Miedź

Miedź

nikiel ← miedź → cynk
– ↑ Cu ↓ Ag 29 Cu
Wygląd
czerwonobrunatny
Widmo emisyjne miedzi
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	miedź, Cu, 29 (łac. cuprum)
Grupa, okres, blok	11, 4, d
Stopień utlenienia	0, I, II, III, IV
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości tlenków	średnio zasadowe
Masa atomowa	63,546 ± 0,003
Stan skupienia	stały
Gęstość	8920 kg/m³
Temperatura topnienia	1084,62 °C
Temperatura wrzenia	2562 °C
Numer CAS	7440-50-8
PubChem	23978
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 135 (obl. 145) pm 168 pm 140 pm Konfiguracja elektronowa [Ar]3d104s1 Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 1 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,90 1,75 Potencjały jonizacyjne I 745,5 kJ/mol II 1957,9 kJ/mol III 3555 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 300,3 kJ/mol Ciepło topnienia 13,05 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 0,0505 Pa (1358 K) Konduktywność 59,6×106 S/m Ciepło właściwe 380 J/(kg·K) Przewodność cieplna 401 W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny ściennie centrowany Twardość • w skali Mohsa 3 Prędkość dźwięku 3570 m/s (293,15 K) Objętość molowa 7,11×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 63Cu 69,17% stabilny izotop z 34 neutronami 64Cu {syn.} 12,7 godz. w.e. 1,675 64Ni 64Cu {syn.} 12,7 godz. β− 0,579 64Zn 65Cu 30,83% stabilny izotop z 36 neutronami 67Cu {syn.} 61,9 godz. β− 0,58 67Zn
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2016-08-29] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS (na podstawie podanej karty charakterystyki). NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 0
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Miedź (Cu, łac. cuprum) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych. Jest miękkim, kowalnym i ciągliwym metalem o bardzo wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej. Świeżo odsłonięta powierzchnia czystej miedzi ma różowopomarańczowy kolor, jest powszechnie wykorzystywana jako przewodnik ciepła i prądu elektrycznego, materiał konstrukcyjny i budowlany, jest składnikiem różnych stopów metali używanych w biżuterii, okuciach, monetach, tensometrach, termoparach i wielu innych.

Nazwa łacińska (a za nią w innych językach, w tym angielskim) pochodzi od Cypru, gdzie w starożytności wydobywano miedź. Początkowo nazywano ją „metalem cypryjskim” (cyprum aes), a następnie cuprum. Ma 29 izotopów, z czego trwałe są dwa: Cu-63 i Cu-65.

Parlament Europejski uznał miedź jako surowiec o znaczeniu strategicznym z punktu widzenia transformacji ekologicznej i cyfrowej, a także zastosowań obronnych, lotniczych i kosmicznych.

Właściwości fizyczne

Miedziany krążek o czystości ⩾ 99,95% otrzymany metodą ciągłego odlewu, wytrawiony powierzchniowo dla uwidocznienia struktury wewnętrznej

Miedź, srebro i złoto, leżąc w 11 grupie układu okresowego, mają pewne wspólne właściwości: mają jeden elektron na orbitalu s powłoki walencyjnej ponad zapełnioną powłoką elektronową d oraz odznaczają się wysoką plastycznością i przewodnictwem elektrycznym. Wypełnione powłoki d w tych pierwiastkach nie wnoszą zbyt dużego wkładu w oddziaływania międzyatomowe, które w wiązaniach metalicznych są zdominowane przez elektrony powłok s. W przeciwieństwie do metali z niepełnymi powłokami d, wiązanie metaliczne w miedzi nie ma charakteru kowalencyjnego i jest względnie słabe. Wyjaśnia to małą twardość i dużą plastyczność miedzi.

