구리 : 역사, 특성, 구조, 용도, 생물학적 역할 - 화학 - 2025

구리는 주기율표 11 족에 속하는 전이 금속이며, 구리의 화학 기호에 의해 표시된다. 그것은 매우 연성이고 가단성이며 전기와 열의 큰 전도체이기도 한 붉은 주황색 금속이라는 특징과 구별됩니다.

금속 형태로 현무암에서 주요 광물로 발견됩니다. 한편, 그것은 유황 화합물 (광산 개발이 더 많은 화합물), 비소, 염화물 및 탄산염에서 산화됩니다. 즉, 광물의 광대 한 범주입니다.

구리로 만든 알람 시계. 출처 : Pixabay.

그것을 포함하는 미네랄 중에서 우리는 칼코 사이트, 칼 코피 라이트, 보르 나이트, 큐 라이트, 공작석 및 남동석을 언급 할 수 있습니다. 구리는 조류의 재, 해양 산호 및 절지 동물에도 존재합니다.

이 금속은 지각에 80ppm이 풍부하고 해수의 평균 농도는 2.5 ∙ 10 ^-4 mg / L입니다. 자연에서는 두 개의 천연 동위 원소로 발생합니다 : ⁶³ Cu (풍부도 69.15 %)와 ⁶⁵ Cu (풍부도 30.85 %).

구리가 기원전 8000 년에 제련되었다는 증거가 있습니다. 기원전 4000 년에 주석과 합금하여 청동을 형성했습니다. C. 유성 철과 금만이 인간이 사용하는 최초의 금속으로 선행되는 것으로 간주됩니다. 따라서 동시에 고풍과 주황색 빛과 동의어입니다.

구리는 주로 전기 모터에서 전기를 전도하기위한 케이블 제조에 사용됩니다. 소형이든 대형이든 이러한 케이블은 산업 및 일상 생활에서 기계 또는 장치를 구성합니다.

구리는 ATP의 합성을 가능하게하는 전자 수송 사슬에 관여합니다. 생명체의 주요 에너지 화합물. 이것은 슈퍼 옥사이드 디스 뮤 타제의 보조 인자입니다. 슈퍼 옥사이드 이온을 분해하는 효소, 생물에게 매우 독성이 강한 화합물입니다.

또한 구리는 일부 거미류, 갑각류 및 연체 동물의 산소 수송에서 헤 모시 아닌에서 역할을하며 이는 헤모글로빈에서 철에 의해 수행되는 것과 유사합니다.

인간에게 유익한 모든 작용에도 불구하고 구리가 인체에 축적되면 윌슨 병의 경우와 같이 간경변, 뇌 질환 및 눈 손상 등의 변화를 일으킬 수 있습니다.

역사

구리 시대

네이티브 구리는 아마도 기원전 9000 년에서 8000 년 사이에 신석기 시대의 석재 대신 인공물을 만드는 데 사용되었습니다. C. 구리는 운석과 금에 존재하는 철 다음으로 사람이 사용하는 최초의 금속 중 하나입니다.

기원전 5000 년에 구리를 얻기 위해 채광을 사용했다는 증거가 있습니다. C. 이미 이전 날짜에 구리 제품이 건설되었습니다. 이것은 기원전 8700 년으로 추정되는 이라크에서 만들어진 귀걸이의 경우입니다. 씨.

차례로, 야금술은 기원전 4000 년 메소포타미아 (현재의 이라크)에서 태어 났다고 믿어집니다. C., 불과 석탄을 사용하여 광물의 금속을 줄일 수 있었을 때. 나중에 구리는 의도적으로 주석과 합금되어 청동을 생산했습니다 (BC 4000 년).

일부 역사가들은 신석기 시대와 청동기 시대 사이에 연대순으로 위치 할 구리 시대를 지적합니다. 나중에 철기 시대는 기원전 2000 년에서 1000 년 사이 청동기 시대를 대체했습니다. 씨.

청동기 시대

청동기 시대는 구리가 제련 된 지 4000 년 후에 시작되었습니다. Vinca 문화의 청동 아이템은 기원전 4500 년으로 거슬러 올라갑니다. 씨 .; 수메르와 이집트에는 기원전 3000 년에 만들어진 청동 물체가 있습니다. 씨.

