|
Dobivanje bakra:
Bakar se najčešće dobiva iz ruda u kojima ga ima relativno malo (2-5%), stoga se mora prethodno 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 rode 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.
1. Suha, pirometalurška metoda:
Koristi se za preradu bogatih i srednje bogatih sulfidnih ruda i ruda samorodnog bakra. Najvažnija ruda za dobivanje bakra je bakrena
pakovina (CuFeS2) koja se prethodno žari radi uklanjanja dijela sumpora, a ostatak se uglavnom sastoji od Cu2S, FeS i Fe2O3. Dalje se ruda
taljenjem prevodi u "bakreni kamen" (bakrenac, koji je uglavnom smjesa CU2S i FeS) što se vrši u grotlenoj peći koja se puni smjesom
koncentrirane rude, koksa i kvarca. Nizom reakcija u različitim dijelovima peći sumarno nastaje ugljikov monoksid (grotleni plin) i talina
bakrenca (gustoće 4-6 g/cm3) na kojem pliva troska (željezovi oksidi vezani u silikate gustoće 3-4 g/cm3):
Fe2O3 + SiO2 + C -> Fe2SiO4 + CO
Daljnja prerada odvija se prebacivanjem taline bakrenca u prethodno zagrijan konverter (iznad 900°C) i propuhivanjem zrakom. Pri tome
najprije željezov sulfid prelazi u oksid, a zatim se veže s kvarcem koji mu se doda u trosku, a sumpor izgara:
FeS + 3/202 -> FeO + SO2 + 468kJ
2FeS + SiO2 -> Fe2SiO4 + 75kJ
Kada najveći dio željeza prijeđe u trosku, preostali Cu2S se oksidira i nastaje sirovi bakar prema reakcijama:
Cu2S + 3/2O2 -> Cu2O + SO2 + 389kJ
2Cu2O + Cu2S -> 6Cu + SO2 - 125 kJ
Reakcije su sumarno egzotermne (oslobađaju toplinu) pa nije potrebno dodatno zagrijavanje
2. Mokra (hidrometalurška) metoda:
Ova se metoda koristi za dobivanje bakra iz siromašnih ruda odnosno otpadnih proizvoda drugih procesa, npr. pri proizvodnji sumporne kiseline
iz pirita. Postupak se sastoji u tome da se ruda tretira pogodnim otapalom (npr. razrijeđena sumporna kiselina) da bi se bakar preveo u
otopinu iz koje se kao metal izdvaja elektrolizom ili cementacijom. Za izdvajanje metalnog bakra elektrolizom kao netopljive anode koriste se
olovne ploče, a kao katode tanki listići čistog bakra. Izdvajanje bakra iz otopine cementacijom vrši se reakcijom metalnog željeza s ionima
bakra:
Cu^2+ + Fe -> Cu + Fe
Elektroliza kao način izdvajanja metalnog bakra ima prednost pred cementacijom jer se dobiva čišći bakar.
Nakon proizvodnje bakra, suhom ili mokrom metodom, dobije se sirovi bakar čistoće 94-97% koji sadrži primjese: željeza (Fe), nikla (Ni),
sumpora (S), Cinka (Zn), antimona (Sb), bizmuta (Bi), kositra (Sn), olova (Pb), selenija (Se) i telurija (Te), a ponekad srebra (Ag), zlata
(Au) i platine (Pt). Radi poboljšanja svojstava (plastičnosti i električne provodljivosti) primjese se moraju ukloniti pri čemu se koriste
dva postupka rafinacije bakra: rafinacija taljenjem i elektrolitička rafinacija.
