Χαλκός

Χαλκός
Νικέλιο ← Χαλκός → Ψευδάργυρος - ↑ Cu ↓ Ag Περιοδικός Πίνακας
Αυτοφυής χαλκός. Προέλευση: ΗΠΑ
Αυτοφυής Χαλκός με Μαλαχίτη από τις ΗΠΑ
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο	Χαλκός (Cu)
Ατομικός αριθμός (Ζ)	29
Κατηγορία	Στοιχεία μετάπτωσης
ομάδα, περίοδος, τομέας	11 ,4, d
Σχετική ατομική μάζα (Ar)	63,546 g/mol
Ατομικές ιδιότητες
Φυσικά χαρακτηριστικά
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το χημικό στοιχείο Χαλκός είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 29 και ατομικό βάρος 63,546 . Έχει θερμοκρασία τήξης 1084,6 °C και θερμοκρασία βρασμού 2567 °C. Το σύμβολό του είναι Cu. Έχει κοκκινωπό χρώμα και είναι όλκιμος και ελατός.

Ιστορία

Σύμφωνα με τους αρχαιολόγους ο χαλκός είναι το πρώτο από τα μέταλλα που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος για την κατασκευή σκευών, εργαλείων και όπλων. Εκτιμάται ότι ο χαλκός έγινε γνωστός περίπου το 9.000 π.Χ., πιθανόν επειδή απαντά ως αυτοφυής και δεν απαιτεί μεταλλουργική διαδικασία για την παρασκευή του σε καθαρή μορφή.
H χρήση καθαρού χαλκού ήταν γνωστη στη Μικρά Ασία από το 6.500 π.Χ. ενώ πό τα μέσα της 4ης χιλιετίας άρχισε ν΄ αναπτύσσεται η μεταλλουργία που προκάλεσε και την αστικοποήση της Μεσοποταμίας. Περί το 3.000 π.Χ. η χρήση χαλκού ήταν πλήρως διαδεδομένη στην Εγγύς Ανατολή. Η χρήση του ορείχαλκου ήταν ευρύτερα διαδεδομένη στη 2η χιλιετία μέχρι την 1η όπου ακολολύθησε η ευρύτερη χρήση του σιδήρου.

Το αγγλικό του όνομα copper προκύπτει από το λατινικό Cuprum, λέξη η οποία με τη σειρά της προέρχεται από το νησί της Κύπρου, όπου και εξορυσσόταν κατά την ρωμαϊκή εποχή.

Προέλευση

Ανευρίσκεται αυτοφυής στην Φύση, ωστόσο σήμερα τα κοιτάσματα αυτοφυούς χαλκού είναι είτε περιορισμένα είτε μη οικονομικά εκμεταλλεύσιμα, όπως το αποκαλούμενο "Desseminated Copper Ore" στην Μοντάνα και άλλες Πολιτείες των ΗΠΑ.

Κυριότερα ορυκτά του χαλκού είναι ο Χαλκοπυρίτης (Cu₂S), ο χαλκοσίνης, o βορνίτης, ο κυπρίτης, ο μαλαχίτης και ο αζουρίτης (τα δύο τελευταία είναι ημιπολύτιμοι λίθοι).

Παρασκευή

Συνήθως παρασκευάζεται με φρύξη μεταλλεύματος θειούχου χαλκού, οπότε παράγεται οξείδιο του χαλκού, το οποίο αντιδρά με τον θειούχο και δίνει καθαρό χαλκό:

2Cu₂S + 3O₂ → 2Cu₂O + 2SO₂

2Cu₂O + Cu₂S → 6Cu + SO₂

Ο παραγόμενος χαλκός δεν έχει μεγάλο βαθμό καθαρότητας. Γι' αυτό υφίσταται ηλεκτρόλυση, οπότε η καθαρότητα φθάνει το 99,9%, ενώ στο ηλεκτρόδιο επικαθηνται σίδηρος και άργυρος.