방사성 탄소의 사용은 기원전 2280 년과 1890 년 사이에 Alderley Edge, Cheshire 및 영국에서 구리 채굴의 존재를 확립했습니다. 씨.

기원전 3300 년에서 3200 년 사이의 추정 날짜를 가진 "아이스 맨"인 Ötzi가 주목할 만합니다. C.는 순수한 구리 머리가 달린 도끼를 가졌습니다.

기원전 6 세기의 로마인. 그들은 구리 조각을 화폐로 사용했습니다. Julius Caesar는 황동, 구리 및 아연 합금으로 만든 동전을 사용했습니다. 또한 Octavian의 동전은 구리, 납 및 주석의 합금으로 만들어졌습니다.

생산 및 이름

로마 제국의 구리 생산량은 연간 15 만 톤에 이르렀는데, 이는 산업 혁명 때에야 능가했습니다. 로마인들은 aes Cyprium ( "키프로스의 금속")으로 알고있는 키프로스에서 구리를 가져 왔습니다.

나중에이 용어는 구리를 지정하는 데 사용 된 이름으로 구리를 지정하는 데 사용 된 이름 인 1530 년까지 영어 어근 '구리'가 금속을 지정하기 위해 도입되었습니다.

10 세기부터 1992 년까지 운영 된 스웨덴의 Great Copper Mountain은 17 세기 유럽 소비의 60 %를 차지했습니다. 함부르크의 La Norddeutsche Affinerie 공장 (1876)은 구리를 사용한 최초의 현대 전기 도금 공장이었습니다.

물리 화학적 특성

외관

구리는 광택이 나는 주황색-빨간색 금속이지만 대부분의 기본 금속은 회색 또는 은색입니다.

원자 번호 (Z)

29

원자량

63,546u

녹는 점

1,084.62ºC

산소, 질소, 이산화탄소 및 이산화황과 같은 일반적인 가스는 용융 된 구리에 용해되며 고형화 될 때 금속의 기계적 및 전기적 특성에 영향을줍니다.

비점

2,562ºC

밀도

-실온에서 8.96g / mL.

-융점 (액체)에서 8.02g / mL.

고체상과 액체상 사이에 밀도가 크게 감소하지 않습니다. 둘 다 매우 조밀 한 재료를 나타냅니다.

융합 열

13.26 kJ / 몰.

기화열

300 kJ / 몰.

몰 칼로리 용량

24.44 J / (몰 * K).

열 팽창

25 ° C에서 16.5µm / (m * K)

열 전도성

401 W / (m ∙ K).

전기 저항

20 ° C에서 16.78 Ω ∙ m

전기 전도도

59.6 ∙ 10 ⁶ S / m.

구리는 전기 전도율이 매우 높으며은을 능가합니다.

모스 경도

3.0.

따라서 부드러운 금속이며 또한 매우 연성입니다. 구리에 존재하는 동일한면 중심 입방 구조의 긴 결정 형성으로 인해 냉간 가공에 의해 강도와 인성이 증가합니다.

화학 반응

청록색 불꽃의 색상으로 식별되는 구리 불꽃 테스트. 출처 : Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

구리는 물과 반응하지 않지만 대기 중 산소와 반응하여 금속의 기본 층에 부식 방지 기능을 제공하는 흑색 갈색 산화물 층으로 덮여 있습니다.

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

구리는 묽은 산에 용해되지 않지만 뜨겁고 농축 된 황산 및 질산과 반응합니다. 또한 수용액의 암모니아와 시안화 칼륨에 용해됩니다.

대기와 바닷물의 작용에 저항 할 수 있습니다. 그러나 장기간 노출되면 얇은 녹색 보호 층 (녹청)이 형성됩니다.

이전 층은 뉴욕의 자유의 여신상과 같은 오래된 건물이나 조각에서 관찰되는 탄산염과 황산구리의 혼합물입니다.

구리가 반응하여 산화 구리, 산화 구리 (CuO가)을 수득 산소와 고온 형태에서 적색까지 가열 CU ( ₂ O). 또한 황과 뜨거운 반응을하여 황화 구리를 생성합니다. 따라서 일부 유황 화합물에 노출되면 안개가 낀다.