Rafinacija taljenjem provodi se u pećima tako da se kroz talinu sirovog bakra i dodataka stvaranje troske najprije propuhuje zrak pri čemu
ishlape olovo, Cink, arsen i kositar, a željezo i nikal prelaze u trosku. Nakon toga nastali bakrov(I)-oksid (CU2O) reagira s
bakrovim(I)-sulfidom (Cu2S) dajući elementarni bakar i plin sumporni dioksid (SO2) koji se iz gline istjeruje snažnim miješanjem pri čemu
dolazi i do oksidacije ostataka sumpora. Zaostali Cu2O reducira se pomoću drvenog ili kamenog ugljena. Na koncu se pročišćeni bakar, čistoće
će od 99% sa cjelokupnim sadržajem plemenitih metala lijeva u ploče debljine oko 3 cm koje služe kao anode pri konačnoj elektrolitičkoj
rafinaciji.
U kadama za elektrolitičku rafinaciju bakra katode su od čistog bakrenog lima, a elektrolit je otopina bakrovog(II)-sulfata (10-14%) i sumporne kiseline (5-10%). Propuštanjem električne struje anoda se otapa pri čemu bakar i nečistoće poput željeza, nikla, kobalta i Cinka prelaze u otopinu, a plemeniti metal i i ostale nečistoće se talože i tvore "anodni mulj". Povremeno se ioni bakra reduciraju na katodi
taložeći se u gusti crveni sloj čistog bakra. Dobiveni anodni mulj je polazna sirovina u proizvodnji prisutnih plemenitih metala.
Svojstva i upotreba bakra:
Bakar je metal svijetle crvenosmeđe boje, kubične plošno centrirane kristalne rešetke. Nije polimorfan. U čistom stanju relativno je mekan, ali vrlo žilav i rastezljiv. Lako se kuje, valja (na hladno i vruće) i izvlači u vrlo tanke žice. Može se meko i tvrdo lemiti i zavarivati.
Odlično provodi električnu struju i toplinu. Relativno je postojan na zraku, a izlaganjem utjecaju atmosferilija dobiva zeleno-bijelu patinu (malahit) koja ga štiti od daljnje oksidacije. Patina može biti i drukčijeg kemijskog sastava (hidroksisulfat, hidroksiklorid), ovisno o čistoćama u atmosferi. Patina se često i umjetno stvara na raznim predmetima (npr.
bakrenim krovovima i skulpturama) radi zaštite od utjecaja
atmosfere.
Zbog pozitivnoga redoks potencijala bakar se ne otapa u kiselinama koje nemaju sidacijsko djelovanje.
Zagrijan na zraku lako prelazi u crni bakrov(II)-oksid (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.
Zbog izuzetno visoke električne i toplinske vodljivosti, otpornosti prema koroziji i dobrih mehaničkih svojstava bakar ima vrlo široku
primjenu, naročito u elektrotehnici. Većina eletričnih 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 preskup i ne odgovara namjeni) izrađuje se od bakra. Služi
za izradu grijača, uparivača, cijevi i kotlova u prehrambenoj industriji. U građevinarstvu se primjenjuje za izradu velikih pokrova koji, zbog
svojstava bakrene patine, imaju veliku trajnost i specifičan izgled. U metalurgiji ima veliku primjenu kao legirajući metal.
Legure bakra:
Legure bakra su važni tehnički materijali odličnih mehaničkih svojstava. Mogu se dobro lijevati i obrađivati metodama tople i hladne deformacije te termičkim metodama. Uz to bakrene legure su vrlo dobri vodiči električne struje i topline, a izuzetno su otporne prema koroziji i habanju. Prema sastavu bakrene legure mogu se podijeliti na: tehničke legure bakra, bakar s manjim dodacima primjesa, mjedi i
bronce. Proizvode od bakra (uključujući i legure) sve više istiskuju razne vrste čelika i drugih jeftinijih materijala.
Tehnički bakar sadrži najmanje 99,5% bakra, a ostalo su primjese. Najvažnije su vrste:
-Visokoprovodljivi elektrolitički bakar, ETP-bakar (99,90% Cu; 0,4% O), upotrebljava se za izradu električnih sabirnica, sklopki i
prekidača, tiskarskih valjaka te kao materijal za izradu krovnih pokrova i bakrene galanterije u građevinarstvu.
