Cobre: história, propriedades, estrutura, usos, papel biológico - Ciência - 2023

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o cobre é um metal de transição que pertence ao grupo 11 da tabela periódica e é representado pelo símbolo químico Cu. Caracteriza-se e distingue-se por ser um metal vermelho-alaranjado, muito dúctil e maleável, sendo também um grande condutor de eletricidade e calor.

Em sua forma metálica, é encontrado como mineral primário nas rochas basálticas. Enquanto isso, é oxidado em compostos sulfurosos (aqueles de maior exploração mineira), arsenetos, cloretos e carbonatos; ou seja, uma vasta categoria de minerais.

Entre os minerais que o contêm, podemos citar a calcocita, calcopirita, bornita, cuprita, malaquita e azurita. O cobre também está presente nas cinzas de algas, em corais marinhos e em artrópodes.

Este metal tem abundância de 80 ppm na crosta terrestre e uma concentração média na água do mar de 2,5 ∙ 10^-4mg / L. Na natureza, ocorre como dois isótopos naturais: ⁶³Cu, com abundância de 69,15%, e o ⁶⁵Cu, com abundância de 30,85%.

Há evidências de que o cobre foi fundido em 8.000 aC. C. e ligado ao estanho para formar o bronze, em 4000 AC. C. Considera-se que apenas o ferro e o ouro meteóricos o precedem como os primeiros metais usados pelo homem. Portanto, é sinônimo de brilho arcaico e laranja ao mesmo tempo.

O cobre é utilizado principalmente na fabricação de cabos para a condução de eletricidade em motores elétricos. Esses cabos, pequenos ou grandes, constituem máquinas ou dispositivos na indústria e na vida cotidiana.

O cobre está envolvido na cadeia de transporte eletrônico que permite a síntese de ATP; principal composto de energia dos seres vivos. É um cofator da superóxido dismutase: uma enzima que degrada o íon superóxido, um composto altamente tóxico para os seres vivos.

Além disso, o cobre desempenha um papel na hemocianina no transporte de oxigênio em alguns aracnídeos, crustáceos e moluscos, que é semelhante ao realizado pelo ferro na hemoglobina.

Apesar de todas as suas ações benéficas para o homem, quando o cobre se acumula no corpo humano, como é o caso da doença de Wilson, pode causar cirrose hepática, distúrbios cerebrais e lesões oculares, entre outras alterações.

História

Idade do cobre

O cobre nativo foi usado para fazer artefatos como um substituto para a pedra na Idade Neolítica, provavelmente entre 9.000 e 8.000 AC. C. O cobre é um dos primeiros metais usados pelo homem, depois do ferro presente nos meteoritos e no ouro.

Há evidências do uso da mineração na obtenção de cobre no ano 5000 aC. C. Já para uma data anterior, artigos de cobre foram construídos; tal é o caso de um brinco feito no Iraque estimado em 8.700 aC. C.

Por sua vez, acredita-se que a metalurgia nasceu na Mesopotâmia (atual Iraque) em 4000 aC. C., quando foi possível reduzir o metal dos minerais através do uso do fogo e do carvão. Mais tarde, o cobre foi intencionalmente ligado ao estanho para produzir bronze (4000 aC).

Alguns historiadores apontam para uma Idade do Cobre, que se situaria cronologicamente entre o Neolítico e a Idade do Bronze. Mais tarde, a Idade do Ferro substituiu a Idade do Bronze entre 2000 e 1000 AC. C.

Idade do bronze

A Idade do Bronze começou 4000 anos depois que o cobre foi fundido. Itens de bronze da cultura Vinca datam de 4500 aC. C.; enquanto na Suméria e no Egito existem objetos de bronze feitos a 3000 anos AC. C.

O uso de carbono radioativo estabeleceu a existência de mineração de cobre em Alderley Edge, Cheshire e no Reino Unido, entre os anos 2280 e 1890 AC. C.

Pode-se destacar que Ötzi, o "Homem do Gelo" com data estimada entre 3300 e 3200 aC. C., tinha um machado com a cabeça de cobre puro.

Os romanos do século 6 aC. Eles usaram pedaços de cobre como moeda. Júlio César usou moedas feitas de liga de latão, cobre e zinco. Além disso, as moedas de Otaviano eram feitas de uma liga de cobre, chumbo e estanho.

Produção e nome

A produção de cobre no Império Romano atingiu 150.000 toneladas por ano, cifra só superada durante a Revolução Industrial. Os romanos trouxeram cobre de Chipre, conhecendo-o como aes Cyprium ("metal de Chipre").

Mais tarde, o termo degenerou em cuprum: nome usado para designar o cobre até o ano de 1530, quando a raiz do termo inglês 'cobre' foi introduzida para designar o metal.