Miedź ma gęstość 8,96 g/cm³ i temperaturę topnienia 1084,62 °C, jest miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym, jest łatwa w obróbce plastycznej, przy obróbce plastycznej na zimno ulega utwardzeniu (w wyniku zgniotu), które można usunąć przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400–600 °C). Obróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650–800 °C. W skali makroskopowej, wytworzenie podłużnych wad sieci krystalicznej, jak granice pomiędzy ziarnami czy zaburzenia przepływu pod przyłożoną siłą, zwiększa twardość miedzi. Z tego powodu miedź dostępna w handlu występuje w drobnoziarnistej formie, która ma większą odporność mechaniczną niż forma monokrystaliczna.

Mała twardość miedzi częściowo tłumaczy jej wysoką przewodność elektryczną (59,6⋅10⁶ S/m) i przewodność cieplną, które są drugie pod względem wielkości wśród czystych metali w temperaturze pokojowej. Jest to spowodowane tym, że oporność elektryczna w metalach pochodzi głównie od rozpraszania elektronów na drganiach cieplnych sieci krystalicznej, które w metalach miękkich są stosunkowo słabe. Wraz z osmem (niebieskawy), cezem (żółty) i złotem (żółty), miedź jest metalem, których kolor jest inny niż szary lub srebrny. Czysta miedź jest pomarańczowoczerwona, na powietrzu ciemnieje wskutek utleniania. Charakterystyczny kolor pochodzi od przejść elektronów z podpowłoki 3d na nie w pełni zapełnioną ostatnią podpowłokę 4s, dzięki energii fotonów z zakresu światła widzialnego, odpowiadającej barwie fioletowej i błękitnej – ich pochłonięcie powoduje powstanie obserwowanej wypadkowej czerwono-pomarańczowej barwy.

Właściwości chemiczne

Starożytna sztabka miedzi pokryta patyną, pochodząca z Krety

Zdjęcie mikroskopowe powierzchni miedzi polikrystalicznej (Olympus DSX, powiększenie 69 ×, rozmiar sfotografowanego obszaru 4 × 4 milimetry)

Miedź jest dość odporna chemicznie, zalicza się do metali półszlachetnych. Nie ulega działaniu kwasów w warunkach nieutleniających, natomiast w warunkach utleniających roztwarza się bez wydzielania wodoru:

3Cu + 8HNO
3 (rozcieńczony) → 3Cu(NO
3)
2 + 2NO↑ + 4H
2O

Cu + 4HNO
3 (stężony) → Cu(NO
3)
2 + 2NO
2↑ + 2H
2O

Miedź tworzy dużą różnorodność związków na I i II stopniu utlenienia (według dawnej nomenklatury nazywane odpowiednio miedziawymi lub miedziowymi), znane są też nieliczne związki na stopniu utlenienia III (np. [CuF
6]3−
) i IV (np. [CuF
6]2−
). Tworzy też nietrwałe kopleksy z tlenkiem węgla, w których występuje na 0 stopniu utlenienia (np. [Cu(CO)
3]). Nie reaguje z wodą, ale na powietrzu pokrywa się cienką warstwą CuO, w wyniku czego ciemnieje. W przeciwieństwie do utleniania żelaza, utworzona warstwa tlenkowa zapobiega dalszemu utlenianiu. Wystawiona na działanie czynników atmosferycznych pokrywa się zieloną warstwą patyny, która jest (węglan hydroksomiedzi(II)) występuje na starych konstrukcjach miedzianych, jak dachy starych kościołów, czy na Statui Wolności. Siarkowodór i siarczki reagują z miedzią, tworząc na powierzchni siarczki miedzi. Miedź może ulec korozji, jeśli narażona jest na kontakt z powietrzem zawierającym związki siarki. Amoniakalne roztwory zawierające tlen dają rozpuszczalne w wodzie kompleksy miedzi (I), podobnie jak tlen i kwas solny, tworząc chlorki miedzi i zakwaszony nadtlenek wodoru, tworząc sole miedzi(II). Chlorek miedzi(II) i miedź ulegają komproporcjonowaniu, tworząc chlorek miedzi(I). Pięciowodny siarczan miedzi(II) CuSO
4·5H
2O (występujący naturalnie jako minerał chalkantyt) ma własności odkażające, a bezwodny jest higroskopijny i niekiedy stosowany jest do osuszania rozpuszczalników organicznych.