-Visokoprovodljivi bakar bez kisika, OFHC-bakar (99,92% Cu, bez rezidualnog kisika) najčišći je konstrukcijski metal koji se danas koristi u industriji za vodiče, elektronske cijevi, električne sabirnice, grijače, radijatore, uljna hladila itd.
-Arsen bakar (99,65% Cu; 0,025% P; 0,30% As) se upotrebljava za izradu
bojlera, radijatora, izmjenjivače topline, cijevi za kondenzaciju, itd.
Bakar s manjim dodacima ima visok sadržaj bakra (iznad 98%), a osobine mu ovise o dodacima. Najvažniji su:
-Kadmij-bakar (99,00% Cu; 0,6-1,0% Cd). Upotrebljava se za elastične dijelove aparata koji se zagrijavaju ili leme, izradu posuda, električne vodove i elektrode za zavarivanje.
-Krom-bakar (99,50% Cu; 0,5% Cr) i telurij-bakar (99,50% Cu; 0,5% Te). Odlikuju se čvrstoćom na visokoj temperaturi, otpornošću na koroziju i lakom mehaničkom obradom. Koristi se za izradu elektroda za zavarivanje, elektromotore i za dijelove
električnih aparata.
-Berilij-bakar legure Tip1 i Tip2 (Tip1: 98% Cu; 2% Be i Tip 2: 97% Cu; 0,4% Be; 2,6% Co). Ove legure imaju visoku čvrstoću i tvrdoću, a upotrebljavaju se za telefonske vodove, dijelove u rotorima elektromotora i za izradu opruga.
Mjedi:
Mjedi su legure bakra i Cinka kojima se mogu dodati i manje količine drugih metala (Sn, Fe, Mn, Ni, Al i Si). Mjedi su se donedavno puno više
koristile u industriji i obrtu, a najpoznatije su:
-Tombak mjedi: Tombak (94% Cu; 5% Zn; maks 0,03% Pb; maks 0,05% Fe), crveni tombak (90% Cu; 10% Zn; maks 0,05% Pb; maks 0,05% Fe),
zlatni tombak (85% Cu; 15% Zn; maks 0,06% Pb; maks 0,05% Fe), svijetlocrveni tombak (80% Cu; 20% Zn; maks 0.05% Pb; maks 0,05% Fe) i
žuti tombak (65% Cu; 34% Zn; maks 0.15% Pb; maks 0,05% Fe). Ove se legure upotrebljavaju za izradu nakita, ukrasa, elastičnih cijevi,
košuljica zrna za municiju, itd.
-Mjedi za kovanje (60% Cu; 39% Zn; 0,30% Pb; 0,07% Fe) koriste se za izradu limova, traka, šipki i sličnih
proizvoda.
-Mjedi za zavrtanje (58% Cu; 40% Zn; dodaci do 2%) koriste se za sitne dijelove istrumenata, zupčanike satova, gravirane skale, zakovice i sl.
-Mornarička mjed (Cu 60%; Zn 39%; Sn 1%) otporna je na koroziju, jeftina je, a koristi se u brodogradnji u obliku ploča, traka i šipki.
Bronce:
Bronce su legure bakra i kositra, a odlikuju se visokom čvrstoćom i tvrdoćom te visokom otpornošću na koroziju. Značajne su bronce za
valjanje (sadrže 6-9% Sn) i lijevanje (4-10% Sn). Nekada su se koristile za lijevanje topovskih cijevi, a danas uglavnom za ležajeve,
dijelove crpki, armaturu parnih kotlova i sl.
-Aluminijske bronce (sadrže 5-12% Al) otporne su na atmosfersku i kemijsku koroziju, imaju visoku čvrstoću i tvrdoću i lijepu zlatnu boju.
Upotrebljavaju se za izradu bižuterije, nakita, kovanog novca, zupčanika, ventila, itd.
