Bakar

Bakar,  ₂₉Cu

Bakar u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Bakar, Cu, 29
Serija	Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok	11, 4, d
Izgled	crvenkastog metalnog sjaja
Zastupljenost	0,01[1] %
Atomske osobine
Atomska masa	63,546 u
Atomski radijus (izračunat)	135 (145) pm
Kovalentni radijus	138 pm
Van der Waalsov radijus	140 pm
Elektronska konfiguracija	[Ar] 3d104s1
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 1
Izlazni rad	4,65[2] eV
1. energija ionizacije	745,5 kJ/mol
2. energija ionizacije	1957,9 kJ/mol
3. energija ionizacije	3555 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	3,0
Kristalna struktura	kubična prostorno centrirana
Gustoća	8920 kg/m3
Magnetizam	dijamagnetičan
Tačka topljenja	1357,77 K (1084,62 °C)
Tačka ključanja	2868[3] K (2595 °C)
Molarni volumen	7,11 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja	305[3] kJ/mol
Toplota topljenja	13,1 kJ/mol
Pritisak pare	0,0505 Pa pri 1358 K
Brzina zvuka	3810 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	385[1] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	58,1 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	400 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	1, 2
Oksid	CuO, Cu2O
Elektrodni potencijal	0,340 V (Cu2+ + 2e- → Cu)
Elektronegativnost	1,9 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 61Cu sin 3,333 h ε 2,237 61Ni 62Cu sin 9,74 min ε 3,948 62Ni 63Cu 69,17 % Stabilan 64Cu sin 12,7 h ε 1,675 64Ni β- 0,579 64Zn 65Cu 30,83 % Stabilan
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja prah F Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 11 (prah) S: 16 (prah)
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Bakar (latinski: cuprum) jeste hemijski element sa simbolom Cu i atomskim brojem 29. Spada u prijelazne metale, a u periodnom sistemu elemenata uvršten je u 4. periodi i prvoj sporednoj grupi koja je po njemu i nazvana grupa bakra. Latinsko ime cuprum izvedeno je iz pojma aes cyprium - ruda sa ostrva Kipar, odakle se u antičko vrijeme dobijao. Bakar je poznat od davnina, kao osnovni sastojak bronze.

Bakar je relativno mehak metal, može se dobro oblikovati i dosta je čvrst. Kao odličan provodnik toplote i električne struje pronašao je mnoge primjene u tehnici. Osim toga ubraja se i u metale za izradu kovanica. Kao slabo reaktivan teški metal, bakar spada u poluplemenite metale.

Historija

Bakar, zlato, srebro i kalaj bili su prvi metali koje je čovjek upoznao tokom svog razvitka. Osobinu bakra da se može lahko obrađivati, koristile su najstarije poznate civilizacije i kulture prije oko 10.000 godina. Period ljudske historije od 5. milenija do 3. milenija p.n.e. kada se bakar intenzivno koristi, u zavisnosti od područja i razvijenosti, naziva se bakarno doba. U jordanskoj dolini Hujayrat al-Ghuzlan već u 4. mileniju p.n.e. postojale su, za tadašnje prilike, brojne radionice i mjesta gdje se bakar masovno proizvodio. U alhemiji, bakar je bio povezan sa ženstvenošću koju je simbolizirala božica Venera a označavao se znakom ♀. Prva ogledala su izrađena upravo od bakra. Najveći predindustrijski proizvođač bakra bilo je Rimsko carstvo sa pretpostavljenom godišnjom proizvodnjom od 15.000 tona.^[4]

Kasnije počelo se sa legiranjem bakra kalajem i olovom i proizvodnje bronze. Ova čvršća i tehnički otpornija legura obilježila je također jedno doba, po njoj nazvano bronzano doba. Razlike između olova i cinka su uočene tek rastom ljudskog znanja o metalima, tako da se pojam bronza iz današnje perspekitive odnosi isključivo samo na legure kalaja i bakra sa visokim udjelom bakra.

