Kemijski element Bakar

bakar

Bakar je danas među najpoznatijim metalima, i sigurno metal koji se najviše koristi u industriji proizvodnje električnih uređaja. Pronalazimo ga u gotovo svakom električnom sklopu. Pored toga, našao je primjenu u industriji općenito, i danas je postao neizostavni element suvremene metalurgije.

Bakar je kemijski element oznake Cu, koji ima atomski redni broj 29. Specifična atomska masa bakra iznosi 63,546. Na sobnoj temperaturi (20°C), bakar je u krutom stanju, a 1.084,62°C je točka taljenja bakra.

Čovjek je otkrio bakar još u prapovijesti, no u antičko doba najveće količine bakra smo pronalazili većinom na Cipru. U to vrijeme bio je poznat pod nazivom „aes cyprium“, odnosno ciparska ruda u prijevodu, ili u kraćem obliku cyprium. Od tog naziva potječe njegovo latinsko ime cuprum, po kojem je dobio simbol Cu u periodnom sustavu elemenata. U hrvatskom jeziku bakar je dobio naziv po turskoj riječi „bakir“, koja označava taj metal.

Bakar – Svojstva i osobine metala

bakrene žice
El. motor – Stator sa bakrenim žicama

Bakar je kemijski element s rednim brojem 11 periodnog sustava elemenata. U tom sustavu elemenata bakar označavamo simbolom Cu, a njegov atomski broj je 29. Specifična atomska masa bakra je 63,546(3). Specifična gustoća bakra je 8,92 g cm-3, a talište malo iznad 1083°C. Elementarni bakar ima svijetlo sjajnu, pomalo crvenu boju. U čistom stanju bakar je mekani metal, koji je žilav i značajno rastezljiv/savitljiv. Baš zbog svoje mekoće, te žilavosti i savitljivosti, bakar je često korišten u metalurgiji prilikom izrade različitih legura. 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.

Odličan je električni i toplotni vodič. Osim u metalurgiji, bakar ima značajnu primjenu u elektro-industriji. Naime, odmah nakon srebra, bakar najbolji vodič topline i elektriciteta. Zbog ovih dobrih osobina, i veće zastupljenosti u Zemljinoj kori, bakar nam služi kao idealan provodnik elektriciteta i toplote. Unatoč tome što srebro ima bolja svojstva vodljivosti, zbog visoke zastupljenosti u Zemljinoj kori, bakar je postao metal koji se najviše koristi u spomenutim granama industrije. Danas je bakar jako zastupljen, i jedan je od najpoznatijih vodiča struje i grijanih/rashladnih tijela.

Zbog pozitivnoga redoks potencijala bakar se ne otapa u razrijeđenim kiselinama, i drugim iselinama koje nemaju oksidacijsko djelovanje. Samo ga HNO3 nagriza.

Redoks potencijal zovemo još i elektrodni potencijal. To je sposobnost elementa (u ovom slučaju bakra) da u kiselini prima elektrone. 

Budući da je redukcijski elektrodni potencijal bakra više pozitivan od vodikovog, on reagira samo s kiselinama koje imaju oksidacijsko djelovanje, odnosno s kiselinama koje uz vodik sadrže i element koji bakar može reducirati.

OPREZ! Reakcijom bakra s koncentriranim kiselinama nastaju dušikovi oksidi koji su otrovni. Pokusi se trebaju izvoditi u pravim uvjetima, u digestoru, i pod stručnim nadzorom!

S koncentriranom klorovodičnom kiselinom bakar ne reagira, jer ona ne djeluje kao oksidans. Klorovodična kiselina poznatija je kao Solna kiselina HCl(aq).

Bakar će se otopiti u HCl-u, ali samo ako je u njoj prisutno neko oksidirajuće sredstvo kao na primjer H2O2. U samoj HCl neće se otopiti, i ne dolazi do 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 atmosfere 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 na bakru se često namjerno potakne, i stvara se na raznim predmetima poput bakrenih krovova i na skulpturama, zbog zaštite od daljnjeg utjecaja atmosfere.

