Nomenklatura
Kuprat je naziv za bakar u anionskom kompleksu.
U antičko doba dolazio je gotovo jedino s Cipra, pa je bio poznat pod nazivom „aes cyprium“ (ciparska ruda) ili u kraćem obliku cyprium, a od tog naziva potječe latinsko ime cuprum, po čemu je dobio simbol Cu u periodnom sustavu elemenata.
U hrvatskome jeziku dobio je naziv po turskoj riječi za bakar: bakir.
Također kod označavanja spojeva pravilno je reći bakreni, a ne bakarni.
Svojstva i osobine
Kemijski element bakar 11. skupine periodnog sustava elemenata. U periodnom sustavu elemenata nosi simbol Cu, atomski (redni; protonski) broj mu je 29, a atomska masa mu iznosi 63,546(3). Gustoća mu je 8,92 g cm−3, a talište 1084 °C.
Elementarni bakar je metal sjajne svijetle crvene do crvenkastosmeđe specifične „bakrene“ boje, kubične plošno centrirane kristalne rešetke. Jedan je od triju poznatih obojenih metala. Bakar je prijelazni metal i nije polimorfan. U čistom stanju relativno je mekan, ali vrlo žilav i rastezljiv/savitljiv. Lako je obradiv i kovak, pa se kuje, valja (na hladno i vruće) i izvlači u vrlo tanke žice. Može se meko i tvrdo lemiti i zavarivati.
Nakon srebra najbolji je vodič topline i elektriciteta (električne struje). Visoka električna vodljivost i veća zastupljenost u Zemljinoj kori od srebra, čini idealnim za električne instalacije i elektroniku, što mu je i najvažnija komercijalna upotreba.
Zbog pozitivnoga redoks potencijala bakar se ne otapa u razrijeđenim kiselinama (samo ga HNO3 nagriza) i kiselinama koje nemaju oksidacijsko djelovanje. Budući da je redukcijski elektrodni potencijal bakra pozitivniji od vodika, on reagira samo s kiselinama koje imaju oksidacijsko djelovanje, tj. s kiselinama koje uz vodik sadrže i element koji bakar može reducirati. OPREZ! Reakcijom bakra s koncentriranim kiselinama nastaju dušikovi oksidi koji su otrovni, zato valja pokus izvoditi u digestoru!
S koncentriranom klorovodičnom kiselinom bakar ne reagira, jer ona ne djeluje kao oksidans. Bakar će se otopiti u HCl-u, ako je u njoj tek ako je prisutno neko oksidirajuće sredstvo (npr. H2O2), ali u samoj HCl neće, i ne dolazi do nikakve reakcije.
S koncentriranom dušičnom kiselinom bakar reagira uz nastajanje smeđeg plina dušikova(IV) oksida i topljive soli bakrova(II) nitrata (poput reakcije aluminija s bromom).
Cu(s) + 4 HNO3 --> Cu(NO3)2 + 2 NO2(g) + 2 H2O
Bakar se otapa u vrućoj sumpornoj kiselini, tvoreći kristale modre galice (CuSO4 x 5 H2O). S koncentriranom sumpornom kiselinom zagrijavanjem nastaje bezbojni plin sumporov(IV) oksid i bakrov(II) sulfat topljiv u vodi:
Cu(s) + 2 H2SO4 --> CuSO4 + SO2(g) + 2 H2O
Otporan je na koroziju, vodu i relativno je postojan na zraku. Na zraku dužim stajanjem potamni od oksida, a izlaganjem utjecaju atmosferilija na bakrenim predmetima tijekom vremena nastaje poznata zeleno-bijela (malahit) do plavo-zelena (bazični bakrov(II) karbonat, Cu2(OH)2CO3) patina, koja predstavlja zaštitni površinski sloj i štiti ga od daljnje oksidacije.
2 Cu(s) + H2O(I) + CO2(g) + O2(g) --> Cu2(OH)2CO3(s) ili Cu2CO3(OH)2
Zaštitna patina se često namjerno potiče i umjetno stvara na raznim predmetima, primjerice bakrenim krovovima i skulpturama, zbog zaštite od utjecaja atmosfere. Mineral jednakog sastava kao i patina koja se najčešće viđa je zeleni mineral malahit. Patina osim bazičnoga karbonata može biti i drukčijeg kemijskog sastava (hidroksisulfat, hidroksiklorid), ovisno o čistoćama u atmosferi.
Bakar se zagrijavanjem na zraku, pri temperaturama višim od 600 °C oksidira, a na površini se stvara crni prah bakrova(II) oksida (CuO); i obratno; zagrijani CuO u prisutnosti reducensa lako otpušta kisik pa ova reakcija može služiti za određivanje vodika (nastaje voda) i ugljika (nastaje CO2) u elementarnoj analizi organskih spojeva.