Zlatnožuta legura bakra i cinka poznata je pod imenom mesing, a bila je poznata već u antičkoj Grčkoj. Dobijao se zajedničkom obradom ruda navedenih metala, koje su se zajedno topile, a tek Rimljani su ovaj postupak značajno izmijenili. U staroj Kolumbiji često se koristila legura bakra i zlata pod nazivom tumbaga.

Osobine

Fizičke

Sa gustoćom od 8920 kg/m³, bakar spada u teške metale, njegova tačka topljenja iznosi 1083,4 °C. Kristalizira se u kubičnom-plošno centriranom kristalnom sistemu, (tip bakra). Po Mohsovoj skali tvrdoće ima vrijednost između 2,5 i 3. Bakar izuzetno dobro provodi električnu struju (58 · 10⁶ S/m), neznatno slabije od srebra a mnogo bolje od zlata. Osim toga, bakar je vrlo dobar provodnik toplote. Pošto i najmanje primjese i nečistoće, poput fosfora i željeza značajno smanjuju njegove provodničke mogućnosti, za potrebe izrade provodnika koristi se bakar izuzetno visokog stepena čistoće. Njegova čvrstoća se povećava hladnom obradom u livenom obliku sa 150-200 MPa na 450 MPa. Pri tome granica izvlačenja prije kidanja je na 4,5%, a vrijednost tvrdoće prema Brinellu 100 HB. Oblikovani i mehko kaljeni bakar sa čvrstoćom od 200 do 240 MPa ima granicu izvlačenja prije kidanja višu od 38 %, ali mu je tvdoća 50 HB.

Po gramu težine, aluminij još bolje provodi električnu struju od bakra. Međutim on ima veću zapreminu, tako da bakar po jednom kvadratnom centrimetru poprečnog presjeka električnog provodnika bolje provodi struju. Iako je bakar reaktivniji od aluminija i njegova prerada je nešto teža od aluminija, za izradu električnih provodnika mnogo više se koristi bakar, dok se aluminij koristi samo gdje težina dolazi do izražaja ili bolje mehaničke osobine (npr. čvrstoća).

Čisti bakar je crvenkasto-smeđe boje, Na zraku ne podliježe koroziji, ali dugim stajanjem na njemu bakar se prevlači zelenom patinom bazičnih soli bakra (hidroksi karbonata, hidroksi sulfata ili hidroksi hlorida). Ako se u zraku nalazi velika količina sumpor-dioksida umjesto zelene patine stvara se crni sloj bakar-sulfida.

Hemijske

Bakar se javlja u nekoliko oksidacijskih stanja: 0, +1, +2, +3 i +4, a najčešća stanja su +1 i +2, gdje mu je oksidacijsko stanje +2 najstabilnije u tekućim rastvorima; dok je stanje +4 najrjeđe (naprimjer u spoju Cs₂CuF₆). Soli bakra(II), kao što je bakar(II)-sulfat su uglavnom plave ili zelene boje. Hemijski, bakar ispoljava mnoge osobine slične kao i zlato i srebro, koji stoje u istoj grupi periodnog sistema elemenata sa bakrom. Tako naprimjer na željeznoj igli koja je uronjena u rastvor bakar sulfata, izdvaja se sloj metalnog bakra, a željezo ulazi u rastvor istiskujući bakar dajući željezo(II)-sulfat, jer je željezo neplemenito u odnosu na bakar. Hlorovodična kiselina u normalnim uslovima ne napada bakar,^[5] ali u prisustvu kisika napada ga vrlo agresivno, a vruća sumporna kiselina ga otapa.^[6] Također ga otapaju dušična kiselina^[7] i aqua regia^[8] Mješavina dušične ili sumporne kiseline sa vodik-peroksidom otapa bakar izuzetno brzo. Metal napadaju čak i organske kiseline. U bazama bakar se ponaša stabilno. Kad se zagrije do crvenog usijanja, bakar reagira sa kisikom stvarajući debeli sloj sastavljen od bakar oksida. Kada se izloži fluoru i njegovim spojevima, bakar se pasivizira. Ne reagira sa (čistim) zrakom i vodom. U tečnom bakru rastvaraju se kisik i vodonik, a kada se takav tečni bakar stvrdne, gasovi se pretvaraju u vodenu paru, te mogu izazavati gasovitu poroznost u lijevanim bakarnim predmetima.

