TEMBAGA: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN, PERAN BIOLOGIS - KIMIA - 2025

The tembaga adalah logam transisi milik kelompok 11 dari tabel periodik dan diwakili oleh simbol kimia Cu. Ini dicirikan dan dibedakan dengan menjadi logam merah-oranye, sangat ulet dan mudah dibentuk, juga merupakan konduktor listrik dan panas yang hebat.

Dalam bentuk logamnya ditemukan sebagai mineral utama dalam batuan basaltik. Sementara itu, ia teroksidasi dalam senyawa belerang (yang memiliki eksploitasi pertambangan yang lebih besar), arsenida, klorida dan karbonat; yaitu, suatu kategori mineral yang sangat besar.

Jam beker terbuat dari tembaga. Sumber: Pixabay.

Di antara mineral yang dikandungnya, kita bisa menyebutkan kalkosit, kalkopirit, bornit, cuprite, perunggu dan azurit. Tembaga juga ada dalam abu alga, di karang laut dan artropoda.

Logam ini memiliki kelimpahan 80 ppm di kerak bumi, dan konsentrasi rata-rata di air laut 2.5 ∙ 10 ^-4 mg / L. Di alam itu terjadi sebagai dua isotop alam: ⁶³ Cu, dengan kelimpahan 69,15%, dan ⁶⁵ Cu, dengan kelimpahan 30,85%.

Ada bukti bahwa tembaga dilebur pada 8000 SM. C. dan dicampur dengan timah untuk membentuk perunggu, pada 4000 SM. C. Dianggap bahwa hanya besi meteor dan emas yang mendahuluinya sebagai logam pertama yang digunakan oleh manusia. Oleh karena itu, ini identik dengan cahaya kuno dan oranye pada saat yang bersamaan.

Tembaga digunakan terutama dalam pembuatan kabel untuk menghantarkan listrik di motor listrik. Kabel seperti itu, kecil atau besar, mesin atau perangkat make up di industri dan dalam kehidupan sehari-hari.

Tembaga terlibat dalam rantai transpor elektronik yang memungkinkan sintesis ATP; senyawa energi utama makhluk hidup. Ini adalah kofaktor superoksida dismutase: enzim yang mendegradasi ion superoksida, senyawa yang sangat beracun bagi makhluk hidup.

Selain itu, tembaga berperan dalam hemocyanin dalam transportasi oksigen di beberapa arakhnida, krustasea, dan moluska, yang mirip dengan yang dilakukan oleh zat besi dalam hemoglobin.

Terlepas dari semua tindakannya yang bermanfaat bagi manusia, ketika tembaga terakumulasi dalam tubuh manusia, seperti kasus penyakit Wilson, hal itu dapat menyebabkan sirosis hati, gangguan otak dan kerusakan mata, di antara perubahan lainnya.

Sejarah

Zaman tembaga

Tembaga asli digunakan untuk membuat artefak sebagai pengganti batu di Neolitik, mungkin antara 9000 dan 8000 SM. C. Tembaga adalah salah satu logam pertama yang digunakan manusia, setelah besi hadir dalam meteorit dan emas.

Ada bukti penggunaan pertambangan untuk memperoleh tembaga pada tahun 5000 SM. C. Sudah untuk tanggal sebelumnya, barang dari tembaga dibangun; seperti kasus anting-anting yang dibuat di Irak yang diperkirakan berumur 8700 SM. C.

Pada gilirannya, diyakini bahwa metalurgi lahir di Mesopotamia (sekarang Irak) pada 4000 SM. C., bila dimungkinkan untuk mengurangi logam dari mineral melalui penggunaan api dan batu bara. Belakangan, tembaga sengaja dicampur dengan timah untuk menghasilkan perunggu (4000 SM).

Beberapa sejarawan menunjuk ke Zaman Tembaga, yang secara kronologis terletak antara Zaman Neolitik dan Perunggu. Kemudian, Zaman Besi menggantikan Zaman Perunggu antara 2000 dan 1000 SM. C.

Jaman perunggu

Zaman Perunggu dimulai 4000 tahun setelah tembaga dilebur. Benda perunggu dari budaya Vinca berasal dari 4500 SM. C.; sedangkan di Sumeria dan Mesir ada benda perunggu yang dibuat 3000 tahun sebelum masehi. C.

Penggunaan karbon radioaktif telah menetapkan keberadaan pertambangan tembaga di Alderley Edge, Cheshire dan Inggris Raya, antara tahun 2280 dan 1890 SM. C.