구리 I는 화염 테스트에서 푸른 불꽃으로 타 오릅니다. 구리 II는 녹색 불꽃을 방출합니다.

구조 및 전자 구성

구리 결정은면 중심 입방체 (fcc) 구조에서 결정화됩니다. 이 fcc 결정에서 Cu 원자는 다른 전이 금속보다 비교적 약한 금속 결합 덕분에 부착 된 상태로 남아 있습니다. 높은 연성과 낮은 융점 (1084 ºC)에서 사실이 드러났습니다.

전자 구성에 따르면 :

3d ¹⁰ 4s ¹

모든 3d 궤도는 전자로 채워져 있지만 4s 궤도에는 공석이 있습니다. 이것은 3d 궤도가 다른 금속에서 기대하는 것처럼 금속 결합에서 협력하지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서 결정을 따라 Cu 원자는 4s 궤도를 겹쳐서 밴드를 생성하여 상호 작용의 상대적으로 약한 힘에 영향을 미칩니다.

사실, 3d (전체) 및 4s (절반 전체) 궤도 전자 사이의 결과적인 에너지 차이는 가시 스펙트럼에서 광자를 흡수하는 구리 결정으로 인해 고유 한 주황색을 반영합니다.

구리 fcc 결정은 크기가 다를 수 있으며, 크기가 작을수록 금속 조각이 더 강해집니다. 그것들이 매우 작을 때, 우리는 산화에 민감하고 선택적 응용을 위해 예약 된 나노 입자에 대해 이야기합니다.

산화 번호

구리에서 예상 할 수있는 첫 번째 수 또는 산화 상태는 4s 궤도에서 전자가 손실되기 때문에 +1입니다. 화합물에 포함되어있을 때 Cu ⁺ 양이온 (일반적으로 구리 이온이라고 함) 이 존재한다고 가정 합니다.

이것과 산화수 +2 (Cu ²⁺ )는 구리에 대해 가장 잘 알려져 있고 가장 풍부합니다. 그들은 일반적으로 고등학교 수준에서 가르치는 유일한 사람들입니다. 그러나 산화수 +3 (Cu ³⁺ )과 +4 (Cu ⁴⁺ )도 있는데, 이는 언뜻 생각하는 것만 큼 드물지 않습니다.

예를 들어, 구리 산의 음이온의 염, CuO가 ₂ ^- 구리 (III) 또는 +3 갖는 화합물을 나타내고; 구리 산 칼륨, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- )의 경우입니다.

구리는 매우 드물지만 정도는 낮지 만 음의 산화수를 가질 수 있습니다 : -2 (Cu ^2- ).

획득 방법

원료

구리 추출에 가장 많이 사용되는 광물은 금속 황화물, 주로 칼 코피 라이트 (CuFeS ₂ )와 보르 나이트 (Cu ₅ FeS ₄ )입니다. 이 미네랄은 추출 된 전체 구리의 50 %를 차지합니다. Calellite (CuS)와 chalcocite (Cu ₂ S) 는 또한 구리를 얻기 위해 사용됩니다 .

분쇄 및 연삭

처음에는 암석을 분쇄하여 1.2cm의 암석 조각을 얻습니다. 그런 다음 0.18mm의 입자를 얻을 때까지 암석 조각을 계속 연마합니다. 물과 시약을 첨가하여 페이스트를 얻은 다음 떠서 구리 농축액을 얻습니다.

부유 선광

이 단계에서는 펄프에 존재하는 구리 및 황 광물을 가두는 거품이 형성됩니다. 거품을 수집하기 위해 여러 공정을 수행하고,이를 건조하여 정제를 계속하는 농축액을 얻습니다.

정화

다른 금속 및 불순물로부터 구리를 분리하기 위해 건조 정광은 특수 용광로에서 고온에 노출됩니다. 불 정제 구리 (RAF)는 양극을 구성하는 약 225kg의 판으로 성형됩니다.

