkurta iš: lenntech.com