Miedź na II stopniu utlenienia tworzy trwałe kompleksy chelatowe z ligandami, gdzie donorami do par elektronowych są zarówno tlen, jak i azot. W kompleksach miedzi (II) dominuje struktura płaskiego kwadratu (liczba koordynacyjna 4), rzadziej występują kompleksy oktaedryczne o liczbie koordynacyjnej 6. W tych występuje deformacja struktury oktaedrycznej – wydłużenie wiązań dwóch naprzeciwległych ligandów z jonem centralnym, zwane efektem Jahna-Tellera. Dość łatwo można zmieniać stopień utlenienia miedzi w jej związkach kompleksowych, dlatego też są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Niekompleksowe związki miedzi(I) są trudno rozpuszczalne w wodzie, natomiast wodne roztwory soli miedzi(II) z reguły mają barwę niebieską lub niebiesko-zieloną, ze względu na obecność jonu heksaakwamiedzi (II), [Cu(H
2O)
6]2+
.

Miedź metaliczna jest niepalna ale jej pył rozpylony w powietrzu jest łatwopalny i powoduje podrażnienia oczu, nosa i dróg oddechowych powodując tzw. gorączkę miedziową. Długotrwałe narażenie oczu na pyły lub dymy zawierające miedź może doprowadzić do odbarwienia rogówki i soczewki. Długotrwałe narażenie dymami miedzi przez drogi oddechowe oraz długotrwałe spożywanie miedzi ponad zalecane dawki może wywołać zmiany metaboliczne, zmiany w wątrobie, uszkodzenia nerek, tkanki mózgowej, naczyń wieńcowych i mięśnia sercowego.

Izotopy

Miedź ma 29 izotopów z przedziału liczb masowych 55–85, w tym dwa trwałe 63
Cu i 65
Cu, o abundancjach odpowiednio 61% i 39%. Oba trwałe izotopy mają spin ${\tfrac {3}{2}}$. Z radioaktywnych, a najbardziej stabilnym jest 67
Cu o okresie półtrwania 61,83 godziny. Istnieje co najmniej dziesięć metastabilnych izomerów miedzi, z których najbardziej stabilnym jest 68m
Cu o okresie półtrwania 3,75 minuty. Izotopy o liczbie masowej większej od 64 rozpadają się przez rozpad β⁻, natomiast izotopy o liczbie masowej mniejszej od 64 rozpadają się przez rozpad β⁺. Nuklid 64
Cu, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 12,7 godziny, ulega rozpadowi w obu kierunkach.

Izotop 62
Cu jest stosowany w formie kompleksu 62
Cu-PTSM jako radioznacznik w pozytonowej tomografii emisyjnej.

Występowanie

Malachit

Wytwarzanie miedzi w gwiazdach pozostaje nadal nieuchwytne. W szczególności nadal debatuje się, czy miedź pochodzi głównie z masywnych gwiazd, czy do supernowych typu Ia. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 60 ppm, w wodzie morskiej w ilości 0,003 ppm, a w ludzkim ciele 1,0 ppm. W naturze występuje w postaci rud oraz w postaci czystej jako miedź rodzima. Miedź rodzima jest rzadko spotykana, zawiera często zanieczyszczenia metalami jak srebro, beryl, rtęć czy arsen. Znanych jest ponad 160 minerałów miedzi, największe znaczenie gospodarcze mają chalkozyn, bornit, chalkopiryt, stanowiące główne rudy miedzi.