2 Cu(s) + O2(g) --> 2 CuO(s)
Rasprostranjenost u prirodi i pojava
U prirodi se nalazi u malim količinama samorodan i kao takav je rijedak u elementarnom stanju. Može ga se naći raspršenoga u stijenama u obliku sitnog zrnja, pločica, grančica ili mahovinasto isprepletenih niti. Kristali kemijski čistog bakra (ili s malo primjesa srebra i bizmuta) se pojavljuju prirodno i postoje mala nalazišta u SAD-u, Njemačkoj, Zambiji, Čileu i Italiji.
Najviše ga ima u sulfidnim rudama (halkopirit, kovelit, halkozin i bornit), zatim u oksidnim (kuprit; Cu2O) i u karbonatnim rudama (zeleni malahit i plavi azurit). Halkopirit daje oko 80% svjetske proizvodnje bakra (sa srebrom i zlatom kao nusproduktima), zatim najčešće rude su halkocit, halkantit, azurit, zeleni malahit (ili kao crvena stijena), brohantit, te kuprit. Sulfidne i oksidne rude u prirodi se nalaze najviše sa željeznim sufidom, a rjeđe sa sulfidima drugih metala.
Poznato je oko 240 ruda bakra, evo nekoliko najpoznatijih i najčešće eksploatiranih ruda:
Atakamit (Cu2Cl(OH)3) – struktura mu je ortorompska, Azurit (Cu(CO3)2(OH)2) – struktura mu je monoklinska, Bornit (Su5FeS4) – struktura mu je tetragonska, Brohantit (Cu4(SO4)(OH)4) – struktura mu je monoklinska, Halkantit (CuSO4 x 5 H2O) – struktura mu je triklinska, Halkocit (ili halkozin) (Cu2S) – struktura mu je heksagonska, Halkopirit (CuFeS2) – struktura mu je tetragonska.
Također u prirodi se javlja kao smjesa dvaju stabilnih izotopa; 63Cu i 65Cu.
Povijest upotrebe
Bakar je povijesno važan kao jedan od prvih obrađivanih metala, pogotovo za pravljenje bronce, te ga ubrajamo u metale koji su čovjeku poznati još iz prapovijesnog vremena (bakreno doba). Najstariji dokazi korištenja bakra potječu iz 8000. god. pr. Kr. (neolitik) iz Turske, Cayonu Tepesi, u blizini kojeg se nalaze rudnici bakra koji se i danas eksploatiraju. Sve veća upotreba bakra uzrokovala je promjene u tadašnjem društvu. Pojavile su se skupine prvih specijalista, rudara, kovača, metalurga. Sve važnija je bila potraga za tom rudom.
U Egiptu se koristio oko 5000 g. prije Krista, za izradu oruđa i oružja (od bronce), a dobivao se iz rudnika sa Sinajskog poluotoka.
Tako se s vremenom do 3800. godine pr. Kr., proširila upotreba bakra po cijelom Mediteranu i obalama Atlantika. Upotreba bakra je bila toliko raširena (za izradu primitivnog oružja i oruđa) da je cijelo povijesno razdoblje nazvano bakreno doba (eneolitik). Paralelno s bakrom, došlo je i do eksploatacije zlata, srebra i olova. Oko 3500. godine otkrivaju arsen koji dodaju bakru, čime povećavaju njegovu tvrdoću, a time nastaje arsenova bronca.
Na Cipru i Kreti koristio se od 3000 g. prije Kristova rođenja.
Neka od najvećih starih nalazišta bakarne rude nalazila su se okolo velikih jezera na granici SAD-a i Kanade. Pronađeno je više od 10 000 mjesta iskopa od kojih neka potječu iz 3000. godine pr. Kr., čiji grumeni su mogli dosegnuti težinu od 100 kilograma. Geokemijska analiza je potvrdila da je taj bakar bio eksportiran do Južne Amerike jer su njegovi tragovi nađeni u grobovima Inka, a postoje realne teorije da je taj bakar bio prodavan u raznim Bliskoistočnim zemljama posredništvom takozvanih "Naroda s mora". Zbog svoje mekoće, bakar se u početku koristio za nakit, no otkrićem obrade hladnim postupkom dobili su dvostruku tvrdoću, čime su dobili alat i oružje potrebne tvrdoće. Jedina mana te obrade je bila krhkost.
Današnja uporaba i primjena
Zahvaljujući svojim osobinama; otpornosti prema koroziji i dobrih mehaničkih svojstava, bakar ima vrlo široku primjenu. Bakar po raznovrsnosti uporabe zauzima jedno od prvih mjesta u nizu tehničkih metala. Razvojem novih tehnologija, potrebe za bakrom i danas rastu.
Najznačajnija uporaba bakra temelji se na njegovoj izvanrednoj i izuzetnoj električnoj vodljivosti i toplinske provodnosti (i kao krutina i kao taljevina), ima vrlo široku primjenu naročito u elektrotehnici (elektronici). Stoga se više od 50% današnjeg proizvedenog bakra upotrebljava u industriji kabela za električne vodiče, u gradnji generatora, motora i transformatora. Većina električnih vodova (osim dalekovoda gdje se koriste aluminij i čelik (struja teče samo površinom vodiča radi skin-efekta do kojega dolazi pri visokom naponu), bakar je za to preskup i ne odgovara namjeni) izrađuje se od bakra.