Mineral jednakog sastava kao i patina koja se najčešće viđa je zeleni mineral malahit.

patina na bakrenoj podlozi
Patina – bakar

Patina osim bazičnoga karbonata može biti i drugačijeg kemijskog sastava (hidroksisulfat, hidroksiklorid), ovisno o čistoćama u atmosferi. Ako se zagrijava na zraku, pri temperaturama većim od 600°C bakar će oksidirati, a na samoj površini će se stvoriti crni prah bakrov(II) oksid (CuO); i obratno; zagrijani CuO u prisutnosti reducenata lako otpušta kisik pa ova reakcija može služiti za određivanje vodika (nastaje voda) i ugljika (nastaje CO2) u elementarnoj analizi organskih spojeva. Patina se često može vidjeti na bakrenim umjetninama, i svim bakrenim površinama koje su izložene atmosferskom utjecaju, i nisu dodatno zaštićene. Patina se može vidjeti i na bakrenim površinama nekih električnih spojeva, ali tu nam nije poželjna.

2 Cu(s) + O2(g) –> 2 CuO(s)

Važnost bakra za napredak i civilizaciju

Bakar je povijesno važan za razvoj naše civilizacije jer je to jedan od prvih metala koje smo obrađivali. Najčešće smo bakar koristili za pravljenje bronce (bakrene legure), i ubrajamo ga u metale koji su čovjeku poznati još iz prapovijesnog vremena. Imao je važnu ulogu u našoj povijesti, a tome u prilog najbolje ide činjenica da smo jedan povijesni period nazvali baš po bakru – Bakreno doba.

sjekira iz bakrenog doba
Sjekira iz bakrenog doba

Povijesni dokazi nam govore da smo bakar koristili još u periodu od 8000 godina prije Nove ere. Mnogi rudnici svjedoče velikoj potražnji za ovom rudom u prošlosti, dok neki stari rudnici i danas eksploatiraju.

Sve veća upotreba bakra dovela je do određenih promjena u društvu. Obrađivanjem bakra, tadašnji su narodi dobili svoje prve specijaliste (zanatlije). Prvi put su se pojavili zanati poput: rudar, kovač i metalurg. Daljnjim razvojem, i boljim poznavanjem ove rude samo je još više rasla potražnja za bakrom.

U Egiptu se koristio oko 5000 godina prije Krista, najviše za izradu oruđa i oružja (od bronce), a dobivao se iz rudnika sa Sinajskog poluotoka.

Vremenom se upotreba bakra proširila po cijelom Mediteranu i obalama Atlantika. Baš zbog velike i raširene upotrebe bakra jedno smo cijelo povijesno razdoblje nazvali bakreno doba (eneolitik).

Baš u vrijeme korištenja bakra, dolazi do značajne eksploatacije zlata, srebra i olova. Oko 3500. godine ljudi otkrivaju arsen i spoznaju da se pridodavanjem arsena bakru povećava tvrdoća ovog metala. Time nastaje arsenova bronca.

Bakar smo vremenom još bolje upoznali, a otkrivanjem i drugih ruda njegova se primjena samo još više proširila. Osim u izradi oruđa i oružja, bakar je postao neizostavni element u izradi nakita i svakojakih predmeta u našem životu. U modernom dobu bakar je doživio još jedan veliki uspon, i njegova je primjena raširena u gotovo svaku modernu granu industrije. Danas je bakar neizostavan metal za izradu toplinskih vodiča, električnih vodiča i raznih instalacija koje se koriste u industriji i domaćinstvima. Postao je sirovina bez koje se teško može zamisliti bilo koja grana industrije, a gotovo da nema proizvoda koji koristimo, a da u nekom svom dijelu nema bakar ili leguru u kojoj se bakar nalazi.

Upotreba bakra u modernoj industriji

Bakar i aluminij su dva najčešće korištena metala za izradu električnih kabela, raznih spojki i ostalih komponenti strujnog kruga. Srebro i zlato su po svojim elektro-provodljivim karakteristikama mnogo bolji metali od bakra, ali su skupi i koriste se samo kada je to zaista neophodno. Naime, i zlato i srebro su slabo zastupljeni u Zemljinoj kori, i riječ je o plemenitim metalima, što znači da su cijenjeni pa se rijetko koriste kao glavni vodič električnih shema, ili kao vodiči toplotne energije. Važno je spomenuti da se i zlato i srebro koriste, ALI samo kada je to zaista opravdano.