A Grande Montanha de Cobre na Suécia, que funcionou do século 10 a 1992, cobria 60% do consumo da Europa no século 17. A planta La Norddeutsche Affinerie em Hamburgo (1876), foi a primeira planta moderna de galvanoplastia a usar cobre.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

O cobre é um metal vermelho-alaranjado brilhante, enquanto a maioria dos metais nativos é cinza ou prata.

Número atômico (Z)

Peso atômico

63.546 u

Ponto de fusão

1.084,62 ºC

Gases comuns como oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono e dióxido de enxofre são solúveis no cobre fundido e afetam as propriedades mecânicas e elétricas do metal quando ele se solidifica.

Ponto de ebulição

2.562 ºC

Densidade

- 8,96 g / mL à temperatura ambiente.

- 8,02 g / mL no ponto de fusão (líquido).

Observe que não há diminuição considerável na densidade entre a fase sólida e a fase líquida; ambos representam materiais muito densos.

Calor de fusão

13,26 kJ / mol.

Calor da vaporização

300 kJ / mol.

Capacidade calórica molar

24,44 J / (mol * K).

Expansão térmica

16,5 µm / (m * K) a 25 ° C

Condutividade térmica

401 W / (m ∙ K).

Resistividade elétrica

16,78 Ω ∙ m a 20 ° C

Condutividade elétrica

59,6∙10⁶ Vós.

O cobre tem uma condução elétrica muito alta, só superada pela prata.

Dureza de Mohs

3,0.

Portanto, é um metal macio e também bastante dúctil. A resistência e a tenacidade são aumentadas pelo trabalho a frio devido à formação de cristal alongado da mesma estrutura cúbica de face centrada presente no cobre.

Reações químicas

O cobre não reage com a água, mas reage com o oxigênio atmosférico, ficando revestido com uma camada de óxido marrom-escuro que fornece proteção contra corrosão para as camadas subjacentes do metal:

2Cu (s) + O₂(g) → 2CuO

O cobre não é solúvel em ácidos diluídos, porém reage com os ácidos sulfúrico e nítrico quentes e concentrados. Também é solúvel em amônia em solução aquosa e em cianeto de potássio.

Pode resistir à ação do ar atmosférico e da água do mar. No entanto, sua exposição prolongada resulta na formação de uma fina camada protetora verde (pátina).

A camada anterior é uma mistura de carbonato de cobre e sulfato, observada em edifícios antigos ou esculturas, como a Estátua da Liberdade em Nova York.

O cobre reage aquecido ao vermelho com oxigênio para dar óxido cúprico (CuO) e em temperaturas mais altas forma óxido cúproso (Cu₂OU). Ele também reage quente com enxofre para produzir sulfeto de cobre; portanto, mancha quando exposto a alguns compostos de enxofre.

O cobre I queima com uma chama azul em um teste de chama; enquanto o cobre II emite uma chama verde.

Estrutura e configuração eletrônica

Os cristais de cobre se cristalizam na estrutura cúbica de face centrada (fcc). rosto centrado cúbico) Neste cristal FCC, os átomos de Cu permanecem ligados graças à ligação metálica, que é comparativamente mais fraca do que outros metais de transição; fato que se manifesta em sua grande ductilidade e baixo ponto de fusão (1084 ºC).

De acordo com a configuração eletrônica:

[Ar] 3d¹⁰ 4s¹

Todos os orbitais 3d são preenchidos com elétrons, enquanto há uma vaga no orbital 4s. Isso significa que os orbitais 3d não colaboram na ligação metálica como seria de se esperar de outros metais. Assim, os átomos de Cu ao longo do cristal se sobrepõem a seus orbitais 4s para criar bandas, influenciando a força relativamente fraca de suas interações.

Na verdade, a diferença energética resultante entre os elétrons orbitais 3d (cheio) e 4s (meio cheio) é responsável pelos cristais de cobre absorvendo fótons do espectro visível, refletindo sua cor laranja característica.

Os cristais de cobre fcc podem ter tamanhos diferentes, que, quanto menores, mais forte será a peça metálica. Quando muito pequenas, falamos de nanopartículas, sensíveis à oxidação e reservadas para aplicações seletivas.

Números de oxidação

O primeiro número ou estado de oxidação que pode ser esperado do cobre é +1, devido à perda do elétron de seu orbital 4s. Ao tê-lo em um composto, a existência do cátion Cu é assumida⁺ (comumente chamado de íon cuproso).