Dapat dicatat bahwa Ötzi, "Manusia Es" dengan perkiraan tanggal antara 3300 dan 3200 SM. C., memiliki kapak dengan kepala tembaga murni.

Bangsa Romawi dari abad ke-6 SM. Mereka menggunakan potongan tembaga sebagai mata uang. Julius Caesar menggunakan koin yang terbuat dari kuningan, tembaga, dan paduan seng. Selain itu, koin Oktavianus dibuat dengan paduan tembaga, timah, dan timah.

Produksi dan nama

Produksi tembaga di Kekaisaran Romawi mencapai 150.000 ton per tahun, angka yang hanya dilampaui selama Revolusi Industri. Bangsa Romawi membawa tembaga dari Siprus, mengenalnya sebagai aes Cyprium ("logam dari Siprus").

Belakangan, istilah ini merosot menjadi cuprum: nama yang digunakan untuk menunjuk tembaga sampai tahun 1530, ketika istilah akar Inggris 'tembaga' diperkenalkan untuk menunjuk pada logam.

Gunung Tembaga Besar di Swedia, yang beroperasi dari abad ke-10 hingga 1992, mencakup 60% konsumsi Eropa pada abad ke-17. Pabrik La Norddeutsche Affinerie di Hamburg (1876) adalah pabrik pelapisan listrik modern pertama yang menggunakan tembaga.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan

Tembaga adalah logam oranye-merah berkilau, sedangkan sebagian besar logam asli berwarna abu-abu atau perak.

Nomor atom (Z)

29

Berat atom

63,546 u

Titik lebur

1.084,62 ºC

Gas umum seperti oksigen, nitrogen, karbon dioksida, dan sulfur dioksida larut dalam tembaga cair dan memengaruhi sifat mekanik dan listrik logam saat mengeras.

Titik didih

2.562 ºC

Massa jenis

- 8,96 g / mL pada suhu kamar.

- 8.02 g / mL pada titik leleh (cair).

Perhatikan bahwa tidak ada penurunan massa jenis yang signifikan antara fase padat dan cair; keduanya mewakili material yang sangat padat.

Panas fusi

13,26 kJ / mol.

Panas penguapan

300 kJ / mol.

Kapasitas kalori molar

24,44 J / (mol * K).

Ekspansi termal

16,5 µm / (m * K) pada 25 ° C.

Konduktivitas termal

401 W / (m ∙ K).

Resistivitas listrik

16,78 Ω ∙ m pada 20 ° C.

Konduktivitas listrik

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Tembaga memiliki daya hantar listrik yang sangat tinggi, hanya dilampaui oleh perak.

Kekerasan Mohs

3.0.

Oleh karena itu, logam ini lunak dan juga cukup ulet. Kekuatan dan ketangguhan ditingkatkan dengan kerja dingin karena pembentukan kristal memanjang dari struktur kubik berpusat wajah yang sama yang ada dalam tembaga.

Reaksi kimia

Uji nyala tembaga, yang diidentifikasi dari warna nyala api biru kehijauan. Sumber: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Tembaga tidak bereaksi dengan air, tetapi bereaksi dengan oksigen atmosfer, ditutupi dengan lapisan oksida coklat-hitam yang memberikan perlindungan korosi pada lapisan di bawah logam:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Tembaga tidak larut dalam asam encer, namun ia bereaksi dengan asam sulfat dan nitrat yang panas dan pekat. Ini juga larut dalam amonia dalam larutan air dan kalium sianida.

Itu bisa menahan aksi udara atmosfer dan air laut. Namun, hasil paparan yang lama dalam pembentukan lapisan pelindung hijau tipis (patina).

Lapisan sebelumnya merupakan campuran karbonat dan tembaga sulfat, diamati pada bangunan atau pahatan tua, seperti Patung Liberty di New York.

Tembaga bereaksi dipanaskan menjadi merah dengan oksigen menghasilkan cupric oxide (CuO) dan pada suhu yang lebih tinggi membentuk cuprous oksida (Cu ₂ O). Ia juga bereaksi panas dengan belerang untuk menghasilkan tembaga sulfida; oleh karena itu, menjadi berkabut saat terkena beberapa senyawa belerang.

Tembaga yang saya bakar dengan nyala biru dalam uji nyala; sedangkan tembaga II memancarkan nyala api hijau.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Kristal tembaga mengkristal dalam struktur kubik berpusat muka (fcc). Dalam kristal fcc ini, atom Cu tetap terikat berkat ikatan logam, yang secara komparatif lebih lemah dari logam transisi lainnya; fakta yang terwujud dalam keuletannya yang besar dan titik leleh yang rendah (1084 ºC).

