TEMBAGA: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN, PERANAN BIOLOGI - KIMIA - 2026

The tembaga adalah logam peralihan yang dipunyai oleh kumpulan 11 dalam jadual berkala dan diwakili dengan simbol kimia Cu. Ia dicirikan dan dibezakan dengan menjadi logam merah-oren, sangat mulur dan mudah dilentur, juga merupakan pengalir elektrik dan haba yang hebat.

Dalam bentuk logamnya didapati sebagai mineral utama dalam batuan basalt. Sementara itu, dioksidakan dalam sebatian sulfur (eksploitasi perlombongan yang lebih besar), arsenida, klorida dan karbonat; iaitu kategori mineral yang banyak.

Jam penggera yang diperbuat daripada tembaga. Sumber: Pixabay.

Di antara mineral yang mengandunginya, kita boleh menyebutkan kalkosit, kalkopirit, kornit, cuprite, malachite dan azurite. Tembaga juga terdapat di abu alga, karang laut dan arthropoda.

Logam ini mempunyai kelimpahan 80 ppm di kerak bumi, dan kepekatan rata-rata dalam air laut 2.5 ∙ 10 ^-4 mg / L. Secara semula jadi ia berlaku sebagai dua isotop semula jadi: ⁶³ Cu, dengan kelimpahan 69,15%, dan ⁶⁵ Cu, dengan kelimpahan 30,85%.

Terdapat bukti bahawa tembaga dileburkan pada tahun 8000 SM. C. dan disatukan dengan timah untuk membentuk gangsa, pada tahun 4000 SM. C. Dianggap bahawa hanya besi meteorik dan emas mendahului sebagai logam pertama yang digunakan oleh manusia. Oleh itu, ia sama dengan cahaya kuno dan oren pada masa yang sama.

Tembaga digunakan terutamanya dalam pembuatan kabel untuk mengalirkan elektrik di motor elektrik. Kabel seperti itu, kecil atau besar, membentuk mesin atau peranti dalam industri dan kehidupan seharian.

Tembaga terlibat dalam rantaian pengangkutan elektronik yang membolehkan sintesis ATP; sebatian tenaga utama makhluk hidup. Ini adalah kofaktor superoksida dismutase: enzim yang merosakkan ion superoksida, sebatian yang sangat toksik bagi makhluk hidup.

Selain itu, tembaga berperanan dalam hemosianin dalam pengangkutan oksigen di beberapa araknid, krustasea dan moluska, yang serupa dengan yang dilakukan oleh zat besi dalam hemoglobin.

Walaupun semua tindakannya bermanfaat bagi manusia, apabila tembaga terkumpul di dalam tubuh manusia, seperti penyakit Wilson, ia boleh menyebabkan sirosis hati, gangguan otak dan kerosakan mata, antara lain.

Sejarah

Zaman tembaga

Tembaga asli digunakan untuk menjadikan artifak sebagai pengganti batu di zaman Neolitik, mungkin antara tahun 9000 dan 8000 SM. C. Tembaga adalah salah satu logam pertama yang digunakan oleh manusia, setelah besi terdapat dalam meteorit dan emas.

Terdapat bukti penggunaan perlombongan dalam memperoleh tembaga pada tahun 5000 SM. C. Sudah untuk tarikh sebelumnya, artikel tembaga dibina; begitulah kes anting-anting yang dibuat di Iraq yang diperkirakan 8700 SM. C.

Pada gilirannya, dipercayai bahawa metalurgi dilahirkan di Mesopotamia (sekarang Iraq) pada tahun 4000 SM. C., bila mungkin untuk mengurangkan logam mineral melalui penggunaan api dan arang batu. Kemudian, tembaga sengaja disatukan dengan timah untuk menghasilkan gangsa (4000 SM).

Sebilangan sejarawan menunjukkan Zaman Tembaga, yang akan terletak secara kronologi antara Zaman Neolitik dan Zaman Gangsa. Kemudian, Zaman Besi menggantikan Zaman Gangsa antara tahun 2000 hingga 1000 SM. C.

Zaman gangsa

Zaman Gangsa bermula 4000 tahun setelah tembaga dileburkan. Item gangsa dari budaya Vinca bermula pada tahun 4500 SM. C.; sementara di Sumeria dan Mesir terdapat objek gangsa yang dibuat 3000 tahun SM. C.

Penggunaan karbon radioaktif telah membuktikan wujudnya perlombongan tembaga di Alderley Edge, Cheshire dan United Kingdom, antara tahun 2280 dan 1890 SM. C.