Ważniejsze minerały miedzi

Nazwa	Wzór chemiczny	Zawartość miedzi	Barwa
Siarczki
Bornit	Cu5FeS4	63,3%	Brązowa
Chalkozyn	Cu2S	79,8%	Ciemnoszara
Chalkopiryt	CuFeS2	34,5%	Żółta
Kowelin	CuS	66,5%	Fioletowoniebieska
Enargit	Cu3AsS4	48,4%	Ciemnoszara
Tennantyt	Cu12As4S13	51,6%	Ciemnoszara
Tetraedryt	[Cu,Fe]12Sb4S13	45,8%	Ciemnoszara
Tlenki
Kupryt	Cu2O	88,8%	Czerwona
Tenoryt	CuO	79,9%	Ciemnoszara
Węglany
Azuryt	Cu3(CO3)2(OH)2	55,1%	Niebieska
Malachit	Cu2CO3(OH)2	57,3%	Zielona
Siarczany
Antleryt	Cu3(OH)4SO4	54,0%	Zielona
Brochantyt	Cu4 [(OH)6/SO4]	56,2%	Ciemnozielona
Chalkantyt	CuSO4·5H2O	55,3%	Niebieska
Chlorki
Atakamit	Cu2Cl(OH)3	59,5%	Ciemnozielona
Krzemiany
Chryzokola	Cu2 − xAlx(H2Si2O5)(OH)4·nH2O (x < 1)	36,0%	Niebieskozielona

Konkrecje polimetaliczne, występujące na dnie oceanu, są potencjalnym źródłem miedzi. W zależności od lokalizacji miedź stanowi 0,23–1,07% masy konkrecji. Wydobycie konkrecji nie wiązałoby się ze znacznym wzrostem globalnej produkcji miedzi, w porównaniu z wpływem na produkcję innych uzyskiwanych z nich metali. Innym oceanicznym źródłem metalu są złoża masywnych rud siarczkowych, zawierające od 0,8 do nawet 17,9% miedzi w zależności od warunków tektonicznych złoża.

Miedź występuje w planetoidach klasy S, w ilości 70–100 ppm, zarówno w postaci rodzimej jak i stopów żelazowo–niklowych.

Wydobycie, zasoby i konsumpcja miedzi na świecie

Największa pod względem wielkości odkrywkowa kopalnia miedzi na świecie – Bingham Canyon Mine (Stany Zjednoczone, 2019)

Ze względu na duże zapotrzebowanie i stosunkowo małe zasoby naturalne, miedź stanowi materiał strategiczny. Większość miedzi wydobywa się jako siarczek w kopalniach odkrywkowych ze złóż porfiru miedziowego zawierającego do 1% miedzi. W światowym wydobyciu rud miedzi w przeliczeniu na czysty składnik, wynoszącym w 2024 r. łącznie 23,0 mln ton, przodowały: Chile (5,3 mln ton), Kongo (3,3 mln ton), Peru (2,6 mln ton), Chiny (1,8 mln ton) USA (1,1 mln ton), Indonezja (1,1 mln ton), Rosja (930 tys. ton), Australia (800 tys. ton), Kazachstan (740 tys. ton), Meksyk (700 tys. ton), Zambia (680 tys. ton), Kanada (450 tys. ton) i Polska (410 tys. ton).

Do krajów posiadających największe szacowane zasoby miedzi należą: Chile (190 mln ton), Peru (100 mln ton), Australia (100 mln ton), Rosja (80 mln ton), Kongo (80 mln ton), Meksyk (53 mln ton), Stany Zjednoczone (47 mln ton), Chiny (41 mln ton). Zasoby znajdujące się na terenie Polski są szacowane na 34 mln ton. Głównym ośrodkiem przemysłu miedziowego w Polsce jest Legnicko-Głogowski Okręg Miedziowy.