Menurut konfigurasi elektronik:

3d ¹⁰ 4s ¹

Semua orbital 3d diisi dengan elektron, sedangkan orbital 4s ada kekosongannya. Ini berarti orbital 3d tidak berkolaborasi dalam ikatan logam seperti yang diharapkan dari logam lain. Jadi, atom Cu di sepanjang kristal tumpang tindih dengan orbital 4s mereka untuk membuat pita, mempengaruhi gaya interaksi mereka yang relatif lemah.

Faktanya, perbedaan energi yang dihasilkan antara elektron orbital 3d (penuh) dan 4s (setengah penuh) bertanggung jawab atas kristal tembaga yang menyerap foton dari spektrum yang terlihat, yang mencerminkan warna jingga yang khas.

Kristal tembaga fcc dapat memiliki ukuran yang berbeda-beda, yang semakin kecil ukurannya, semakin kuat potongan logamnya. Ketika mereka sangat kecil, maka kita berbicara tentang partikel nano, sensitif terhadap oksidasi dan disediakan untuk aplikasi selektif.

Bilangan oksidasi

Bilangan atau bilangan oksidasi pertama yang dapat diharapkan dari tembaga adalah +1, karena hilangnya elektron dari orbital 4s-nya. Saat berada dalam suatu senyawa, diasumsikan keberadaan kation Cu ⁺ (biasa disebut ion cuprous).

Ini dan bilangan oksidasi +2 (Cu ²⁺ ) adalah yang paling dikenal dan paling melimpah untuk tembaga; mereka umumnya satu-satunya yang diajarkan di tingkat sekolah menengah. Namun, ada juga bilangan oksidasi +3 (Cu ³⁺ ) dan +4 (Cu ⁴⁺ ), yang tidak jarang seperti yang Anda kira pada pandangan pertama.

Misalnya, garam-garam anion cuprate, CuO ₂ ^- , mewakili senyawa dengan tembaga (III) atau +3; seperti kasus kalium cuprate, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Tembaga juga, meskipun pada tingkat yang lebih rendah dan pada kesempatan yang sangat jarang, dapat memiliki bilangan oksidasi negatif: -2 (Cu ^2- ).

Bagaimana cara mendapatkannya

Bahan baku

Mineral yang paling banyak digunakan untuk ekstraksi tembaga adalah sulfida logam, terutama kalkopirit (CuFeS ₂ ) dan bornit (Cu ₅ FeS ₄ ). Mineral ini menyumbang 50% dari total tembaga yang diekstraksi. Calellite (CuS) dan chalcocite (Cu ₂ S) juga digunakan untuk memperoleh tembaga .

Menghancurkan dan menggiling

Awalnya bebatuan tersebut dihancurkan untuk mendapatkan pecahan batuan sepanjang 1,2 cm. Kemudian dilanjutkan dengan penggilingan fragmen batuan, hingga diperoleh partikel 0,18 mm. Air dan reagen ditambahkan untuk mendapatkan pasta, yang kemudian diapungkan untuk mendapatkan konsentrat tembaga.

Pengapungan

Pada tahap ini, gelembung terbentuk yang memerangkap mineral tembaga dan belerang yang ada di pulp. Beberapa proses dilakukan untuk mengumpulkan buih, mengeringkannya untuk mendapatkan konsentrat yang melanjutkan pemurniannya.

Pemurnian

Untuk memisahkan tembaga dari logam dan kotoran lain, konsentrat kering dikenakan suhu tinggi di tungku khusus. Fire refined copper (RAF) dicetak menjadi pelat dengan berat sekitar 225 kg yang akan membentuk anoda.

Elektrolisa

Elektrolisis digunakan dalam pemurnian tembaga. Anoda dari peleburan dibawa ke sel elektrolitik untuk dimurnikan. Tembaga bergerak ke katoda dan kotoran mengendap di dasar sel. Dalam proses ini katoda tembaga dengan kemurnian 99,99% diperoleh.

Paduan tembaga

Perunggu

Perunggu adalah paduan tembaga dan timah, dengan tembaga terdiri antara 80 dan 97% darinya. Itu digunakan dalam pembuatan senjata dan perkakas. Saat ini digunakan dalam pembuatan bagian mekanis yang tahan terhadap gesekan dan korosi.

