Bakır
Bakır, Periyodik çizelgenin IB grubunun başında yer alan kimyasal element. Simgesi Cu, atom sayısı 29, atom ağırlığı 63,546 olan bakır, kırmızımsı renkli bir metaldir. İlk geçiş dizisi elementlerini izler ve Cu²+ iyonu geçiş özellikleri gösterir.
Bakır, insanlar tarafından kullanılan ilk metal, çağlar boyunca kullanımı açısından da, demirden sonra ikinci metaldir. Tarih öncesi dönemde bulunmuştur ve yaklaşık İ.Ö. 5000'den, hattâ daha Önceden başlayarak kullanıldığı düşünülmektedir.
Doğal yatakları ve çıkarılması: Roma döneminde büyük bölümü Kıbrıs adasında çıkarılan (Latince adı cuprum, Kıbrıs'ın Latince adı Cypria'dan gelir) bakır, günümüzde dünyanın pek çok yerinde çıkarılsa da, başlıca üretici ülkeler Şili, Peru, Polonya, ABD, Zaire ve Zambiya'dır. Bakır içeren 160'tan çok mineral bilinmektedir.
Bakır, yerkabuğunun milyonda yetmişini oluşturur ve deniz suyunda milyonda 0,020-0,001 oranlarında bulunur.
Doğal halde bakır öylesine arıdır (Kuzey Amerika'da Superior gölü bölgesinde olduğu gibi) ki, yıllardır arı bakır için Dünya standartı kabul edilen "göl bakırı" üretmek için yalnızca biraz eritilmesi yeterlidir. Ama günümüzde çıkarılan bakırın yaklaşık % 80'i, elementin % 2'sini ya da daha azını içeren düşük kapsamlı filizlerden elde edilmektedir.
Dünya bakır yataklarının yarısı kalkopirit filizi biçimindedir. Doğada genellikle oksit ya da kükürt bileşiği halinde bulunan (kükürt bileşiği halinde bulunanlar ticari açıdan daha önemlidirler) bakır filizleri, hem açık tavanlı ocaklarda, hem de yeraltı ocaklarından çıkarılır. % 0,4 kadar az bakır içeren yataklar, açık tavanlı yöntemle işletilebilir; yeraltı madenciliği yalnızca filiz % 0,7-% 0,6 bakır içeriyorsa uygundur.
Kuprit ve tenorit gibi oksit bileşiği halindeki filizler, karbonla ısıtılarak doğrudan bakır metaline indirgenebilir; ama kalkopirit ve kalkosit gibi kükürt bileşiği halindeki filizler, düşük kapsamlı filizin zenginleştirildiği daha karmaşık bir işlem gerektirir. Bu işlemde filiz, köpürtücü bir madde ve bakır tutan molekülleri su-uzaklaştırıcı yapacak bir madde içeren suyla karıştırılmadan önce, kırılarak çok küçük tanecikler haline getirilir. Bu tanecikler, ayrıştırma tankının yüzeyindeki köpükte birikirler ve bu köpük alınıp,yaklaşık 800 °C'ta ısıtılınca,suyun bir bölümü ve antimon, arsenik, kükürt ayrılır. Sonra, kalıntı, silisyum dioksitle karıştırılır ve ocakta«1 400-
1 500°C'ta eritilir. Bu işlem sonunda iki sıvı tabaka oluşur; bir bakır matı (demir sülfat ve oksitlerle karışmış bakırlı sülfat) alt tabakası; silikat cürufu üst tabakası (dışarı çekilir). Değiştirgeçteki bakır matı tabakasına silisyum dioksit ya da silisli bakır filizi eklenir ve sıvı içinden basınçlı hava üflenir.Bunun sonucunda sıcaklıkta 1220°C ve 1350°C'a varan bir artışla, aşağıdaki ısıveren tepkimeler gerçekleşir:
2FeS + 3O/2 › 2FeO + 2SO/2 (ısı veren)
FeO + SiO/2 › demir silikat cürufu (ısı veren).