Otrzymywanie

Miedź jest głównie otrzymywana z rud siarczkowych. Rudy miedzi mają niewielką zawartość minerałów miedzi, dlatego pierwszym etapem uzyskiwania miedzi jest mechaniczne wzbogacanie rudy, której głównym procesem jest flotacja w obecności dodatków zwiększających hydrofobowość minerałów miedzi. Przygotowanie do flotacji obejmuje: przesiewanie, kruszenie, mielenie. Po flotacji produkt zagęszcza się, filtruje i suszy. W wyniku czego otrzymuje się koncentrat zawierający około 23% miedzi. Miesza się go z piaskiem kwarcowym i ogrzewa do temperatury 1700 K. W tym etapie część siarczków żelaza utlenia się i reaguje z krzemionką (równanie 1 i 2) tworząc żużel będący krzemianem żelaza (równanie 3) i mieszaninę siarczków miedzi i żelaza. Szlaka będąc ciągle w formie płynnej separuje się na dwie warstwy. Górna warstwa jest okresowo zbierana, aby otrzymać płynny kamień miedziowy, który składa się głównie z Cu
2S i oraz niewielkich ilości metali szlachetnych, głównie srebra, a także złota, platyny i palladu. Innymi metalami pozyskiwanymi w procesie może być również molibden, selen i tellur. Ciekły kamień miedziowy jest przelewany do pieca konwertorowego, dodaje się piasek kwarcowy i przedmuchuje powietrzem. Proces ten przekształca pozostały FeS do FeO i do żużlu (zgodnie z równaniem 2 i 3). Cu
2S jest częściowo przekształcany do Cu
2O (równanie 4), który reaguje z pozostającym w układzie FeS (równanie 5). Ostatecznie powstaje metaliczna miedź blistrowa (wg równania 6 i 7).

Reakcje zmiany chalkopirytu w miedź:

1. 2CuFeS
   2 + O
   2 → Cu
   2S + 2FeO + 3SO
   2
2. 2FeS + 3O
   2 → 2FeO + 2SO
   2
3. FeO + SiO
   2 → Fe
   2(SiO
   3)
   3
4. 2Cu
   2S + 3O
   2 → 2Cu
   2O + 2SO
   2
5. Cu
   2O + FeS → Cu
   2S + FeO
6. Cu
   2S + O
   2 → 2Cu + SO
   2
7. 2Cu
   2O + Cu
   2S → 6Cu + SO
   2

Określenie miedź blistrowa (eng: blister - pęcherzyk) wywodzi się od pęcherzyków dwutlenku siarki SO
2 jakie uchodzą z roztopionej miedzi. Powstała miedź ma czystość 98-99% i może być poddana dalszemu oczyszczeniu poprzez rafinację ogniową miedzi, elektrolizę (elektrometalurgia) lub topienie strefowe. Proces elektrolityczny polega na użyciu zanieczyszczonej miedzi jako anody, a oczyszczonej miedzi jako katody zanurzonej w roztworze elektrolitów; kwasu siarkowego H
2SO
4 i siarczanu miedzi CuSO
4. W rezultacie powstaje miedź o czystości około 99,95-99,99%. Dalsze oczyszczenie miedzi, do poziomu 99,9999% (określane jako 6N), może odbywać się poprzez elektrolizę lub topienie strefowe.

Recykling

Miedź, tak jak aluminium, zawarta w produktach w postaci metalu, w jej stopach oraz związkach chemicznych może być niemal w 100% poddana recyklingowi bez straty jakości. W objętości, miedź jest trzecim po żelazie i aluminium najczęściej odzyskiwanym metalem. Szacuje się, że w użyciu jest nadal 80% kiedykolwiek wydobytej miedzi. Recykling w latach 2005–2024 dostarczał około 34% zużywanej miedzi. Ze względu na charakter surowca przewiduje się, że w ciągu następnych lat udział recyklingu w ogólnej produkcji miedzi będzie rósł. Proces odzyskiwania miedzi przebiega w ten sam sposób jak w proces jej otrzymywania z kopalin, wymaga jednak mniejszej liczby etapów. Wysokiej czystości złom (miedź Milbera) jest topiony w piecu, następnie redukowany i wylewany w postaci kęsów i sztabek, kęsy uzyskiwane z niskiej czystości złomu są poddawane elektrorafinacji w kąpieli kwasu siarkowego.