-Fosforne bronce (sadrže 0,1-0,3% P) otporne su na korozivno djelovanje morske vode, pogodne za hladno valjanje i razvlačenje.
Upotrebljavaju se u pomorskoj strojogradnji, za izradu raznih ventila i sl.
Od ostalih legura bakra poznato je "novo srebro" (55-60% Cu, 19-31% Zn i 12 26% Ni), bijele boje i lijepog sjaja, antikorozivno je i lako
se obraduje deformacijom, te konstantno (60% Cu i 40% Ni) kojemu se otpor gotovo ne mijenja s temperaturom (tj. ima vrlo mali temperaturni
koeficijent otpora) pa se koristi za izradu reostata i u mjernoj tehnici.
Spojevi bakra:
Bakar tvori spojeve s oksidacijskim brojem +1 i +2. Vodene otopine bakrovih(II)
spojeva su stabilnije od otopina bakrovih(I) spojeva, a u
suvišku pojedinih aniona (molekula) mogu se kompleksno vezati u sol ili ion, npr.:
CuCl + 2NH3 -> [Cu(NH3)2]Cl
CuCN + 3KCN -> K3CU(CN)4
Cu(OH)2 +2OH- -> [Cu(OH)4]^2-
CuCl2 x 2H2O + 2H20 -> [Cu(H2O)4]^3+ + 2Cl-
Poznati su mnogobrojni spojevi bakra, a neki od važnijih su:
-Bakrovi(I)-halogenidi su CuCl, CuBr i CuI. Bakrov(I)-klorid (CuCl, nantokit) upotrebljava se kao katalizator pri sintezi akrilonitrila i u
industriji nafte za dekoloriranje i desulfuriranje. Također se koristi za denitriranje umjetne svile i čišćenje acetilena. Jodid
(CuI, maršit) reverzibilno mijenja boju s temperaturom (bijel je pri 20°C, crven pri 40°C, smeđ pri 70°C) pa se koristi kao
niskotemperaturni indikator.
-Bakrov(I)-oksid (Cu2O, kuprit i halkotrihit) otapanjem u NH3 i NH4Cl daje bezbojnu otopinu koja s najmanjom količinom kisika pomodri pa
služi kao reagens na kisik. Na povišenoj temperaturi plinoviti vodik, ugljikov(II)-oksid i ugljik lako ga reduciraju u metalni bakar, a klor
i brom ga oksidiraju u CuO. Upotrebljava se za proizvodnju crvene glazure u keramici, crvenog
(aventurinskog) stakla, tzv. "antifouling" boja
(koje sprečavaju razvoj morskih organizama i biljaka na podvodnom dijelu broda) te za zaprašivanje sjemena radi uništavanja štetnih gljivica.
-Bakrov(I)-cijanid (CuCN) upotrebljava se kao elektrolit pri elektrolitskom
pobakrivanju, za dobivanje masti protiv trahoma i
konjuktivitisa, a koristi se i kao insekticid.
-Bakrovi(I)-sulfidi: Cu2S, (halkozin, bakrov sjajnik) i CuFeS2 (halkopirit, bakrova pakovina). CuFeS2 ima žute tetragonske kristale i
najvažnija je ruda bakra iz koje se dobiva oko četvrtina svjetske proizvodnje bakra.
-Bakrovi(II)-halogenidi su dibromid i diklorid, CuBr2 i CuCl2. Bromid
(CuBr) se upotrebljava se: za bromiranje u organskoj kemiji, kao
katalizator u reakcijama polimerizacije, izomerizacije, esterifikacije i u fotografiji. Fluorid-dihidrat (CuF2 x 2H2O) upotrebljava se za
keramičke glazure i emajle. Klorid (CuCl2) se upotrebljava kao močilo u industriji boja i u tisku tekstila, za rafinaciju bakra, zlata i
srebra, za dobivanje žive mokrim postupkom, za zelenu vatru u pirotehnici, za uništavanje korova i zaprašivanje sjemena.