전기 분해

전기 분해는 구리 정제에 사용됩니다. 제련소의 양극은 정제를 위해 전해조로 옮겨집니다. 구리는 음극으로 이동하고 불순물은 셀 바닥으로 가라 앉습니다. 이 과정에서 순도 99.99 %의 구리 음극이 얻어진다.

구리 합금

청동

청동은 구리와 주석의 합금으로 구리가 80 ~ 97 %를 구성합니다. 그것은 무기와 도구 제조에 사용되었습니다. 현재 마찰 및 부식에 강한 기계 부품 제조에 사용됩니다.

또한 벨, 징, 심벌즈, 색소폰 및 하프, 기타 및 피아노 현과 같은 악기 제작에 사용됩니다.

놋쇠

황동은 구리와 아연의 합금입니다. 산업용 황동에서 아연의 비율은 50 % 미만입니다. 컨테이너 및 금속 구조물의 정교화에 사용됩니다.

모넬

모넬 합금은 니켈과 구리의 비율이 2 : 1 인 니켈-구리 합금입니다. 부식에 강하며 열교환 기, 막대 및 렌즈 아치에 사용됩니다.

그들은 확인했다

Constatán은 55 % 구리와 45 % 니켈로 구성된 합금입니다. 동전을 만드는 데 사용되며 일정한 저항을 갖는 것이 특징입니다. 또한 구리 니켈 합금은 소액 동전의 외부 코팅에 사용됩니다.

BeCu

구리-베릴륨 합금의 베릴륨 비율은 2 %입니다. 이 합금은 강도, 경도, 전기 전도도 및 내식성을 결합합니다. 합금은 일반적으로 전기 커넥터, 통신 제품, 컴퓨터 구성 요소 및 소형 스프링에 사용됩니다.

석유 굴착 장치 및 탄광에 사용되는 렌치, 스크루 드라이버 및 망치와 같은 도구에는 불꽃이 발생하지 않음을 보증하기 위해 이니셜 BeCu가 있습니다.

다른

합금은 90 %와 구리 10 %가 동전에 사용되었으며, 1965 년까지 은의 사용이 50 달러 동전을 제외한 모든 통화에서 제거되었습니다.

7 % 구리 알루미늄 합금은 황금색이며 장식용으로 사용됩니다. 한편, Shakudo는 구리와 금의 일본 장식용 합금으로 낮은 비율 (4 ~ 10 %)입니다.

응용

전기 배선 및 모터

구리 전기 배선. 출처 : Scott Ehardt

높은 전기 전도율과 저렴한 비용으로 인해 구리는 전기 배선에 사용되는 금속입니다. 구리 케이블은 발전, 송전, 배전 등 전기의 다양한 단계에 사용됩니다.

전 세계에서 생산되는 구리의 50 %는 높은 전기 전도성, 전선 형성 용이성 (연성), 변형 및 부식에 대한 내성으로 인해 전선 및 전선 제조에 사용됩니다.

구리는 집적 회로 및 인쇄 회로 기판의 제조에도 사용됩니다. 금속은 열 전도가 높기 때문에 방열판 및 열교환기에 사용되며 열 발산이 용이합니다.

구리는 전자 레인지의 전자석, 진공관, 음극선 관 및 마그네트론에 사용됩니다.

마찬가지로 전기 모터의 코일과 모터를 작동시키는 시스템에 사용되며,이 항목은 전 세계 전력 소비량의 약 40 %를 차지합니다.

건물

구리는 부식에 대한 내성과 대기의 작용으로 인해 오랫동안 주택, 다운 스팟, 돔, 문, 창문 등의 지붕에 사용되어 왔습니다.

현재 욕실 액세서리, 문 손잡이 및 램프와 같은 벽 클래딩 및 장식 품목에 사용됩니다. 또한 항균 제품에도 사용됩니다.

생물학적 작용

구리는 그 위에 수많은 생명체가 자라는 것을 방지합니다. 홍합과 따개비와 같은 연체 동물의 성장을 방지하기 위해 선체 바닥에 놓인 시트에 사용되었습니다.

현재 구리 기반 페인트는 앞서 언급 한 선박 선체 보호에 사용됩니다. 금속 구리는 접촉시 많은 박테리아를 중화시킬 수 있습니다.