Zastosowanie

Miedź, ze względu na bardzo dobrą przewodność elektryczną, jest szeroko stosowana w instalacjach elektrycznych

Miedź obok żelaza odegrała wyjątkową rolę w rozwoju cywilizacji ludzkiej. Pierwiastek ten znany jest od starożytności, od kiedy był podstawowym składnikiem brązów, od których nazwano epokę brązu. Miedź używana jest głównie jako czysty metal lub – gdy wymagana jest większa twardość – w postaci stopów z innymi metalami (5% całkowitego zużycia), takich jak brąz czy mosiądz. Mała część miedzi jest używana w produkcji związków będących dodatkami do żywności i fungicydami, stosowanymi w rolnictwie, a także stosowana jako barwnik szkła czy katalizator.

W roku 2024 ogólnoświatowa konsumpcja miedzi wynosiła około 33,8 mln ton. Jej źródłami było wydobycie w kopalniach (w 2024 roku było to ponad 23 mln ton) oraz miedź pozyskiwana z recyklingu (w tym złom miedziany). Regionem, który w roku 2024 zużył najwięcej miedzi jest Azja (76%), Europa (14%), Ameryka Północna (8%), a pozostałe obszary 2%. Zużycie miedzi w roku 2024 głównie następowało w: budownictwie (26%), produkcji dóbr konsumpcyjnych, w tym elektroniki (23%), infrastrukturze (17%), transporcie (13%) oraz w budowie urządzeń przemysłowych (12%).

Urządzenia elektryczne

Właściwości elektryczne miedzi są wykorzystywane w przewodach miedzianych oraz budowanych w oparciu o nie urządzeniach takich jak transformatory, cewki czy elektromagnesy. W układach scalonych i obwodach drukowanych stosuje się ją ze względu na bardzo dobrą przewodność elektryczną. W radiatorach i wymiennikach ciepła korzysta się z niej ze względu na wyższe rozpraszanie ciepła w stosunku do powszechnie używanego aluminium. Miedź jest używana także do budowy lamp elektronowych, monitorów CRT i magnetronów jako falowodów promieniowania mikrofalowego.

Stopy

Szacuje się, że znanych jest około 1000 stopów miedzi, z czego około 500 z nich jest wykorzystywanych w Stanach Zjednoczonych. Metal jest dodawany do wielu stopów, zarówno do stali, jak i do stopów aluminium. Jest też dodawany do srebra i złota, poprawiając znacznie ich własności mechaniczne. Miedź z cyną, manganem, glinem, berylem i krzemem tworzy grupę stopów zwanych brązami. W stopach z cynkiem i innymi dodatkami tworzy mosiądze, mające bardzo dobre własności mechaniczne oraz znaczną odporność na korozję i dzięki temu bardzo wszechstronne zastosowania. Stopów tych używa się do wyrobu armatury hydraulicznej, elementów dekoracyjnych i elementów precyzyjnych urządzeń mechanicznych. W jubilerstwie stosowany jest udający złoto tombak. Stopy miedzi często są używane do produkcji monet ze względu na ich odporność na korozję, wytrzymałość mechaniczną oraz złotą barwę. Barwa brązów zależy od zawartości miedzi; 90/10 (%Cu/%Zn) jest brązowy, 85/15 jest złoty, 70/30 żółty, a 60/40 czerwonożółty.