Izotopi

Poznato je 29 izotopa bakra. Stabilni su izotopi ⁶³Cu i ⁶⁵Cu, tako da se prirodni bakar sastoji od oko 69% izotopa ⁶³Cu. Oba prirodna izotopa imaju spin 3/2.^[9] Ostali poznati izotopi bakra su radioaktivni, od kojih je ⁶⁷Cu najstabilniji sa vremenom poluraspada od 61,83 sata.^[9] Otkriveno je i sedam nukearnih (metastabilnih) izomera, među kojima je najdugovječniji ^68mCu sa vremenom poluraspada od 3,8 minuta. Izotopi sa masenim brojem iznad 64 raspadaju se β^- raspadom, dok oni sa masenim brojem ispod 64 raspadaju se β+ raspadom. Bakar ⁶⁴Cu sa vremenom poluraspada od 12,7 sati se raspada na oba načina.^[10]

Izotopi ⁶²Cu i ⁶⁴Cu imaju značajnu primjenu. ⁶⁴Cu je radiokontrastno sredstvo za rendgensko snimanje a u kompleksima sa helatima može se koristiti za radioaktivnu terapiju protiv raka. ⁶²Cu se koristi kao radioaktivni traser za tomografiju emisijom pozitrona.^[11]

Rasprostranjenost

Bakar, koji se u prirodi vrlo rijetko može naći u samorodnom obliku (u elementarnom stanju), a Međunarodna mineraloška organizacija ga je priznala kao mineral i po njihovoj sistematici dodijelila mu oznaku „1.AA.05“ (po Sistematici minerala po Strunzu, 9. izdanje), u grupi elemenata, metala i međumetalnih spojeva - porodica bakra i kupalita.^[12] Po starijoj sistematici (8. izdanje po Strunzu) imao je oznaku I/A.01-10. Na engleskom govornom području koristi se Sistematika minerala po Danau, u kojoj je bakar označen sistemskim brojem „01.01.01.03“.

Bakar se kristalizira u kubičnom kristalnom sistemu, a po Mohsovoj skali ima tvrdoću 2,5 do 3. Kristali bakra se najviše javljaju u bazaltnoj lavi bilo u obliku bakarnocrvenih zrna metalnog sjaja (koji su se stvrdnuli nakon hlađenja lave) ili u obliku takozvanih dendrita. Vrlo rijetki su pronalasci bakra u kristalnoj pojavi. Bakar se javlja u paragenezi sa raznim, uglavnom sekundarnim bakarnim mineralima poput bornita, halkozina, kornvalita, kuprita, azurita i malahita, kao i tenorita, a može se javiti povezan i sa mnogim drugim mineralima poput kalcita, klinoklasa, prehnita, pumpeliita, kvarca i srebra.

U svijetu je do 2011. godine pronađeno oko 2900 mjesta gdje se mogao naći samorodni bakar.^[13] Najveća nalazišta bakra nalaze se u Čileu (Chuquicamata), Peruu, SAD-u, Rusiji, Zambiji (Copperbelt), Kanadi i Mongoliji. Rude bakra su relativno česte. Tako se bakar dobija iz halkopirita (bakarni pijesak, CuFeS₂), halkozina (Cu₂S), a rjeđe iz bornita (šareni bakarni pijesak, Cu₅FeS₄), atakamita (CuCl₂ · Cu(OH)₂), malahita (Cu₂[(OH)₂|CO₃]) i drugih ruda. Do 2010. godine bilo je poznato 636 minerala koji sadrže bakar.^[14] Na području Jugoistočne Evrope, najviše rezervi bakra nalazi se u istočnoj Srbiji, u području Bora i Majdanpeka.^[15][16]

Dobijanje

Proizvodnja rude bakra u hiljadama tona (2013)
Izvor: United States Geological Survey
^[17]

pozicija	država	količina
1	Čile	5700
2	Kina	1650
3	Peru	1300
4	Sjedinjene Američke Države	1200
5	Australija	990

Najvažniji proizvođač bakra je Čile, a slijede ga Peru i SAD. U Evropi, najveći proizvođači su Poljska, Portugal i Švedska. Najveći izvoznici bakra su bili organizirani u svjetsku organizaciju CIPEC od 1967. do 1988. godine. Članovi CIPEC su bili Čile, Peru i Papua Nova Gvineja, na čijem je ostrvu Bougainville bio najveći svjetski rudnik bakra, zbog kojeg je 1988. godine započeo i rat.