Bakar u elektronici

Bakar je postao svojevrsni sinonim za kabel ili neku sličnu komponentu strujnog kruga. Gotovo da nema električnog uređaja u kojem nećete pronaći vodiče od bakra, spojke i druge elemente koji imaju ulogu provođenja električne struje.

bakreni kabel
Bakreni kabel

Većinom će bakar po svojim karakteristikama zadovoljiti potrebe prilikom izrade određenog uređaja. Ipak, zbog nekih kemijskih osobina u slučaju potrebe bakar se može dodatno „obraditi“, točnije, na bakreni vodič se dodaje sloj zlata ili nekog drugog plemenitog metala (koji ne reagira na atmosferske uvjete). Najčešće se bakar mora dodatno obogatiti u slučaju izrade preciznih mjernih instrumenata, u avionskoj-industriji, i općenito izradi precizne elektronike. Današnji mobiteli, na primjer, imaju u sebi određene količine zlata i drugih vrijednih metala. Površina bakra se obradi procesom koji zovemo platiranje. Bakar se obradi elektronskim platiranjem, čime se njegova površina presvuče tankim slojem nekog drugog metala (najčešće plemenitog metala), da bakar ne korodira. Stručnim terminima ovaj proces zovemo elektroplatiranje ili galvanostegija.

Osim u izradi električnih kabela, bakar se koristi kao glavni električni vodič na gotovo svim modernim pločama strujnih krugova. Sastavni je dio svake elektroničke ploče nekog jednostavnog ili kompleksnog strujnog kruga. Bakrenim spojevima povezane su sve komponente neke ploče, i konektori.

štampana el ploča
El. ploča

To znači da svaka strujna ploča iz komponenti računala, mobitela ili sličnih potrošačkih uređaja, na sebi ima određene količine bakra. Napredak industrije u ovom dijelu proizvodnje je zamijenio upotrebu klasičnih kablova, no bakar se ipak koristi kao glavni provodnik električnih signala među komponentama. Umjesto da se koriste klasični kablovi, danas se električne ploče izrađuju preciznije, sve su manjih dimenzija i manji su potrošači. Bakar se koristi kao jedan sloj na ploči, jedva primjetan, ali opet u potpunosti funkcionalan.

Na gornjoj fotografiji možete vidjeti električnu ploču jednog modernog strujnog kruga. Na elektronskoj ploči se vide unutarnje komponente, koje su povezane gotovo neprimjetnim bakrenim spojevima. Sami bakreni vodovi su zaštićeni posebnim plastičnim slojem, dok su krajevi (spojevi) zaštićeni postupkom elektroplatiranja. Objasnili smo već prije ovaj postupak, nanošenja tankog sloja plemenitog metala na površinu baznog metala (u ovom slučaju bakra).

Bakar kao toplinski vodič

Osim u elektronici, bakar je našao primjenu u još mnogim granama industrije, najviše kao toplinski provodnik.

Zahvaljujući svojim osobinama: otpornost prema koroziji, te dobrim mehaničkim svojstvima, bakar ima veoma široku primjenu. Bakar po raznovrsnosti uporabe zauzima jedno od prvih mjesta u nizu tehničkih metala.

CPU hladnjak od bakra
Bakreni hladnjak

Razvojem novih tehnologija, potrebe za bakrom i danas rastu. Najznačajnija uporaba bakra temelji se na njegovoj izvanrednoj i izuzetnoj električnoj i toplinskoj vodljivosti. Sve je više zastupljen u modernoj industriji, posebno kod izrade izmjenjivača topline.

Zbog visoke toplinske provodnosti bakar se koristi i u izradi izmjenjivača topline. Čisti se bakar danas koristi za izradu spremnika, grijača, isparivača, cijevi i kotlova u prehrambenoj i kemijskoj industriji.

Zanimljivo je spomenuti i grad Bakar, u Hrvatskoj, Primorsko-goranska županija. Maleni gradić na Jadranskoj obali spominje se u 13. stoljeću, po imenima Bukar i Bkri, kao i po talijanskom nazivu Buccari. Prvi put se ime grada spominje u Vinodolskom zakoniku (datira iz 1288. godine), a pretpostavljamo da ime grada dolazi od obližnjeg rudnika iz kojeg se vadila bakarska ruda. Druga pretpostavka je da ime grada dolazi od riječi bukara, koja označava drveni vrč, koji je oblikom jako sličan Bakarskom zaljevu.

Prije nego završimo tekst na temu Bakar: vrijedi spomenuti da se danas bakar koristi u izradi metalnog novca (kovanica).

Zaključak za kraj bi bio: Još od otkrića bakra ljudi uvelike ovise o ovom metalu. Kako napredujemo, potreba za bakrom je sve veća, posebno zbog odličnih karakteristika ovog metala. I danas se bakar u velikoj mjeri vadi iz Zemljine kore, no u posljednje vrijeme sve se više reciklira.