Demir cürufun ayrıştırılmasından sonra, geride kalan bakır (I) sülfat, denetimli miktarda havayla ısıtılarak bakıra indirgenir:
Cu/2S + O/2 › 2Cu +SO/2
%98-%99arılıktaki kalan erimiş bakır ya kabarmış bakır bloklarına ya da anotlara kalıba dökülür.
Temel olarak arılaştırmanın son aşaması, % 99,95-% 99,97 arılıkta bakır veren elektrolizle arıtmadır. Arı olmayan bakır, katot olarak arı bakır şeritleri ve sıvı bakır (II) sülfatın bir elektrolitini içeren bir elektrolit pilinin anodu yapılır. Elektroliz sırasında bakır,anottan katota iletilir. Bu işlem sırasında gümüş ve altın içeren bir anot levhası üretilir.
Fiziksel ve kimyasal özellikleri: Bakırın on iki izotopu bilinir; bunlardan ikisi, 63/Cu ve 65/Cu, radyoaktif değildirler ve doğada % 69,09 - %30,91 bollukta bulunurlar. Bakır, 1083,4,=0,2°C'ta ergir. 2 567 °C'ta kaynar; 20 °C'ta 8,96 yoğunluğundadır. Sertliği 3'tür; parlak metalik bir parlaklıktadır; kübik kristal yapılıdır; dövülebilir ve haddelenebilir; iyi bir elektrik ve ısı iletkenidir: Elektrik iletkenliğinde gümüşten sonra ikinci sırada yer alır.
Bakır, +2 (en yaygın olanı, Cu [II] bileşikleri oluşturur) ve +1 (Cu [I]; kararlı karmaşık iyonun bir parçasıysa yalnızca sıvı çözeltilerde kararlıdır) yükseltgenme derecelerinde bulunur;ayrıca birkaç bakır(lll) bileşiği de bilinmektedir. Bakırın elektron dizilişi genellikle alkali metallerinkine (IA Grubu), özellikle potasyumunkine benzemesine karşılık, davranışı alkali metallerinkinden oldukça farklıdır. Alkali metallerde, dış elektronun, çekirdeğin çekiminden korunması, bakırda olduğundan daha güçlüdür.
Bakır ve öbür IB grubu metallerinin (altın ve gümüş) göze çarpan özellikleri, kimyasal etkilere dirençleridir. Bakır nemli havadan yavaş etkilenir ve yüzeyi derece derece,bazik sülfat (CuSo/4.Cu[OH]/2.) içeren yeşil pasla kaplanır. Yaklaşık 300 °C'ta bakır, hava ya da oksijenden etkilenir ve yüzeyinde siyah bir bakır (II) oksit tabakası oluşur; yaklaşık 1 000 °C'ta, bakır (I) oksit oluşur. Metalin kükürt buharından etkilenmesiyle bakır (I) sülfat oluşur; ayrıca, bütün halojenlerden de etkilenir ve bakır (II) halid oluşturur (yalnızca, iyottan etkilenmesiyle bakır [I] iyodür oluşur). Bakır sudan ya da buhardan etkilenmez; sulu hidroklorik ve sulu sülfürük asit gibi su katılmış, yükseltgeyici olmayan asitlerin de, yükseltgeyici bir etken bulunmadıkça, bakır üstünde hiçbir etkileri yoktur. Buna karşılık, kaynayan derişik hidroklorik asitten, sıcak derişik sülfürük asitten ve su katılmış ya da derişik nitrik asitten etkilenir.