Este e o número de oxidação +2 (Cu²⁺) são os mais conhecidos e mais abundantes para o cobre; eles geralmente são os únicos ensinados no nível do ensino médio. No entanto, também existem números de oxidação +3 (Cu³⁺) e +4 (Cu⁴⁺), que não são tão raros como você pode pensar à primeira vista.

Por exemplo, os sais do ânion cuprato, CuO₂^–, representam compostos com cobre (III) ou +3; tal é o caso do cuprato de potássio, KCuO₂ (K⁺Cu³⁺OU₂^2-).

O cobre também, embora em menor grau e em ocasiões muito raras, pode ter um número de oxidação negativo: -2 (Cu^2-).

Como é obtido

Matéria prima

Os minerais mais utilizados para a extração do cobre são os sulfuretos metálicos, principalmente a calcopirita (CuFeS₂) e bornita (Cu₅FeS₄) Esses minerais contribuem com 50% do total de cobre extraído. Calelita (CuS) e calcocita (Cu₂S).

Trituração e trituração

Inicialmente as rochas são trituradas para obtenção de fragmentos rochosos de 1,2 cm. Em seguida, continua com uma trituração dos fragmentos rochosos, até obter partículas de 0,18 mm. Água e reagentes são adicionados para obter uma pasta, que é então flutuada para obter um concentrado de cobre.

Flutuação

Nesse estágio, são formadas bolhas que prendem os minerais de cobre e enxofre que estão presentes na polpa. Vários processos são realizados para coletar a espuma, secando-a para obter o concentrado que continua sua purificação.

Purificação

Para separar o cobre de outros metais e impurezas, o concentrado seco é submetido a altas temperaturas em fornos especiais. O cobre refinado a fogo (RAF) é moldado em placas pesando aproximadamente 225 kg que irão constituir os ânodos.

Eletrólise

A eletrólise é usada no refino de cobre. Os ânodos da fundição são levados para células eletrolíticas para refino. O cobre viaja para o cátodo e as impurezas se depositam no fundo das células. Nesse processo, são obtidos catodos de cobre com pureza de 99,99%.

Ligas de cobre

Bronze

O bronze é uma liga de cobre e estanho, com o cobre constituindo entre 80 e 97% dele. Foi usado na fabricação de armas e utensílios. Atualmente é utilizado na fabricação de peças mecânicas resistentes ao atrito e à corrosão.

Além disso, é utilizado na construção de instrumentos musicais, como sinos, gongos, pratos, saxofones e cordas de harpas, guitarras e piano.

Latão

Latão é uma liga de cobre e zinco. No latão industrial, a porcentagem de zinco é inferior a 50%. É utilizado na elaboração de containers e estruturas metálicas.

Monel

A liga Monel é uma liga de níquel-cobre, com uma proporção de 2: 1 de níquel para cobre. É resistente à corrosão e é utilizado em trocadores de calor, hastes e arcos de lentes.

Eles encontraram

O Constatan é uma liga composta por 55% de cobre e 45% de níquel. É utilizado para fazer moedas e caracteriza-se por ter uma resistência constante. Também a liga de cupro-níquel é usada para o revestimento externo de moedas de pequeno valor.

BeCu

A liga cobre-berílio tem uma porcentagem de berílio de 2%. Esta liga combina força, dureza, condutividade elétrica e resistência à corrosão. A liga é comumente usada em conectores elétricos, produtos de telecomunicações, componentes de computador e pequenas molas.

Ferramentas como chaves inglesas, chaves de fenda e martelos usados em plataformas de petróleo e minas de carvão têm as iniciais BeCu como garantia de que não produzirão faíscas.

De outros

A liga prata 90% e cobre 10% foi utilizada nas moedas, até 1965 quando o uso da prata foi eliminado em todas as moedas, exceto na moeda de meio dólar.

A liga de alumínio com 7% de cobre é dourada e é usada na decoração. Já o Shakudo é uma liga decorativa japonesa de cobre e ouro, em baixa porcentagem (4 a 10%).

Formulários

Fiação elétrica e motores

O cobre, devido à sua alta condução elétrica e baixo custo, é o metal de escolha para uso na fiação elétrica. O cabo de cobre é utilizado nas várias etapas da eletricidade, como geração, transmissão, distribuição de eletricidade, etc.

50% do cobre produzido no mundo é utilizado na fabricação de cabos e fios elétricos, devido à sua alta condutividade elétrica, facilidade de formação dos fios (ductilidade), resistência à deformação e corrosão.

O cobre também é utilizado na fabricação de circuitos integrados e placas de circuito impresso. O metal é utilizado em dissipadores e trocadores de calor devido à sua alta condução térmica, que facilita a dissipação do calor.

O cobre é usado em eletroímãs, tubos de vácuo, tubos de raios catódicos e magnetrons em fornos de microondas.