Dapat diperhatikan bahawa Ötzi, "Ice Man" dengan jangkaan antara 3300 dan 3200 SM. C., mempunyai kapak dengan kepala tembaga tulen.

Orang Rom dari abad ke-6 SM. Mereka menggunakan kepingan tembaga sebagai mata wang. Julius Caesar menggunakan duit syiling yang diperbuat daripada tembaga, tembaga dan aloi zink. Selanjutnya, duit syiling Octavian dibuat dengan aloi tembaga, timah, dan timah.

Pengeluaran dan nama

Pengeluaran tembaga di Empayar Rom mencapai 150.000 tan per tahun, jumlahnya hanya melampaui Revolusi Industri. Orang Rom membawa tembaga dari Cyprus, mengenalinya sebagai aes Cyprium ("logam dari Cyprus").

Kemudian, istilah merosot menjadi cuprum: nama yang digunakan untuk menunjuk tembaga sehingga tahun 1530, ketika istilah akar bahasa Inggeris 'tembaga' diperkenalkan untuk menunjuk logam.

Gunung Tembaga Besar di Sweden, yang beroperasi dari abad ke-10 hingga 1992, merangkumi 60% penggunaan Eropah pada abad ke-17. Loji La Norddeutsche Affinerie di Hamburg (1876) adalah kilang penyaduran moden pertama yang menggunakan tembaga.

Sifat fizikal dan kimia

Penampilan

Tembaga adalah logam oren-merah berkilat, sementara kebanyakan logam asli berwarna kelabu atau perak.

Nombor atom (Z)

29

Berat atom

63,546 u

Takat lebur

1,084.62 ºC

Gas biasa seperti oksigen, nitrogen, karbon dioksida, dan sulfur dioksida larut dalam tembaga lebur dan mempengaruhi sifat mekanikal dan elektrik logam apabila ia mengeras.

Takat didih

2,562 ºC

Ketumpatan

- 8,96 g / mL pada suhu bilik.

- 8.02 g / mL pada titik lebur (cecair).

Perhatikan bahawa tidak ada penurunan ketumpatan yang ketara antara fasa pepejal dan cecair; kedua-duanya mewakili bahan yang sangat padat.

Panas pelakuran

13.26 kJ / mol.

Haba pengewapan

300 kJ / mol.

Kapasiti kalori molar

24.44 J / (mol * K).

Pengembangan haba

16.5 µm / (m * K) pada 25 ° C.

Kekonduksian terma

401 W / (m ∙ K).

Ketahanan elektrik

16.78 Ω ∙ m pada 20 ° C.

Kekonduksian elektrik

59.6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Tembaga mempunyai pengaliran elektrik yang sangat tinggi, hanya melebihi perak.

Mohs kekerasan

3.0.

Oleh itu, ia adalah logam lembut dan juga sangat mulur. Kekuatan dan ketangguhan ditingkatkan oleh kerja sejuk kerana pembentukan kristal memanjang dari struktur kubik berpusat muka yang sama dengan tembaga.

Tindak balas kimia

Uji api tembaga, yang dikenal dengan warna api biru-hijau-nya. Sumber: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Tembaga tidak bertindak balas dengan air, tetapi ia bertindak balas dengan oksigen atmosfera, ditutup dengan lapisan oksida hitam-coklat yang memberikan perlindungan kakisan pada lapisan logam yang mendasari:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Tembaga tidak larut dalam asid cair, namun ia bertindak balas dengan asid sulfurik dan nitrik yang pekat dan pekat. Ia juga larut dalam ammonia dalam larutan berair dan kalium sianida.

Ia dapat menahan tindakan udara atmosfera dan air laut. Walau bagaimanapun, pendedahannya yang berpanjangan mengakibatkan pembentukan lapisan pelindung hijau tipis (patina).

Lapisan sebelumnya adalah campuran karbonat dan sulfat tembaga, yang diamati di bangunan lama atau patung, seperti Patung Liberty di New York.

Tembaga bertindak balas dipanaskan menjadi merah dengan oksigen untuk memberikan oksida cuprik (CuO) dan pada suhu yang lebih tinggi membentuk oksida gelas (Cu ₂ O). Ia juga bertindak balas panas dengan sulfur untuk menghasilkan sulfida tembaga; oleh itu, menjadi kelam kabut apabila terkena sebatian sulfur.

Tembaga I terbakar dengan api biru dalam ujian nyalaan; sementara tembaga II memancarkan nyalaan hijau.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Kristal tembaga mengkristal dalam struktur kubik berpusat muka (fcc). Dalam kristal fcc ini, atom Cu tetap melekat berkat ikatan logam, yang relatif lebih lemah daripada logam peralihan lain; fakta yang dinyatakan dalam kemuluran dan takat leburnya yang rendah (1084 ºC).