Historijski važni rudnici bakra nalazili su se na poluostrvu Keweenaw na obali Gornjeg jezera u SAD-u. Tamo se nalazilo najveće nalazište samorodnog bakra na svijetu. Eksploatacija tog bakra je počela davno prije Kolumbovog otkrića Novog Svijeta. U Njemačkoj do 1990. godine radio je rudnik u području Mansfelder Land na jugozapadu Saksonije-Anhalt, a u engleskom Cornwallu su se nalazili dosta važni rudnici bakra u 18. i 19. vijeku.^[18]

Upotreba

Najmasovnija upotreba bakra je u elektroinstalacijama i općenito u inženjeringu, koristi se za izradu dijelova za precizne alate, kovanica, pribora za jelo, umjetničkih predmeta, muzičkih instrumenata i slično. Poslije srebra, bakar ima najveći specifični električni i toplotni provodnički kapacitet, čak viši od zlata. Zbog toga je njegova primjena za izradu električnih provodnika gotovo nezamjenjiva. Osim provodnika, od bakra se izrađuju i provodničke trake, integrirani prekidački sklopovi kao i dijelovi za transformatore, anodna tijela magnetrona, elektrotehničke zavojnice i mnogi drugi tehnički proizvodi.

Žice i licne od takozvanog OFC bakra ("bakra bez kisika", stepena čistoće preko 99,99%) imaju vrlo fino zrnatu kristalnu strukturu i posebno veliku otpornost na lom pri zamoru materijala. One se koriste za kablove i instalacije gdje postoje veliki mehanički zahtijevi. Za nadzemne vodove koriste se provodnici načinjeni od legure Cu i magnezija^[19]

Bakar ima veliku sposobnost odbijanja u infracrvenom dijelu spektra i zbog toga se koristi kao ogledalo u CO₂ laseru. Zbog svoje dobre toplotne provodljivosti idealan je materijal za izradu toplotnih provodnika.

U zanatstvu limovi od bakra, koji su oblikovani kovanjem, su vrlo cijenjeni zbog mehkoće i lahke obrade. Često se bakreni limovi koriste za pokrivanje krovova i kupola, na koje se tokom vremena formira zelena patina koja je vrlo otporna, a sastoji se od različitih bazičnih bakar hidroksida odnosno karbonata bakra. Ona se često pogrešno opisuje kao parisko zeleno (bakar acetat), a zapravo patina štiti metal ispod sebe od daljnje korozije, tako da bakreni krovovi imaju vijek trajanja od nekoliko stotina godina.

Spojevi

Bakar (II) sulfat CuSO₄ ima baktericidne osobine, a bezvodni je jaka stipsa (upija vodu). Kompleksni spojevi bakra su stabilni, ipak dosta lahko se mijenja oksidacioni broj bakra u takvim spojevima i zato se oni često koriste kao katalizatori. Vodeni rastvori soli bakra(I) imaju intezivnu zelenu, a rastvori soli bakra(II) intenzivnu plavu boju. Bakar sa kalajem, cinkom, molibdenom i drugim prelaznim metalima čini grupu rastopa koji se uopćeno nazivaju bronziti. Od njih je najpoznatiji tombak koji podsjeća na zlato i koji ima veoma dobre mehaničke osobine i otpornost na koroziju.