Φυσικές ιδιότητες

Είναι μέταλλο με χαρακτηριστικό χρώμα (ερυθρό του χαλκού) και χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη. Είναι επίσης μαλακός (σκληρότητα 2.5-3 στην Κλίμακα Mohs δύστηκτος (σ.τήξεως 1084,6° C, σημείο βρασμού 2562° C), ιδιαίτερα ελατός και όλκιμος, πολύ καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού. Λόγω της ιδιότητάς του όταν είναι τηγμένος να απορροφά ατμοσφαιρικό αέρα, τον οποίο αποβάλλει ψυχόμενος, δεν μπορούν να κατασκευασθούν χυτά αντικείμενα από χαλκό. Δεν εμφανίζει σχιστότητα, ενώ έχει ανώμαλη θραύση. Είναι τελείως αδιαφανής, ακόμη και σε λεπτά ελάσματα. Δεν εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες. Σε επαφή με άλλα μέταλλα εμφανίζει διαφορά δυναμικού (φαινόμενο Galvani).

Χημικές ιδιότητες

Ο χαλκός εμφανίζει δύο αριθμούς οξείδωσης (+1 και +2). Δεν είναι ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο γι' αυτό και δεν αντιδρά εύκολα με άλλα στοιχεία και δεν χρησιμοποιείται ευρέως ως αναγωγικό. Στον ατμοσφαιρικό αέρα καλύπτεται αρχικά από οξείδιό του, το οποίο, με το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε ανθρακικό χαλκό, προσδίνοντάς του πρασινωπό χρώμα. Αντιδρά με οξυγόνο, θείο και αλογόνα προς τις αντίστοιχες ενώσεις. Δεν προσβάλλεται από αραιά οξέα ούτε από πυκνό θειικό οξύ, προσβάλλεται από το νιτρικό οξύ (HNO₃).

Έχει δύο σταθερά ισότοπα το ⁶³Cu και το ⁶⁵Cu.

Βιολογική σημασία

Είναι απαραίτητο ιχνοστοιχείο, τόσο στα ζώα όσο και στα φυτά. Ανευρίσκεται σε ποικιλία ενζύμων, όπως την υπεροξειδάση του Κυτοχρώματος C και την υπεροξειδισμουτάση. Ορισμένα μαλάκια και αρθρόποδα έχουν ως μεταφορική ουσία των αναπνευστικών αερίων την αιμοκυανίνη (αντί της αιμοσφαιρίνης), η οποία περιέχει χαλκό.

Στα ανώτερα ζώα έχει διαπιστωθεί ότι η παρουσία χαλκού διευκολύνει την απορρόφηση σιδήρου από τον οργανισμό. H υπερβολική απόθεση χαλκού στους ιστούς προκαλεί την Νόσο του Wilson, ενώ χρόνια έλλειψη χαλκού προκαλεί δυσλειτουργία στην σύνθεση δοπαμίνης, με συνέπεια την εμφάνιση κατάθλιψης, στην σύνθεση μελανίνης από τα δερματικά κύτταρα καθώς και δυσλειτουργίες στον μεταβολισμό των λιπών και των τριγλυκεριδίων.

Χρήσεις

Ηλεκτρονική

Η βιομηχανία ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών ειδών κάνει ευρεία χρήση χαλκού, από τον οποίο κατασκευάζει πάσης φύσεως αγωγούς (καλώδια), ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, πηνία, ηλεκτρομαγνήτες πάσης φύσεως για ηλεκτροκινητήρες και γεννήτριες κτλ. Χρησιμοποιείται, επίσης, στις κατασκευές κυματαγωγών.

Οι υγροί συσσωρευτές θειικού οξέος (π.χ. οι μπαταρίες αυτοκινήτων) χρησιμοποιούν χαλκό σε κάθε ηλεκτροχημικό στοιχείο

Το οξείδιο βαρίου - υττρίου - χαλκού (YBa₂Cu₃O₇) φέρεται υπό την εμπορική ονομασία YBCO και αποτελεί την βάση για την κατασκευή πολλών τύπων Υπεραγωγών.

Χημεία

• Χρησιμοποιείται για την παρασκευή φελίγγειου υγρού για την ανίχνευση των σακχάρων και γενικότερα παρουσίας αλδεϋδικής ομάδας.
• Επίσης για την ανίχνευση ομάδας -C ≡ CH. Αν υπάρχει σχηματίζει ίζημα.
• Ο μεταλλικός χαλκός και το οξείδιό του χρησιμοποιούνται ως καταλύτες, κυρίως οξείδωσης.
• Ενώσεις του χαλκού χρησιμοποιούνται για τον χρωματισμό του γυαλιού

