kupari
kemiallinen alkuaine
Kupari (Cu), kemiallinen alkuaine, punertava, erittäin sitkeä jaksollisen järjestelmän ryhmän 11 (Ib) metalli, joka on poikkeuksellisen hyvä sähkön ja lämmön johde. Kuparia esiintyy luonnossa vapaassa metallitilassa. Tätä alkuperäistä kuparia käyttivät ensimmäisen kerran (noin 8000 eaa.) kiven korvikkeena neoliittisen (uuden kivikauden) ihmiset. Metallurgia valkeni Mesopotamiassa, kun kuparia valettiin muotoon muoteissa (n. 4000 eaa.), se pelkistettiin malmeista metalliksi tulella ja hiilellä ja tarkoituksella seostettiin tinaan pronssina (n. 3500 eaa.). Roomalainen kupari tuli lähes kokonaan Kyprokselta. Se tunnettiin nimelläaes Cyprium, "Kyproksen metalli", lyhennetty muotoonkypriumja myöhemmin korruptoitunutcuprum. Katso myöspronssi.
| atominumero | 29 |
|---|---|
| atomipaino | 63.546 |
| sulamispiste | 1 083 astetta (1 981 astetta F) |
| kiehumispiste | 2 567 astetta (4 653 astetta F) |
| tiheys | 8,96 20 asteessa (68 astetta F) |
| valenssi | 1, 2 |
| elektronikonfiguraatio | 2-8-18-1 tai (Ar)3d104s1 |
Esiintyminen, käyttötarkoitukset ja ominaisuudet
kupari
Kupari Keweenawin niemimaalta, Michiganista, Yhdysvalloista
Alkuperäistä kuparia löytyy monista paikoista päämineraalina basalttilaavassa ja myös kupariyhdisteistä, kuten sulfideista, arsenideista, klorideista ja karbonaateista, pelkistyneenä. (Kuparin mineralogiset ominaisuudet,katsoluontaisten alkuaineiden taulukko.) Kuparia esiintyy yhdistelmänä monissa mineraaleissa, kuten kalkosiitti, kalkopyriitti, borniitti, kupriitti, malakiitti ja atsuriitti. Sitä esiintyy merilevien tuhkassa, monissa merikoralleissa, ihmisen maksassa ja monissa nilviäisissä ja niveljalkaisissa. Kuparilla on sama rooli hapen kuljettajana siniveristen nilviäisten ja äyriäisten hemosyaniinissa kuin raudalla punaveristen eläinten hemoglobiinissa. Ihmisissä hivenaineena oleva kupari auttaa katalysoimaan hemoglobiinin muodostumista. Porfyyrikupariesiintymä Chilen Andien vuoristossa on mineraalin suurin tunnettu esiintymä. 2000-luvun alkuun mennessä Chilestä oli tullut maailman johtava kuparin tuottaja. Muita suuria tuottajia ovat Peru, Kiina ja Yhdysvallat.
Kitwe: avoloupparin kaivos
Avoloupparin kaivos, Kitwe, Sambia.
Kuparia tuotetaan kaupallisesti pääasiassa sulattamalla tai liuottamalla, mitä seuraa yleensä sähkösaostus sulfaattiliuoksista. Kuparin tuotannon yksityiskohtaista käsittelyä varten,katsokuparin käsittely. Suurin osa maailmassa tuotetusta kuparista käytetään sähköteollisuudessa; suurin osa lopusta yhdistetään muiden metallien kanssa seoksiksi. (Se on myös teknisesti tärkeä sähköpinnoitteena.) Tärkeitä metalliseoksia, joissa kupari on pääainesosa, ovat messingit (kupari ja sinkki), pronssit (kupari ja tina) ja nikkelihopeat (kupari, sinkki ja nikkeli, ei hopea). On olemassa monia hyödyllisiä kuparin ja nikkelin seoksia, mukaan lukien Monel; nämä kaksi metallia ovat täysin sekoittuvia. Kupari muodostaa myös tärkeän sarjan alumiiniseoksia, joita kutsutaan alumiinipronsseiksi. Berylliumkupari (2 prosenttia Be) on epätavallinen kupariseos, koska se voidaan kovettaa lämpökäsittelyllä. Kupari on osa monia metallirahoja. Kauan sen jälkeen, kun pronssikausi siirtyi rautakaudelle, kupari jäi toiseksi käytetyksi ja tärkeäksi metalliksi raudalle. 1960-luvulle mennessä halvempi ja paljon runsaampi alumiini oli kuitenkin siirtynyt toiselle sijalle maailman tuotannossa.