Menurut konfigurasi elektronik:

3d ¹⁰ 4s ¹

Semua orbital 3d dipenuhi dengan elektron, sementara terdapat kekosongan di orbit 4s. Ini bermaksud bahawa orbital 3d tidak berkolaborasi dalam ikatan logam seperti yang diharapkan daripada logam lain. Oleh itu, atom Cu di sepanjang kristal bertindih dengan orbit 4s mereka untuk membuat jalur, mempengaruhi daya interaksi mereka yang agak lemah.

Sebenarnya, perbezaan bertenaga yang dihasilkan antara elektron orbit 3d (penuh) dan 4s (separuh penuh) bertanggungjawab untuk kristal kuprum yang menyerap foton dari spektrum yang dapat dilihat, yang mencerminkan warna orennya yang tersendiri.

Kristal tembaga fcc boleh mempunyai ukuran yang berbeza, dan semakin kecil kepingan logamnya, semakin kuat. Apabila ia sangat kecil, maka kita bercakap mengenai nanopartikel, sensitif terhadap pengoksidaan dan disediakan untuk aplikasi terpilih.

Nombor pengoksidaan

Nombor pertama atau keadaan pengoksidaan yang boleh dijangkakan tembaga ialah +1, kerana kehilangan elektron dari orbit 4snya. Ketika memilikinya dalam suatu kompaun, kewujudan kation Cu ⁺ (biasanya disebut ion gelas) dianggap .

Ini dan nombor pengoksidaan +2 (Cu ²⁺ ) adalah tembaga yang paling terkenal dan paling banyak; mereka umumnya satu-satunya yang diajar di peringkat sekolah menengah. Walau bagaimanapun, terdapat juga nombor pengoksidaan +3 (Cu ³⁺ ) dan +4 (Cu ⁴⁺ ), yang tidak jarang seperti yang anda fikirkan pada pandangan pertama.

Sebagai contoh, garam anion cuprate, CuO ₂ ^- , mewakili sebatian dengan tembaga (III) atau +3; seperti kes potassium cuprate, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Tembaga juga, walaupun pada tahap yang lebih rendah dan pada kesempatan yang sangat jarang, dapat mempunyai bilangan pengoksidaan negatif: -2 (Cu ^2- ).

Bagaimana ia diperoleh

Bahan mentah

Mineral yang paling banyak digunakan untuk pengekstrakan tembaga adalah sulfida logam, terutamanya chalcopyrite (CuFeS ₂ ) dan Bornite (Cu ₅ FeS ₄ ). Mineral ini menyumbang 50% daripada jumlah tembaga yang diekstrak. Calellite (CuS) dan chalcocite (Cu ₂ S) juga digunakan untuk mendapatkan tembaga .

Menghancurkan dan mengisar

Pada mulanya batu-batu dihancurkan untuk mendapatkan serpihan berbatu 1.2 cm. Kemudian diteruskan dengan pengisaran serpihan berbatu, sehingga memperoleh zarah 0,18 mm. Air dan reagen ditambahkan untuk mendapatkan pasta, yang kemudian diapungkan untuk mendapatkan konsentrat tembaga.

Pengapungan

Pada peringkat ini, gelembung terbentuk yang memerangkap mineral tembaga dan sulfur yang terdapat di dalam pulpa. Beberapa proses dilakukan untuk mengumpulkan busa, mengeringkannya untuk mendapatkan konsentrat yang meneruskan pemurniannya.

Penyucian

Untuk memisahkan tembaga dari logam dan kekotoran lain, pekat kering dikenakan suhu tinggi di relau khas. Tembaga yang disempurnakan api (RAF) dibentuk ke dalam plat dengan berat kira-kira 225 kg yang akan membentuk anod.

Elektrolisis

Elektrolisis digunakan dalam penyulingan kuprum. Anod dari pelebur dibawa ke sel elektrolit untuk disempurnakan. Tembaga bergerak ke katod dan kekotoran menetap ke bahagian bawah sel. Dalam proses ini katod tembaga dengan ketulenan 99,99% diperoleh.

Aloi tembaga

Gangsa

Gangsa adalah aloi tembaga dan timah, dengan tembaga yang terdiri antara 80 dan 97% daripadanya. Itu digunakan dalam pembuatan senjata dan perkakas. Ia kini digunakan dalam pembuatan bahagian mekanikal yang tahan terhadap geseran dan kakisan.