Διατροφή

Ο χαλκός είναι απαραίτητο για τον ανθρώπινο οργανισμό ιχνοστοιχείο. O χαλκός μεταπίπτει στον ανθρώπινο η ζωικό οργανισμό μεταξύ των μορφών του μονοσθενούς χαλκού (Cu⁺¹) και στην πλειοψηφία του δισθενούς χαλκού (Cu⁺²). Ο χαλκός εχει την δυνατότητα να παίρνει και να δίνει εύκολα ηλεκτρόνια και αυτο εξηγεί και το σημαντικό ρόλο του στις αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής (οξειδοαναγωγικές) και τη δέσμευση των ελεύθερων ριζών. Ανευρίσκεται στο κρέας, στα καρύδια, τα οστρακόδερμα, τα λαχανικά και στους σπόρους (άλευρα ολικής άλεσης).

Κατασκευές

O χαλκός είναι βιοστατικό στοιχείο, έχει, δηλ., την ιδιότητα να παρεμποδίζει την ανάπτυξη μικροοργανισμών στην επιφάνειά του. Λόγω αυτής της ιδιότητας χρησιμοποιείται για την κατασκευή βιοστατικών ινών, για πόμολα θυρών και φίλτρων σε κλιματιστικά, ιδιαίτερα σε νοσοκομειακές εγκαταστάσεις. Παλαιότερα είχε χρησιμοποιηθεί και στην ναυπηγική, επειδή δεν επέτρεπε την ανάπτυξη θαλάσσιων οργανισμών στα ύφαλα των πλοίων.

Παλαιότερα, αλλά και σήμερα κάποιες φορές για λόγους αισθητικής προτίμησης, κατασκευάζονταν σφυρήλατα και άλλα μαγειρικά σκεύη από χαλκό (κοινώς μπακίρια). Η χρήση τους έχει εγκαταλειφθεί λόγω του ότι προκαλούσαν δηλητηριάσεις από το οξείδιο που δημιουργείται κατά το μαγείρεμα. Τα (σχετικά σπάνια σήμερα) χάλκινα μαγειρικά σκεύη επικασσιτερώνονται ή επικαλύπτονται με ανοξείδωτο χάλυβα για να αποφεύγονται οι δηλητηριάσεις. Ο χαλκός αν έρθει σε επαφή με όξινα υλικά με ph κάτω από 6.5, που μπορεί να χρησιμοποιούνται στο μαγείρεμα, και ιδιαίτερα σε ψηλές θερμοκρασίες, μπορεί να διαβρωθεί και να μολύνει τις μαγειρεμένες τροφές με τοξικά οξείδια. Αντίθετα δεν υπάρχει κίνδυνος διάβρωσης όταν ο χαλκός έρχεται σε επαφή μόνο με υγρά ουδέτερου ή βασικού ph όπως το νερό του δικτύου υδροδότησης (ph 7.2 ως 7.8). Για αυτό το λόγο η χρήση του χαλκού για μαγειρικά σκεύη είναι σπάνια, αλλά χρησιμοποιείται εκτεταμένα και άφοβα, υπό μορφή κράματος, για την κατασκευή των σωληνώσεων, στροφίγγων, βρυσών κτλ στα δίκτυα υδροδότησης πόσιμου νερού.

Στην κατασκευή κτιρίων χρησιμοποιείται για στέγες και σωληνώσεις. Στις εφαρμογές του σε σωληνώσεις στα κτίρια περιλαμβάνονται εκτός από αυτές μεταφοράς θερμού ή ψυχρού νερού οικιακής χρήσης υπό πίεση, επίσης οι σωληνώσεις κεντρικής θέρμανσης με θερμαντικά σώματα με ακτινοβολία, οι σωληνώσεις θέρμανσης δαπέδων καθώς και οι σωληνώσεις φυσικού αερίου ή φωταερίου.

Είναι βασικό συστατικό στην κατασκευή νομισμάτων (κερμάτων).

Κράματα

Κυριότερα κράματά του είναι ο ορείχαλκος και ο μπρούντζος, που χρησιμοποιούνται σε ποικίλες κατασκευές, όπως εργαλεία, κατασκευή όπλων, δημιουργία αγαλμάτων (Ηνίοχος των Δελφών, Άγαλμα της Ελευθερίας), διακοσμητικών σκευών, οργάνων μέτρησης και μουσικών οργάνων (τα λεγόμενα χάλκινα πνευστά).

Εξωτερικές συνδέσεις

• Διεθνές Ινστιτούτο Χαλκού
• Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Χαλκού