Not: Açık tavanlı ocaklarda elde edilen bakır filizleri genellikle demir ve bakır sülfat karışımlarıdır. Bakırı arıtma işlemi filizi kırıp, çok küçük parçalara ayırdıktan sonra, suyla karıştırmaya dayanır. Köpürtme etkenleri ve hava eklenip, karışımın yüzeyinden sülfür köpüğü ayırılır. Bir koyulaştırma tankında ve dönel emme filtresinde suyu çıkarılıp, kalan katı ısıtılır; sonra eritici maddelerle karıştırılıp, eritilir Demir oksit cürufu alınır. Değiştirgece üflenen hava, kükürt dioksiti götürür ve kalan demir oksitler dışarı akıtılır. Erimiş bakır fırında arıtılıp, elektroliz biriminde anot levhaları olarak kullanılacak kerestelerle kalıplanır .Katotlar üstünde biriken, aşağı yukarı arı bakır, aşama aşama alınır ve kalıplanır.
Bakır alaşımları: Bakır birçok elementle birleşebilir ve bazıları teknoloji açısından önemli olan 1 000'den çok farklı alaşımı oluşturulmuştur. Başka bir element ya da elementlerin varlığı, bakırın sıcak ya da soğuk işlenme özelliklerini, gerilme direncini, korozyona dayanma özelliğini ve ısı direncini değiştirebilir; ayrıca, çeşitli renklerde alaşımları da elde edilebilir.
En iyi bilinen bakır alaşımı pirinçtir (% 5 - % 40 arasında çinko içeren bakır). Pirincin gerilme direnci, sertliği ve aşınmaya direnci yüksektir. Pirinç alaşımına, % 0,5-% 3 oranında kurşun eklenmesi (kurşunlu pirinç), pirincin makinede işlenme özelliğini, artırır. % 30 - % 40 çinko, % 1 kalay içeren pirincin (kalaylı pirinç) de, korozyon direnci yüksektir.
Bakırın başka bir yararlı alaşımı, bakır (% 55-% 65), nikel (% 10 - % 18) ve çinko (% 17 - % 27) içeren, nikelle karışık gümüştür. Mücevher ve yemek takımları gibi gümüş-kaplama eşyalarda taban olarak kullanılır.
Tunç fosfor, % 10 kalay içeren bakır-kalay alaşımlarına % 0,35'e kadar fosfor eklenerek oluşturulur. Bu alaşımın geri fırlama özelliği, sertliği ve korozyona direncinin yüksekliği, yay ve diyaframlarda kullanılmasını sağlar.
% 1 - % 3 silikon, % 95 - % 96 bakır ve az miktarda öbür metallerden (sözgelimi kurşun, kalay, çinko, mangan, demir ya da nikel) içeren silikonlu tunç, yumuşak çelik kadar serttir ve korozyona karşı yüksek dirençlidir. Aşındırıcı sıvıların kullanıldığı kimyasal atölyeler için alet üretiminde yararlanılır.
Alüminyumlu bakır tunçlar, alüminyum (% 5-% 12), bazen çinko ve silikon içerirler;korozyona karşı dirençlidirler; sertlikleri ve aşınmaya dirençleri de yüksektir. Tuz rafinerilerinde, sıcak tuzlu su gibi aşındırıcı sıvıların taşınmasında kullanılırlar.
% 2 berilyum içeren berilyum-bakır alaşımlarının, aşınma dirençlerinin yanı sıra, korozyona ve gerilmeye dirençleri de yüksektir. Yüksek direnç gerektiren birçok alanda yaygın biçimde kullanılırlar.
Canlı bilimleriyle ilişkisi: Askorbik asit oksidaz, tirosinaz, laktoz ve monoamin oksidaz gibi yükseltgeyici enzimlerin (% 0,05-% 0,35 Cu içeren yüksek molekül ağırlıklı enzimler) bir parçası olarak birçok bitki ve hayvanda çok az miktarda bulunan bakır, bunların sağlıklı yaşamı için gereklidir. Bakır, bu proteinlerde, oksijen, kükürt ya da azot atomları içeren bağlanma bölgelerinden sıkıca bağlıdır.