Cijena

Bakar je relativno skup metal. Njegova cijena je uglavnom određena na svjetskim tržištima metala i sirovina. Vodeće tržište bakra je LME (Londonska berza metala).^[20] Svjetska tržišna cijena podložna je velikim oscilacijama. Najveće oscilacije zabilježene su u posljednjih 10 godina; tako je naprimjer 2. jula 2008. godine na londonskoj berzi zabilježena cijena bakra od 8.940 američkih dolara po toni,^[21] da bi se krajem iste godine, 23. decembra, njegova cijena spustila na 2.825 US$ po toni.^[21] Nakon toga njegova cijena u naredna četiri mjeseca je ponovno porasla na 4.860 dolara po toni.^[21] Najviša cijena bakra u posljednjih 10 godina zabilježena je 14. februara 2011. godine i iznosila je 10.180 američkih dolara po toni.^[22]

Biološki značaj

Bakar je otrovan za mnoge mikroorganizme već u vrlo malehnim koncentracijama, dok na sisare ne utiče. Pošto se danas bakar, između ostalog, koristi za završetke vodovodnih cijevi (bilo kao metal ili kao sastojak neke legure), dospijeva u vodu za piće. U mnogim zemljama EU i svijeta propisana je najveća dozvoljena količina bakra od 2 mg/l koju može sadržavati voda za piće.^{[23][24][25][26]} Zbog svojih baktericidnih osobina, bakar je industrijski testiran za primjenu u bolničkim sobama za oblaganje predmeta koje bolesnici često dodiruju (poput kvake na vratima i slično) čime bi se smanjila mogućnost prenošenja mikroorganizama sa zaraženih bolesnika ili nakupljanje gljivica na njima.^[27] U poređenju sa mnogim drugim teškim metalima, bakar je relativno slabo otrovan za više organizme. Tako naprimjer čovjek može dnevno uzeti oko 0,04 grama bakra bez ikakvih posljedica za zdravlje.^[28] U slobodnom obliku, nevezanom za bjelančevine, bakar djeluje antibakterijski; kao i kod srebra primijećen je oligodinamički efekat, zbog čega naprimjer rezano cvijeće u koje stoji u bakrenoj posudi ili u čiju je vodu stavljena bakrena kovanica, puno sporije uvene.

Njegovo otrovno djelovanje nastaje kada se ioni bakra spajaju na tiolsku grupu na bjelančevinama i peroksidiraju masti u ćelijskoj membrani što dovodi do stvaranja slobodnih radikala, koji dalje oštećuju DNK i ćelijsku membranu. Kod čovjeka to se može desiti u slučaju Wilsonove bolesti koja se javlja zbog akumuliranja bakra u organima.^[29] Legure bakra sa udjelom bakra od najmanje 60% također ispoljavaju otrovno djelovanje prema norovirusima.^[30]

Kod većine višećelijskih organizama bakar je sastavni dio mnogih enzima (metalonezima) te je stoga neophodan za život (mikroelement). Bakar je i sastavni dio plavog hemocijanina, koji kod mehkušaca i zglavkara služi kao krvni pigment zadužen za transport kisika u organizmu. Dnevne potrebe za bakrom odraslog čovjeka iznose od 1 do 1,5 mg.^[31] U ljudskom tijelu bakar se najvećim dijelom skladišti u jetri.

Bakra ima u čokoladi, žitaricama, voću, orasima, lješnjacima i životinjskoj jetri. Nedostatak bakra kod čovjeka se javlja vrlo rijetko, najviše kod novorođenčadi, kod dugotrajnih dijareja, kod neuhranjenih osoba zbog bolesti kao što su Crohnova bolest ili mukovicidoza. Uzimanje prevelikih doza cinka, željeza ili molibdena, također može dovesti do smanjenja količine bakra u tijelu.^[32] Menkesov sindrom je rijetka urođena bolest koja se manifestira poremećajem razmjene bakra u organizmu.^[33][34] Nedostatak bakra može da prouzrokuje i malokrvnost, jer nedovoljna količina bakra izaziva lošije "upijanje" željeza i smanjenje broja krvnih zrnaca. Pretpostavlja se da osim toga nedostatak bakra izaziva poremećaje u radu srca i usporava rad nervnog sistema (naprimjer slaba koncentracija). Nedostatak bakra također smanjuje i količinu bijelih krvnih zrnaca, a samim tim i otpornost organizma na bolesti.

Reference

Vanjski linkovi

• Njemački institut za bakar (DKI)
• Cijena bakra za Londonskoj berzi metala