Selain itu, digunakan dalam konstruksi alat musik, seperti lonceng, gong, simbal, saksofon dan senar harpa, gitar dan piano.

Kuningan

Kuningan adalah paduan tembaga dan seng. Dalam industri kuningan persentase seng kurang dari 50%. Ini digunakan dalam elaborasi wadah dan struktur logam.

Monel

Paduan monel adalah paduan nikel-tembaga, dengan perbandingan nikel dan tembaga 2: 1. Ini tahan terhadap korosi dan digunakan dalam penukar panas, batang dan lengkungan lensa.

Mereka membenarkan

Constatán adalah paduan yang terbuat dari 55% tembaga dan 45% nikel. Ini digunakan untuk membuat koin dan ditandai dengan memiliki resistensi yang konstan. Juga paduan cupro-nikel digunakan untuk lapisan luar koin denominasi kecil.

BeCu

Paduan tembaga-berilium memiliki persentase berilium 2%. Paduan ini menggabungkan kekuatan, kekerasan, konduktivitas listrik, dan ketahanan korosi. Paduan ini biasa digunakan pada konektor listrik, produk telekomunikasi, komponen komputer, dan pegas kecil.

Alat-alat seperti kunci inggris, obeng dan palu yang digunakan pada rig minyak dan tambang batubara memiliki inisial BeCu sebagai jaminan tidak menghasilkan percikan api.

Lain

Paduan perak 90% dan tembaga 10% digunakan dalam koin, sampai tahun 1965 ketika penggunaan perak dihilangkan dalam semua mata uang, kecuali koin setengah dolar.

Paduan aluminium tembaga 7% berwarna emas dan digunakan dalam dekorasi. Sedangkan Shakudo adalah paduan dekoratif tembaga dan emas Jepang dengan persentase rendah (4 sampai 10%).

Aplikasi

Kabel listrik dan motor

Kabel listrik tembaga. Sumber: Scott Ehardt

Tembaga karena konduksi listriknya yang tinggi dan biayanya yang rendah adalah logam pilihan untuk digunakan dalam kabel listrik. Kabel tembaga digunakan dalam berbagai tahapan kelistrikan, seperti pembangkit tenaga listrik, transmisi, distribusi, dll.

50% dari tembaga yang diproduksi di dunia digunakan dalam pembuatan kabel dan kabel listrik, karena konduktivitas listriknya yang tinggi, kemudahan pembentukan kabel (keuletan), ketahanan terhadap deformasi dan korosi.

Tembaga juga digunakan dalam pembuatan sirkuit terpadu dan papan sirkuit tercetak. Logam digunakan dalam unit pendingin dan penukar panas karena konduksi termalnya yang tinggi, yang memfasilitasi pembuangan panas.

Tembaga digunakan dalam elektromagnet, tabung vakum, tabung sinar katoda, dan magnetron dalam oven microwave.

Demikian juga, digunakan dalam konstruksi kumparan motor listrik dan sistem yang menjalankan motor, item ini mewakili sekitar 40% konsumsi listrik dunia.

Bangunan

Tembaga, karena ketahanannya terhadap korosi dan aksi udara atmosfer, telah lama digunakan di atap rumah, downspouts, kubah, pintu, jendela, dll.

Saat ini digunakan dalam pelapis dinding dan barang-barang dekoratif, seperti aksesori kamar mandi, pegangan pintu, dan lampu. Juga digunakan dalam produk antimikroba.

Tindakan biostatis

Tembaga mencegah banyak bentuk kehidupan tumbuh di atasnya. Itu digunakan dalam lembaran yang ditempatkan di bagian bawah lambung kapal untuk mencegah pertumbuhan moluska, seperti kerang, serta teritip.

Saat ini cat berbahan dasar tembaga digunakan untuk perlindungan lambung kapal tersebut. Tembaga metalik dapat menetralkan banyak bakteri yang bersentuhan.

Mekanisme kerjanya telah dipelajari berdasarkan sifat ionik, korosif dan fisiknya. Dapat disimpulkan bahwa sifat oksidasi tembaga bersama dengan sifat kelarutan oksidanya merupakan faktor yang menyebabkan logam tembaga bersifat antibakteri.

Tembaga logam bekerja pada beberapa strain E. coli, S. aureus dan Clostridium difficile, virus grup A, adenovirus dan jamur. Oleh karena itu, telah direncanakan untuk menggunakan paduan tembaga yang bersentuhan dengan tangan penumpang di berbagai sarana transportasi.