| maa | kaivostuotanto 2016 (tonnia)* | % maailman kaivostuotannosta | todistetut varat 2016 (tonnia)* | % maailman osoittamista varoista |
|---|---|---|---|---|
| *Arvioitu. | ||||
| **Pyöristyksestä johtuen yksityiskohdat eivät vastaa annettua kokonaismäärää. | ||||
| Lähde: Yhdysvaltain sisäministeriö, Mineral Commodity Summaries 2017. | ||||
| Chile | 5,500,000 | 28.4 | 210,000,000 | 29.2 |
| Peru | 2,300,000 | 11.9 | 81,000,000 | 11.3 |
| Kiina | 1,740,000 | 9.0 | 28,000,000 | 3.9 |
| Yhdysvallat | 1,410,000 | 7.3 | 35,000,000 | 4.9 |
| Australia | 970,000 | 5.0 | 89,000,000 | 12.4 |
| Kongo (Kinshasa) | 910,000 | 4.7 | 20,000,000 | 2.8 |
| Sambia | 740,000 | 3.8 | 20,000,000 | 7.4 |
| Kanada | 720,000 | 3.7 | 11,000,000 | 1.5 |
| Venäjä | 710,000 | 3.7 | 30,000,000 | 4.2 |
| Meksiko | 620,000 | 3.2 | 46,000,000 | 6.4 |
| muut maat | 3,800,000 | 19.6 | 150,000,000 | 20.8 |
| maailman yhteensä | 19,400,000** | 100** | 720,000,000 | 100** |
kuparikaapelit
Kupariset sähkökaapelit. Kuparin korkean sähkönjohtavuuden vuoksi sitä käytetään voimakkaasti sähköteollisuudessa.(Lisää)
Kupari on yksi sitkeimmistä metalleista, ei erityisen vahva tai kova. Kylmätyöstö lisää lujuutta ja kovuutta huomattavasti, koska muodostuu pitkänomaisia kiteitä, joilla on sama pintakeskeinen kuutiorakenne kuin pehmeämmässä hehkutetussa kuparissa. Tavalliset kaasut, kuten happi, typpi, hiilidioksidi ja rikkidioksidi, liukenevat sulaan kupariin ja vaikuttavat suuresti jähmettyneen metallin mekaanisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin. Puhdas metalli on toiseksi hopean jälkeen lämmön- ja sähkönjohtavuudeltaan. Luonnollinen kupari on kahden stabiilin isotoopin seos: kupari-63 (69,15 prosenttia) ja kupari-65 (30,85 prosenttia).
Britannica-tietokilpailu
Faktat, jotka sinun pitäisi tietää: Jaksollinen tietovisa
Koska kupari on sähkömoottorisarjassa vedyn alapuolella, se ei liukene happoihin vedyn kehittyessä, vaikka se reagoi hapettavien happojen, kuten typpihapon ja kuuman, väkevän rikkihapon kanssa. Kupari vastustaa ilmakehän ja meriveden vaikutusta. Pitkäaikainen altistuminen ilmalle johtaa kuitenkin ohuen vihreän suojakerroksen (patina) muodostumiseen, joka on seos hydroksokarbonaattia, hydroksosulfaattia ja pieniä määriä muita yhdisteitä. Kupari on kohtalaisen jalometalli, johon eivät vaikuta hapettamattomat tai kompleksoimattomat laimeat hapot ilman poissa ollessa. Se kuitenkin liukenee helposti typpihappoon ja rikkihappoon hapen läsnä ollessa. Se liukenee myös vesipitoiseen ammoniakkiin tai kaliumsyanidiin hapen läsnä ollessa, koska liukeneessaan muodostuu erittäin stabiileja syanokomplekseja. Metalli reagoi punaisessa lämmössä hapen kanssa muodostaen kuparioksidia, CuO, ja korkeammissa lämpötiloissa kuparioksidia, Cu.2O. Se reagoi kuumentaessaan rikin kanssa muodostaen kuparisulfidia, Cu2S.
Pääyhdisteet
Kupari muodostaa normaalissa kemiassaan yhdisteitä hapetusasteissa +1 ja +2, vaikka erityisolosuhteissa voidaan valmistaa joitain kolmiarvoisen kuparin yhdisteitä. On osoitettu, että kolmiarvoinen kupari säilyy vesiliuoksessa vain muutaman sekunnin.
kupriitti
Cuprite Namibiasta.
Kupari(I)(kupari)yhdisteet ovat kaikki diamagneettisia ja harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta värittömiä. Tärkeitä kuparin (I) teollisia yhdisteitä ovat kuparioksidi (Cu2O), kuparikloridi (Cu2Cl2) ja kuparisulfidi (Cu2S). Kuparioksidi on punainen tai punertavanruskea kide tai jauhe, jota esiintyy luonnossa kupriittimineraalina. Sitä valmistetaan suuressa mittakaavassa pelkistämällä kuparioksidimalmeja kuparimetallilla tai elektrolyysillä natriumkloridin vesiliuoksesta kuparielektrodeja käyttäen. Puhdas yhdiste on liukenematon veteen, mutta liukenee kloorivetyhappoon tai ammoniakkiin. Kuparioksidia käytetään pääasiassa punaisena pigmenttinä eliönestomaaleissa, laseissa, posliinilasituksissa ja keramiikassa sekä siementen tai kasvien sienitautien torjunta-aineena.