Di samping itu, ia digunakan dalam pembinaan alat muzik, seperti loceng, gong, simbal, saksofon dan rentetan kecapi, gitar dan piano.

Tembaga

Tembaga adalah aloi tembaga dan zink. Dalam tembaga industri peratusan zink kurang daripada 50%. Ia digunakan dalam penghuraian bekas dan struktur logam.

Monel

Aloi monel adalah aloi nikel-tembaga, dengan nisbah 2: 1 nikel ke tembaga. Ia tahan terhadap kakisan dan digunakan dalam penukar haba, batang dan lengkungan lensa.

Mereka mengesahkan

Constatán adalah aloi yang terdiri daripada tembaga 55% dan nikel 45%. Ia digunakan untuk membuat duit syiling dan dicirikan oleh mempunyai daya tahan berterusan. Juga aloi cupro-nikel digunakan untuk lapisan luar syiling denominasi kecil.

BeCu

Aloi tembaga-berilium mempunyai peratusan berilium 2%. Aloi ini menggabungkan kekuatan, kekerasan, kekonduksian elektrik, dan ketahanan kakisan. Aloi ini biasanya digunakan dalam penyambung elektrik, produk telekomunikasi, komponen komputer, dan mata air kecil.

Alat seperti sepana, pemutar skru dan palu yang digunakan pada pelantar minyak dan lombong arang batu mempunyai inisial BeCu sebagai jaminan bahawa mereka tidak akan menghasilkan percikan api.

Yang lain

Perak paduan 90% dan tembaga 10% digunakan dalam duit syiling, sehingga tahun 1965 ketika penggunaan perak dihapuskan dalam semua mata wang, kecuali duit syiling setengah dolar.

Aloi aluminium tembaga 7% berwarna keemasan dan digunakan dalam hiasan. Sementara itu, Shakudo adalah aloi hiasan tembaga dan emas Jepun, dengan peratusan yang rendah (4 hingga 10%).

Permohonan

Pendawaian elektrik dan motor

Pendawaian elektrik tembaga. Sumber: Scott Ehardt

Tembaga kerana pengaliran elektrik yang tinggi dan kos rendah adalah logam pilihan untuk digunakan dalam pendawaian elektrik. Kabel tembaga digunakan dalam pelbagai peringkat elektrik, seperti penjanaan, penghantaran, pengedaran tenaga elektrik, dll.

50% tembaga yang dihasilkan di dunia digunakan dalam pembuatan kabel elektrik dan wayar, kerana kekonduksian elektriknya yang tinggi, kemudahan membentuk wayar (kemuluran), ketahanan terhadap ubah bentuk dan kakisan.

Tembaga juga digunakan dalam membuat litar bersepadu dan papan litar bercetak. Logam digunakan dalam sink haba dan penukar haba kerana pengaliran haba yang tinggi, yang memudahkan pelesapan haba.

Tembaga digunakan dalam elektromagnet, tiub vakum, tiub sinar katod, dan magnetron dalam ketuhar gelombang mikro.

Begitu juga, ia digunakan dalam pembinaan gegelung motor elektrik dan sistem yang menjadikan motor berfungsi, barang-barang ini mewakili sekitar 40% penggunaan elektrik dunia.

Bangunan

Tembaga, kerana ketahanan terhadap kakisan dan tindakan udara atmosfera, telah lama digunakan di bumbung rumah, downspout, kubah, pintu, tingkap, dll.

Saat ini digunakan dalam pelapis dinding dan barang hiasan, seperti aksesori bilik mandi, pemegang pintu, dan lampu. Juga, ia digunakan dalam produk antimikroba.

Tindakan biostatik

Tembaga menghalang banyak bentuk hidup daripada tumbuh di atasnya. Itu digunakan dalam lembaran yang diletakkan di dasar lambung kapal untuk mencegah pertumbuhan moluska, seperti kerang, dan juga tongkang.

Pada masa ini cat berasaskan tembaga digunakan untuk perlindungan kapal kapal yang disebutkan di atas. Tembaga logam dapat meneutralkan banyak bakteria semasa bersentuhan.

Mekanisme tindakannya telah dikaji berdasarkan sifat ionik, kakisan dan fizikalnya. Kesimpulannya adalah bahawa tingkah laku pengoksidaan tembaga, bersama dengan sifat kelarutan oksida adalah faktor yang menyebabkan tembaga logam menjadi antibakteria.

Tembaga logam bertindak pada beberapa jenis E. coli, S. aureus dan Clostridium difficile, virus kumpulan A, adenovirus dan kulat. Oleh itu, telah dirancang untuk menggunakan aloi tembaga yang bersentuhan dengan tangan penumpang dalam alat pengangkutan yang berbeza.