Nanopartikel

Tindakan antimikroba tembaga semakin ditingkatkan ketika nanopartikelnya digunakan, yang telah terbukti berguna untuk perawatan endodontik.

Demikian juga, nanopartikel tembaga adalah adsorben yang sangat baik, dan karena berwarna oranye, perubahan warna di dalamnya menunjukkan metode kolorimetri laten; misalnya, dikembangkan untuk mendeteksi pestisida dithiocarbamates.

Peran biologis

Dalam rantai transportasi elektronik

Tembaga merupakan elemen penting bagi kehidupan. Itu terlibat dalam rantai transpor elektronik, membentuk bagian dari kompleks IV. Langkah terakhir dari rantai transpor elektronik terjadi di kompleks ini: reduksi molekul oksigen menjadi air.

Kompleks IV terdiri dari dua kelompok hae, satu sitokrom a, satu sitokrom a ₃ , serta dua pusat Cu; satu disebut CuA dan yang lainnya CuB. Sitokrom a ₃ dan CuB membentuk pusat binuklir, di mana terjadi reduksi oksigen menjadi air.

Pada tahap ini, Cu berpindah dari status oksidasi +1 ke +2, memberikan elektron ke molekul oksigen. Rantai transpor elektronik menggunakan NADH dan FADH ₂ , dari siklus Krebs, sebagai donor elektron, yang dengannya rantai ini menciptakan gradien hidrogen elektrokimia.

Gradien ini berfungsi sebagai sumber energi untuk pembentukan ATP, dalam proses yang dikenal sebagai fosforilasi oksidatif. Jadi, dan akhirnya, keberadaan tembaga diperlukan untuk produksi ATP dalam sel eukariotik.

Di dalam enzim superoksida dismutase

Tembaga adalah bagian dari enzim superoksida dismutase, enzim yang mengkatalisis dekomposisi ion superoksida (O ₂ ^- ), senyawa yang beracun bagi makhluk hidup.

Superoksida dismutase mengkatalisis dekomposisi ion superoksida menjadi oksigen dan / atau hidrogen peroksida.

Superoksida dismutase dapat menggunakan reduksi tembaga untuk mengoksidasi superoksida menjadi oksigen, atau dapat menyebabkan oksidasi tembaga untuk membentuk hidrogen peroksida dari superoksida.

Dalam hemocyanin

Hemocyanin adalah protein yang ada dalam darah beberapa arakhnida, krustasea, dan moluska. Ini memenuhi fungsi yang mirip dengan hemoglobin pada hewan-hewan ini, tetapi alih-alih memiliki zat besi di tempat transportasi oksigen, ia memiliki tembaga.

Hemocyanin memiliki dua atom tembaga di situs aktifnya. Untuk alasan ini, warna hemocyanin biru kehijauan. Pusat logam tembaga tidak bersentuhan langsung, tetapi memiliki lokasi yang dekat. Molekul oksigen terjepit di antara dua atom tembaga.

Konsentrasi dalam tubuh manusia

Tubuh manusia mengandung antara 1,4 dan 2,1 mg Cu / kg berat badan. Tembaga diserap di usus kecil dan kemudian dibawa ke hati bersama dengan albumin. Dari sana, tembaga diangkut ke seluruh tubuh manusia yang menempel pada protein plasma ceruloplasmin.

Tembaga berlebih diekskresikan melalui empedu. Namun, dalam beberapa kasus, seperti pada penyakit Wilson, tembaga terakumulasi di dalam tubuh, mewujudkan efek toksik dari logam yang memengaruhi sistem saraf, ginjal, dan mata.

Referensi

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM dkk. (2019). Aplikasi nanopartikel tembaga untuk deteksi kolorimetri pestisida dithiocarbamate. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela, & Bello-Toledo, Helia. (2016). Nanopartikel Tembaga sebagai Agen Antimikroba Potensial dalam Mendisinfeksi Saluran Akar: Tinjauan Sistematis. Jurnal internasional odontostomatology, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Tembaga. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19 September 2018). Sifat fisik tembaga berilium. Diperoleh dari: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Juli 2019). Fakta Tembaga: Sifat Kimia dan Fisik. Diperoleh dari: thinkco.com
6. Editor Encyclopaedia Britannica. (26 Juli 2019). Tembaga: unsur kimia. Encyclopaedia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
7. Editor. (10 November 2018). Kalkopirit. Diperoleh dari: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Tabel periodik: tembaga. Diperoleh dari: lenntech.com