Visoka toplinska provodnost osigurava mu široku primjenu i u izradi izmjenjivača topline, pa se čisti bakar koristi za izradbu; spremnika, grijača, uparivača, cijevi i kotlova u prehrambenoj i kemijskoj industriji (za vodu i plin) i kućanstvu, hladnjaka, izmjenjivača topline, i drugih uređaja.
U građevinarstvu se je bakar i njegove legure u prošlom i pretprošlom stoljeću rabile za izradu velikih pokrova kao krovni materijal, za javne ustanove i zgrade, koji zbog svojstava bakrene patine, imaju veliku trajnost i specifičan lijep izgled (dekorativna svrha). Također u građevinarstvu isto zbog dekorativne svrhe se koristio u izradi opšava i žljebova, ali to je sada rijetkost zbog drugačijeg stila građenja, skupoće tog metala, privlačenja munja, prelazak patine na fasadu, i drugih nedostataka.
Zbog svojih izuzetnih mehaničkih svojstava, u metalurgiji ima veliku primjenu kao legirajući metal.
Još se uvijek koristi za pravljenje novca.
Može se kupiti u obliku poluga, folije, praha i žice omotane PVC-om.
Biološka uloga
Esencijalan je metal za sve žive vrste u sastavu enzima. U većoj količini je otrovan, posebno za beskralježnjake. U ljudskom tijelu (70 kg) ga ima prosječno 150 mg, raspodijeljenog u jetri, bubrezima i mozgu.
Toksični unos je 85g metala; 20 g CuSO4.
Smrtonosna doza može biti u količini od 30-60 g CuSO4 (oralno, pokusirano na štakoru) = 300 mg kg−1, ako se proguta.
Za ljude su topljivi bakreni spojevi slabo otrovni, ali su zato ioni bakra vrlo snažni otrovi za niže organizme, posebno za bakterije, gljivice, alge, kukce i druge biljne štetočinje, iz čega proizlazi velika upotreba spojeva bakra kao fungicida.
Dobivanje
Udio bakra u rudama razmjerno je malen. Bogate rude sadržavaju 3-10% bakra. Zahvaljujući efikasnim metodama obogaćivanja eksploatiraju se (iskorišćuju se) i siromašnije rude, pa se najveća količina bakra danas dobiva/proizvodi iz ruda koje sadržavaju 0,5-2% bakra. Stoga se mora prethodno prije taljenja/obrađivanja koncentrirati uklanjanjem jalovine.
Koncentriranje se vrši postupkom flotacije (lat. fluo – plivati) tako da se sitno samljevena ruda pomiješa s puno vode u koju je dodano sredstvo za pjenjenje (posebna vrsta ulja). Ruda zaostaje u površinskom pjenećem sloju jer se ne kvasi, a jalovina tone na dno (premda joj je gustoća manja od gustoće rude). Daljnjim postupkom izdvaja se ulje i vraća natrag u proces flotacije, a nastali koncentrat ide u daljnju preradu.
Mehanička priprema rude obuhvaća sljedeće operacije:
-drobljenje i klasiranje, -sušenje, -briketiranje i miješanje rude s talioničkim dodatkom (tj. sastavljanje punjenja peći – smjesa rude i/ili koncentrata i talioničkog dodatka), dok se kemijska priprema svodi na žarenje i podešavanje sastava talioničkog dodatka.
U metalurgiji bakra primjenjuje se nekoliko načina žarenja:
-obično žarenje – provodi se radi uklanjanja konstitucijske vode iz karbonatnih ruda i koncentrata, a vrši se pri temeperaturi od 250 °C,
-klorirajuće žarenje – kojim se oksidne i sulfidne rude prevode u klorid topljiv u vodi (CuCl2), a vrši se pri temperaturi 500-600 °C
-ulfatizirajuće žarenje – prevodi sulfidne rude u sulfat bakra topljiv u vodi
-oksidirajuće žarenje – provodi se radi uklanjanja suvišnog sumpora u sulfidnim rudama
-aglomerirajuće žarenje – kojim se okrupnjava materijal kako bi se mogao taliti u pećima. Za dobivanje bakra koristi se nekoliko metoda: suha ili pirometalurška, mokra ili hidrometalurška i elektrometalurška.
Tehnički bakar sadrži najmanje 99,5% bakra, a ostalo su primjese.
Pirometalurška metoda (suha)
Iz bogatijih, srednje bogatih, siromašnih sulfidnih ruda i ruda samorodnog bakra koje su prethodno oplemenjene flotacijom, bakar se izdvaja pirometalurškim postupkom, sukcesivnom oksidacijom (radi uklanjanja dijela sumpora).