Nanopartikel

Tindakan antimikroba tembaga semakin meningkat apabila nanopartikelnya digunakan, yang terbukti berguna untuk rawatan endodontik.

Begitu juga, nanopartikel tembaga adalah penyerap yang sangat baik, dan kerana berwarna oren, perubahan warna di dalamnya mewakili kaedah kolorimetrik laten; sebagai contoh, dibangunkan untuk mengesan racun perosak dithiocarbamates.

Peranan biologi

Dalam rantaian pengangkutan elektronik

Tembaga adalah elemen penting untuk kehidupan. Ia terlibat dalam rantaian pengangkutan elektronik, yang merupakan bahagian kompleks IV. Langkah terakhir rantaian pengangkutan elektronik berlaku di kompleks ini: pengurangan molekul oksigen untuk membentuk air.

Kompleks IV terdiri daripada dua kumpulan hae, sitokrom a, sitokrom ₃ , dan juga dua pusat Cu; satu dipanggil CuA dan CuB yang lain. Cytochrome a ₃ dan CuB membentuk pusat binuklear, di mana pengurangan oksigen ke air berlaku.

Pada tahap ini, Cu melepasi dari keadaan pengoksidaan +1 hingga +2, memberikan elektron ke molekul oksigen. Rangkaian pengangkutan elektronik menggunakan NADH dan FADH ₂ , dari kitaran Krebs, sebagai penderma elektron, dengan mana ia mewujudkan kecerunan hidrogen elektrokimia.

Kecerunan ini berfungsi sebagai sumber tenaga untuk generasi ATP, dalam proses yang dikenali sebagai fosforilasi oksidatif. Jadi, dan akhirnya, kehadiran tembaga sangat diperlukan untuk penghasilan ATP dalam sel eukariotik.

Dalam enzim superoxide dismutase

Tembaga adalah sebahagian daripada enzim superoxide dismutase, enzim yang menjadi pemangkin penguraian ion superoksida (O ₂ ^- ), sebatian yang beracun bagi makhluk hidup.

Superoxide dismutase memangkin penguraian ion superoksida menjadi oksigen dan / atau hidrogen peroksida.

Superoxide dismutase dapat menggunakan pengurangan tembaga untuk mengoksidasi superoksida menjadi oksigen, atau boleh menyebabkan pengoksidaan tembaga membentuk hidrogen peroksida dari superoksida.

Dalam hemosianin

Hemosianin adalah protein yang terdapat dalam darah beberapa araknid, krustasea dan moluska. Ini memenuhi fungsi yang serupa dengan hemoglobin pada hewan ini, tetapi alih-alih memiliki besi di lokasi pengangkutan oksigen, ia memiliki tembaga.

Hemocyanin mempunyai dua atom tembaga di tapak aktifnya. Atas sebab ini, warna hemosianin berwarna biru-hijau. Pusat tembaga logam tidak bersentuhan langsung, tetapi mempunyai lokasi yang dekat. Molekul oksigen terjepit di antara dua atom kuprum.

Kepekatan dalam tubuh manusia

Tubuh manusia mengandungi antara 1.4 dan 2.1 mg Cu / kg berat badan. Tembaga diserap ke dalam usus kecil dan kemudian dibawa ke hati bersama dengan albumin. Dari sana, tembaga diangkut ke seluruh tubuh manusia yang melekat pada ceruloplasmin protein plasma.

Lebihan tembaga dikeluarkan melalui hempedu. Namun, dalam beberapa kes, seperti penyakit Wilson, tembaga terkumpul di dalam badan, menyebabkan kesan toksik logam yang mempengaruhi sistem saraf, ginjal, dan mata.

Rujukan

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Aplikasi nanopartikel tembaga untuk pengesanan pestisida dithiocarbamate secara kolorimetrik. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela, & Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanopartikel Tembaga sebagai Agen Antimikroba Berpotensi dalam Membasmi Saluran Akar: Kajian Sistematik. Jurnal odontostomatology antarabangsa, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Tembaga. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 September 2018). Sifat fizikal tembaga berilium. Dipulihkan dari: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Julai 2019). Fakta Tembaga: Sifat Kimia dan Fizikal. Dipulihkan dari: thinkco.com
6. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (26 Julai 2019). Tembaga: unsur kimia. Ensiklopedia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
7. Penyunting. (10 November 2018). Chalcopyrite. Dipulihkan dari: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Jadual berkala: tembaga. Dipulihkan dari: lenntech.com