Kuparikloridi on valkeasta harmahtavaan kiinteä aine, joka esiintyy nantokiittina. Se valmistetaan yleensä pelkistämällä kupari(II)kloridia metallikuparilla. Puhdas yhdiste on stabiili kuivassa ilmassa. Kostea ilma muuttaa sen vihertäväksi happipitoiseksi yhdisteeksi, ja valolle altistuessaan se muuttuu kupari(II)kloridiksi. Se on liukenematon veteen, mutta liukenee väkevään kloorivetyhappoon tai ammoniakkiin monimutkaisten ionien muodostumisen vuoksi. Kuparikloridia käytetään katalyyttinä useissa orgaanisissa reaktioissa, erityisesti akryylinitriilin synteesissä asetyleenistä ja vetysyanidista; öljytuotteiden värin- ja rikinpoistoaineena; denitroivana aineena selluloosalle; ja saippuoiden, rasvojen ja öljyjen kondensointiaineena.
Kuparisulfidia esiintyy mustan jauheen tai kokkareiden muodossa, ja sitä esiintyy kalkosiittina. Suuria määriä yhdistettä saadaan kuumentamalla kuparisulfidia (CuS) vetyvirrassa. Kuparisulfidi ei liukene veteen, mutta liukenee ammoniumhydroksidiin ja typpihappoon. Sen sovelluksia ovat käyttö aurinkokennoissa, valaisevissa maaleissa, elektrodeissa ja tietyissä kiinteissä voiteluaineissa.
Kaupallisesti arvokkaita kupari(II)yhdisteitä ovat kuprioksidi (CuO), kuparikloridi (CuCl)2) ja kuparisulfaatti (CuSO4). Kuparioksidi on mustaa jauhetta, joka esiintyy tenoriittina ja paramelakoniittina. Suuria määriä tuotetaan paahtamalla kuparioksidimalmeja uunissa alle 1 030 asteen (1 900 asteen F) lämpötilassa. Puhdas yhdiste voidaan liuottaa happoihin ja alkalisyanideihin. Kuparioksidia käytetään pigmenttinä (sinistä vihreään) laseissa, posliinilasituksissa ja keinotekoisissa jalokivissä. Sitä käytetään myös öljykaasujen rikinpoistoaineena ja hapetuskatalyyttinä.
Kuparikloridi on kellertävästä ruskeaan jauhettua, joka imee helposti kosteutta ilmasta ja muuttuu vihertävän siniseksi hydraatiksi, CuCl2∙2H2O. Hydraatti valmistetaan tavallisesti johtamalla klooria ja vettä metallikuparilla täytetyssä kosketustornissa. Vedetön suola saadaan kuumentamalla hydraatti 100 asteeseen (212 astetta F). Kuparikloridin tapaan kuparikloridia käytetään katalyyttinä useissa orgaanisissa reaktioissa, esimerkiksi hiilivetyjen kloorauksessa. Lisäksi se toimii puunsuoja-aineena, peittausaineena (kiinnitysaineena) kankaiden värjäyksessä ja painamisessa, desinfiointiaineena, rehun lisäaineena sekä pigmenttinä lasille ja keramiikalle.
Kuparisulfaatti on suola, joka muodostuu käsittelemällä kuparioksidia rikkihapolla. Se muodostaa suuria, kirkkaansinisiä kiteitä, jotka sisältävät viisi vesimolekyyliä (CuSO4∙5H2O) ja tunnetaan kaupassa nimellä blue vitriol. Vedetön suola valmistetaan kuumentamalla hydraatti 150 asteeseen (300 astetta F). Kuparisulfaattia käytetään pääasiassa maataloustarkoituksiin torjunta-aineena, bakteereja tappavana aineena, rehun lisäaineena ja maaperän lisäaineena. Sen vähäisiä käyttökohteita ovat muun muassa raaka-aineena muiden kupariyhdisteiden valmistuksessa, analyyttisen kemian reagenssina, akkujen ja galvanointikylpyjen elektrolyyttinä sekä lääketieteessä paikallisesti levitettävänä fungisidina, bakterisidina ja supistavana aineena.
Muita tärkeitä kupari(II)yhdisteitä ovat kuparikarbonaatti, Cu2(VAI NIIN)2CO3, joka valmistetaan lisäämällä natriumkarbonaattia kuparisulfaattiliuokseen ja sitten suodattamalla ja kuivaamalla tuote. Sitä käytetään väriaineena. Arseenin kanssa se muodostaa kupriasetoarseniittia (tunnetaan yleisesti nimellä Paris green), puunsuoja- ja hyönteismyrkky.