Da mesma forma, é utilizado na construção das bobinas dos motores elétricos e nos sistemas que os colocam para funcionar, representando esses artigos cerca de 40% do consumo mundial de eletricidade.

Construção

O cobre, devido à sua resistência à corrosão e à ação do ar atmosférico, há muito é utilizado em telhados de residências, calhas, cúpulas, portas, janelas, etc.

Atualmente é usado em revestimentos de paredes e itens decorativos, como louças sanitárias, maçanetas de portas e lâmpadas. Além disso, é usado em produtos antimicrobianos.

Ação bioestática

O cobre impede que várias formas de vida cresçam em cima dele. Era utilizado em chapas que eram colocadas na parte inferior dos cascos dos barcos para evitar o crescimento de moluscos, como mexilhões, além de cracas.

Atualmente, as tintas à base de cobre são utilizadas para a proteção de cascos de navios mencionada anteriormente. O cobre metálico pode neutralizar muitas bactérias em contato.

Seu mecanismo de ação foi estudado com base em suas propriedades iônicas, corrosivas e físicas. Concluiu-se que o comportamento oxidante do cobre, juntamente com as propriedades de solubilidade de seus óxidos, são os fatores que fazem com que o cobre metálico seja antibacteriano.

O cobre metálico atua em algumas cepas de E. coli, S. aureus Y Clostridium difficile, vírus do grupo A, adenovírus e fungos. Portanto, está prevista a utilização de ligas de cobre que ficam em contato com as mãos dos passageiros em diferentes meios de transporte.

Nanopartículas

A ação antimicrobiana do cobre é potencializada ainda mais quando são utilizadas suas nanopartículas, que se mostraram úteis para tratamentos endodônticos.

Da mesma forma, as nanopartículas de cobre são excelentes adsorventes e, por serem laranja, uma mudança de cor nelas representa um método colorimétrico latente; por exemplo, desenvolvido para a detecção de ditiocarbamatos de pesticidas.

Papel biológico

Na cadeia de transporte eletrônico

O cobre é um elemento essencial para a vida. Está envolvida na cadeia de transporte eletrônico, fazendo parte do complexo IV. A etapa final da cadeia de transporte eletrônico se dá neste complexo: a redução da molécula de oxigênio para formar água.

O complexo IV é formado por dois grupos, um citocromo a, um citocromo a₃, bem como dois centros de Cu; um chamado CuA e o outro CuB. Citocromo a₃ e CuB formam um centro binuclear, no qual ocorre a redução do oxigênio em água.

Nesse estágio, o Cu passa de seu estado de oxidação +1 para +2, gerando elétrons para a molécula de oxigênio. A cadeia de transporte eletrônico usa NADH e FADH₂, vindo do ciclo de Krebs, como doadores de elétrons, com os quais cria um gradiente eletroquímico de hidrogênio.

Esse gradiente serve como fonte de energia para a geração de ATP, em um processo conhecido como fosforilação oxidativa. Portanto, e em última análise, a presença de cobre é necessária para a produção de ATP em células eucarióticas.

Na enzima superóxido dismutase

O cobre é parte da enzima superóxido dismutase, uma enzima que catalisa a quebra do íon superóxido (O₂^–), um composto tóxico para os seres vivos.

A superóxido dismutase catalisa a decomposição do íon superóxido em oxigênio e / ou peróxido de hidrogênio.

A superóxido dismutase pode usar a redução do cobre para oxidar o superóxido a oxigênio, ou pode causar a oxidação do cobre para formar peróxido de hidrogênio a partir do superóxido.

Em hemocianina

A hemocianina é uma proteína presente no sangue de alguns aracnídeos, crustáceos e moluscos. Ele cumpre função semelhante à hemoglobina nesses animais, mas em vez de ter ferro no local de transporte do oxigênio, tem cobre.

A hemocianina possui dois átomos de cobre em seu sítio ativo. Por esse motivo, a cor da hemocianina é azul esverdeado. Os centros de cobre metálico não estão em contato direto, mas estão próximos. A molécula de oxigênio está imprensada entre os dois átomos de cobre.

Concentração no corpo humano

O corpo humano contém entre 1,4 e 2,1 mg de Cu / kg de peso corporal. O cobre é absorvido no intestino delgado e depois transportado para o fígado junto com a albumina. A partir daí, o cobre é transportado para o resto do corpo humano ligado à proteína plasmática ceruloplasmina.

O excesso de cobre é excretado pela bile. Em alguns casos, porém, como na doença de Wilson, o cobre se acumula no corpo, manifestando efeitos tóxicos do metal que afetam o sistema nervoso, os rins e os olhos.

Referências

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