-Bakrov(II)-hidroksiklorid (CuCl2Cu(OH)2) upotrebljava se za pripremanje fungicida (npr. protiv peronospore na vinovoj lozi), a poznat je po
nazivu bakreno vapno (bakreno vapno). Priređuje se miješanjem hidroksida s neutralnim supstratima (talkom, vapnencem) i sredstvima koja
olakšavaju disperziju u vodi i prijanjanje na listu.
-Bakrov(II)-oksid (CuO, paramelakonit i tenorit) crn je kristaličan prah netopljiv u vodi. Slabo je topljiv u amonijaku i amonijevu kloridu,
ali je lako topljiv u kiselinama, amonijevu karbonatu i kalijevom cijanidu. U otopini ima isključivo lužnat karakter pa otapanjem u kiselinama daje različite bakrove(II)-soli. Upotrebljava se za proizvodnju drugih spojeva bakra, zatim crnih, zelenih i modrih stakala, glazura i
emajla te vodiča s negativnim koeficijentom električnog otpora. Koristi se i kao katodni depolarizator u elektrolizi alkaInih klorida, kao
pozitivna elektroda u galvanskim člancima, za pročišćavanje kisika od primjesa vodika i mineralnih ulja od sumpora te kao imitacija dragog
kamenja.
-Bakrovi azidi (CuN3 i Cu(N3)2) eksplozivno se raspadaju već pri slabom udaru pa se koriste kao inicijalni eksplozivi.
-Bakrov(II)-sulfat (CuSO4) bezvodan daje zelenobijele ili sivobijele kristale koji na sebe lako vežu vodu dajući stabilne hidrate s
jednom,tri ili pet molekula vode. Budući da s najmanjom količinom vode pomodri, upotrebljava se za dokazivanje malih količina vode, npr. u
alkoholu.
-Bakrov(II)-sulfat pentahidrat (CuSO4 x 5H2O, modra galica) najznačajnija je sol bakra, a bila je poznata još starim Egipćanima. Plinije je
opisao njezinu proizvodnju u Španjolskoj, a 1880. godine otkriveno je njezino
fungicidno djelovanje što je potaklo njenu industrijsku
proizvodnju. U prirodi se nalazi kao lazurno modri, triklinski, kristali minerala halkantita koji su lako topljivi u vodi. Od pet molekula
kristalne vode četiri su kompleksno vezane za bakarni, a peta na sulfatni ion. Industrijski se dobiva otapanjem bakra u razrijeđenoj
sumpornoj kiselini. Može se dobiti i kristalizacijom iz elektrolita preostalog od rafinacije bakra te djelovanjem sumporne kiseline na bakrov
oksiklorid (Bigourdan-Bebin postupak). Najviše se upotrebljava pomiješana s gašenim vapnom kao fungicid (bordoška juha) protiv peronospore na
vinovoj lozi i biljnih štetočina na krumpiru, voćkama i rajčici. Koristi se još i kao aktivator pri flotaciji ruda kobalta, olova i cinka, za
uništavanje alga u rezervoarima, vodovodima i bazenima, za konzerviranje drveta, zatim kao elektrolit u galvanskim člancima i kupkama za
pobakrivanje, a u medicini protiv gljivičnih infekcija.
-Bakrov(II)-acetat (Cu(CH3COO)2 x H2O) ima tamnozelene monoklinske kristale topljive u vodi. Upotrebljava se za pobakrivanje, kao katalizator
u proizvodnji anhidrida octene kiseline iz acetaldehida i za proizvodnju boja. Spoj Cu(CH3COO)2 x 3Cu(AsO2)2 je tzv. švajnfurtsko zelenilo
koje služi kao slikarska boja, ali i kao otrov protiv kukaca. Ioni bakra su slabo otrovni za čovjeka, ali zato su vrlo snažan otrov za niže
organizme (bakterije, gljivice) iz čega proizlazi velika upotreba spojeva bakra kao fungicida.
|
Info
ovosti
Općenito
o elementu