그 작용 메커니즘은 이온 성, 부식성 및 물리적 특성을 기반으로 연구되었습니다. 결론은 구리의 산화 거동과 산화물의 용해도 특성이 금속 구리가 항균성을 갖게하는 요인이라는 것입니다.

금속 구리는 E. coli, S. aureus 및 Clostridium difficile, 그룹 A 바이러스, 아데노 바이러스 및 곰팡이의 일부 균주에 작용합니다. 따라서 다른 운송 수단에서 승객의 손과 접촉하는 구리 합금을 사용하는 것이 계획되었습니다.

나노 입자

구리의 항균 작용은 나노 입자를 사용할 때 더욱 강화되어 근관 치료에 유용함이 입증되었습니다.

마찬가지로 구리 나노 입자는 우수한 흡착제이며 주황색이기 때문에 색상 변화가 잠복 비색법을 나타냅니다. 예를 들어, 디티 오 카바 메이트 살충제 검출을 위해 개발되었습니다.

생물학적 역할

전자 운송 체인에서

구리는 삶의 필수 요소입니다. 그것은 복잡한 IV의 일부를 형성하는 전자 전송 체인에 관여합니다. 전자 수송 사슬의 마지막 단계는 산소 분자를 환원시켜 물을 형성하는이 복합체에서 발생합니다.

Complex IV는 두 개의 hae 그룹, 즉 시토크롬 a, 시토크롬 a ₃ 및 두 개의 Cu 센터로 구성됩니다. 하나는 CuA이고 다른 하나는 CuB입니다. 시토크롬 ₃ 및 새끼 물과 산소의 환원이 발생하는 이핵 중심을 형성한다.

이 단계에서 Cu는 +1에서 +2까지의 산화 상태를 통과하여 산소 분자에 전자를 제공합니다. 전자 수송 사슬은 Krebs 회로의 NADH 및 FADH ₂ 를 전자 공여체로 사용하여 전기 화학적 수소 구배를 생성합니다.

이 구배는 산화 적 인산화로 알려진 과정에서 ATP 생성을위한 에너지 원 역할을합니다. 따라서 궁극적으로 진핵 세포에서 ATP를 생산하려면 구리의 존재가 필요합니다.

효소 superoxide dismutase에서

구리는 슈퍼 옥사이드 디스 뮤타 아제 효소의 분해를 촉매하는 효소의 일부인 슈퍼 옥사이드 이온 (O ₂ ^- ), 생명체에 독성 인 화합물.

수퍼 옥사이드 디스 뮤 타제는 수퍼 옥사이드 이온을 산소 및 / 또는 과산화수소로 분해하는 것을 촉매합니다.

Superoxide dismutase는 구리의 환원을 사용하여 superoxide를 산소로 산화 시키거나 구리의 산화를 유발하여 superoxide에서 과산화수소를 형성 할 수 있습니다.

헤 모시 아닌에서

헤 모시 아닌은 일부 거미류, 갑각류 및 연체 동물의 혈액에 존재하는 단백질입니다. 이 동물의 헤모글로빈과 유사한 기능을 수행하지만 산소 수송 부위에 철이있는 대신 구리가 있습니다.

헤 모시 아닌은 활성 부위에 두 개의 구리 원자를 가지고 있습니다. 이러한 이유로 헤 모시 아닌의 색은 청록색입니다. 금속 구리 중심은 직접 접촉하지 않지만 가까운 위치에 있습니다. 산소 분자는 두 개의 구리 원자 사이에 끼어 있습니다.

인체에 집중

인체에는 1.4 ~ 2.1mg의 Cu / kg의 체중이 포함되어 있습니다. 구리는 소장에서 흡수 된 다음 알부민과 함께 간으로 운반됩니다. 거기에서 구리는 혈장 단백질 인 세룰로 플라스 민에 부착 된 나머지 인체로 운반됩니다.

과도한 구리는 담즙을 통해 배설됩니다. 그러나 윌슨 병과 같은 일부 경우에는 구리가 체내에 축적되어 신경계, 신장 및 눈에 영향을 미치는 금속의 독성 효과를 나타냅니다.

참고 문헌

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