İnsanların normal beslenme rejimi her gün 2- 5 mg arasında bakır gerektirir. Kalıtımsal protein seruloplasmin eksikliği ("Wilson hastalığı" diye de adlandırılır), aşağı yukarı bütün dokularda, özellikle beyin ve karaciğerde bakır miktarının artmasıyla birlikte gelişir. Albino (akşın) memelilerde melanin pigmentinin bireşimine katılan bakır içeren tirosinaz enzimi yoktur. Ayrıca, organizmalarda bakırın aşırı birikmesi özellikle basiller, mantarlar ve yosunlar gibi gelişme derecesi düşük organizmalar için zehirli olabilir.
Bakır bileşikleri: Bakırın en önemli basit tuzları, bakır (II) oksit (CuO) ve "mavi vitriyol" denen bakır (II) sülfattır (CuSO/4.5H/2O.
Bakır (II) oksit, hem bakır (II) karbonatın, hem de ba-kır(ll) nitratın ısı almasıyla siyah bir katı olarak elde edilebilir.
CuCo/3 › CuO + CO/2 2Cu(NO/3)/2 › CuO + 4N0/2 + O/2
Bakır (II) oksit yaklaşık 800 °C'ta ısıtıldığında bakır (I) oksit ve oksijene ayrışır:
4CuO › 2Cu/2O + O/2
Bakır (II) oksit ılık mineral asitleriyle hemen tepkimeye girer ve bakır (II) tuzları oluşur:
CuO + 2H/+ › Cu/2+ + H/2O
Bakır (II) sülfat,hem bakır (II) oksitin,hem de bakır karbonatın sulandırılmış sülfürük asitle tepkimeye sokulmasıyla hazırlanabilir. Karışım, doymuş bir çözelti elde etmek içi ısıyla buharlaştırılır ve soğura sırasında mavi, katı pentahidrat billurları ayrışır. Sanayide, bakır (II) sülfat,sıcak bir bakır ve sülfürük asit karışımına hava iterek elde edilir.
2Cu + 4H/+ + O/2 › 2Cu/2+ + 2H/2O
Bakır, çok sayıda organometalik bileşikler v a da karışımlar oluşturması açısından, geçiş metallerine benzer bu özelliği, yakın dönemde inorganik kimya çalışmalarında yeni ilgi alanlarının doğmasına neden olmuştur.
Bakırın ve bileşiklerinin kullanıldıktan alanlar: Elektrik sanayisi, bakırın en önemli tüketicisidir. Bakır, jeneratörlerin kurulmasında ve elektrik gücü aktarımında kullanılır. Kimyasal etkiye direnci ve yüksek ısı iletkenliği nedeniyle, kimyasal atölyelerde kullanılan yoğunlaştırıcıların ve araba radyatörlerinin yapılmasında da yararlanılır. Bakır ayrıca, su tesisatlarında yaygın olarak kullanılır; sanayide metanolün formaldehite yükseltgenmesinde katalizör olarak yararlanılır. Fehling çözeltisi gibi bakır bileşiklerindense, şekerlerin tahlil testlerinde yararlanılır.
Bakır (II) sülfat, sanayide Bordeaux karışımının hazırlanmasından, öteki bakır bileşiklerinin üretilmesine kadar birçok işte, ayrıca elektrolizle kaplama çözeltilerinde kullanılır.
Günümüzde bakır üretimi: Günümüzde dünyanın en çok bakır üreten ülkesi Şili'dir (1,6 Mt). Onu ABD, Kanada, Rusya, Zaire, Zambiya, ve Peru izlerler. 1992 sonunda dünyada bakır üretimi 9 Mt'u aşmıştır.
Türkiye'nin dünya üretimindeki payıysa, % 0,40'ın altındadır. Türkiye'de bakır filizi işletilen başlıca ocaklar, Etibank'ın Ergani ve Küre- Aşıköy ocakları ile Karadeniz Bakır İşletmeleri'nin Murgul, Küre-Bakibaba ve Kutlular ocaklarıdır.