Budownictwo i przemysł

Miedź na dachach samoistnie pokrywa się patyną

Ze względu na odporność metalu na wodę, miedź była używana już od czasów starożytnych jako materiał pokryć dachowych. Zielony kolor starszych budynków pochodzi od zachodzącej przez długi czas reakcji, w której miedź jest utleniana najpierw do tlenku miedzi(II), następnie przechodzi w siarczek miedzi(I) lub (II), by w końcu utworzyć hydroksowęglan miedzi(II), nazywany patyną, która jest wysoko odporna na korozję. Piorunochrony są wyrabiane z miedzi w celu skutecznego uziemiania piorunów. Miedź nadaje się do lutowania i spawania w łuku gazowo-metalowym.

Zastosowania biostatyczne

Metaliczna miedź (podobnie jak metaliczne srebro) wykazuje właściwości antybakteryjne. Od dawna jest używana jako biostatyczna powierzchnia pokrycia statków, chroniąca przed skorupiakami i omułkami. Pierwotnie była używana czysta miedź, lecz wyparł ją metal Muntza, będący formą mosiądzu o składzie 60% miedzi i 40% cynku. Podobne zastosowanie miedź znalazła w akwakulturze do konstrukcji sieci i innych elementów narażonych na obrastanie organizmami roślinnymi i zwierzęcymi. Jej biostatyczne właściwości usprawiedliwiają użycie jako materiału do wyrobu klamek do drzwi (ograniczenie ilości przenoszonych bakterii) i rur wodociągowych. Opublikowane w 2011 roku badania potwierdzają, że stosowanie powierzchni pokrywanych miedzią redukuje ilość patogenów znajdujących się na powierzchniach w salach OIOM o 97% (bakterie znajdujące się na salach OIOM są odpowiedzialne za 35–80% infekcji wśród pacjentów).

Historia

Okres prehistoryczny

Epoka miedzi

Miedź występuje naturalnie w postaci metalicznej jako miedź rodzima i była już wykorzystywana przez najstarsze znane nam cywilizacje. W obszarze Bliskiego Wschodu historia użycia miedzi sięga IX tysiąclecia p.n.e.; na terenie dzisiejszego Iraku został odnaleziony miedziany naszyjnik, którego wykonanie jest datowane na rok około 8700 p.n.e. Dowody wskazują na to, że tylko złoto i żelazo meteorytowe (postać rodzima żelaza pochodząca z meteorytów, a nie z procesu wytapiania) były jedynymi metalami używanymi przez ludzi przed miedzią. W Stanach Zjednoczonych produkcja miedzi pojawiła się pomiędzy 6500, a 3500 r. p.n.e. w kulturze Starej Miedzi, w stanie Michigan i Wisconsin.
Uważa się, że początkowa historia wykorzystania miedzi przebiegała w następującej kolejności:

• proste używanie rodzimej miedzi w celach dekoracyjnych jako minerał, zanim zaczęto wykorzystywać właściwości metaliczne miedzi. Dowody, datowane przed 6000 r. p.n.e., znaleziono między innymi na stanowisku archeologicznym Ali Kosh.
• obróbka plastyczna na zimno miedzi rodzimej – odkryto, że nowy minerał nie kruszy się tak łatwo przy uderzeniu młotem jak inne minerały, więc obróbka mechaniczna stała się oczywistą metodą pracy z miedzią rodzimą. Dowody znaleziono między innymi na stanowisku archeologicznym Ali Kosh i Çatalhöyük.
• wyżarzanie – dłuższa obróbka na zimno powodowała, że miedź rodzima stawała się krucha, co powodowało, że przedmioty zrobione z niej pękały. Unikano tego poprzez rozgrzanie miedzi w ogniu i wykuwaniu przedmiotów na gorąco. Końcowa obróbka, jak tworzenie ostrza, przebiegała metodą obróbki na zimno.
• wytapianie miedzi z jej rud. Był to znaczący postęp w metalurgii miedzi. Rudy miedzi, które są jaskrawo zabarwione, jak azuryt (kolor niebieski) czy malachit (kolor zielony) były łatwe do identyfikacji. Rudy te chemicznie są węglanami, które są łatwiejsze w redukcji niż rudy siarczkowe (np. kowelin czy chalkopiryt). Azuryt i malachit był redukowany do metalicznej miedzi w prostych piecach, w których temperatura sięgała ok. 700 °C. W procesie otrzymywano niewielkie, nieregularne kawałki miedzi. Datowanie radiowęglowe potwierdziło, że proces był wykorzystywany już ok. 6000 r. p.n.e. w Çatalhöyük, obszar dzisiejszej Turcji. Rozpowszechnienie stosowania wytapianej miedzi jest uznawane za początek epoki miedzi, która rozpoczynała się w różnych okresach, w zależności od regionu Świata.
• odlewanie wymagało ogrzania miedzi do punktu jej topnienia, czyli 1084 °C, a następnie wylania w formie półfabrykatu, który podlegał dalszej obróbce przez wyżarzanie czy kucie na zimno. Do odlewania wykorzystywano otwartą, jednoczęściową formę, lub w metodzie bardziej zaawansowanej, formy dwuczęściowe. Wykorzystanie form dwuczęściowych pozwalało na odlewanie bardziej złożonych kształtów, w odróżnieniu od form otwartych, w których górna powierzchnia zawsze była płaska. Najwcześniejsze znane dowody wykorzystania odlewnictwa miedzi pochodzą ze stanowiska archeologicznego Can Hasan w Turcji i są datowane ok. 5000 r. p.n.e.
• Tworzenie stopów z arsenem lub cyną. Brąz arsenowy i brąz cynowy są znacznie wytrzymalsze niż czysta miedź. Tworzenie stopów nie tylko pozwalało na zwiększenie twardości, ale również tworzenie w odlewie pęcherzyków powietrza, które wydostawało się podczas ochładzania stopu. Odkrycie metody tworzenia stopów na obszarze Bliskiego Wschodu, Anatolii, ok. 3500 r. p.n.e. oznaczało początek wczesnej epoki brązu.
• metoda wosku traconego jest metodą na tworzeniu najpierw modelu z wosku, następnie oblepianiu go gliną, która tworzyła formę odlewniczą. W formie zostawiano kanaliki, którymi wlewano roztopiony brąz. Wosk podczas wlewania rozgrzanego stopu topił się i był zastępowany w formie brązem, który przybierał kształt woskowego modelu. Metoda była znana już we wczesnej epoce brązu.

• Prehistoryczne przedmioty wykonane z miedzi
• 
  Model wozu wykonany z miedzi, Anatolia, Turcja, ok. 4500–2200 r. p.n.e.
• 
  Figurka, chalkolit, ok. 4500–3500 r. p.n.e.
• 
  Miedziana korona wykonana metodą wosku traconego, Skarb Nahal Mishmar, Pustynia Judzka, ok. 3500 r. p.n.e.
• 
  Przedmioty użytkowe Indian z miedzi, ok. 3000–1000 r. p.n.e.

Epoka Brązu

Epoka brązu rozpoczęła się w Południowo-Wschodniej Europie ok. 3700–3300 r. p.n.e., a w Północno-Zachodniej Europie ok. 2500 r. p.n.e. Zakończyła się z początkiem epoki żelaza, ok. 2000–1000 r. p.n.e. na Bliskim Wschodzie, a ok. 600 r. p.n.e. w Europie Północnej. Okres przejściowy pomiędzy neolitem, a epoką brązu nazywany jest czasami chalkolitem, epoką miedzi, kiedy to narzędzia miedziane były używane wraz z narzędziami kamiennymi. Termin ten stopniowo wyszedł z użycia, ponieważ, w niektórych częściach świata, chalkolit i neolit pokrywają się na obu końcach dat.

Naturalnie występujący brąz, pochodzący z rud miedzi bogatych w krzem, arsen i (względnie rzadko) w cynę, zaczął być powszechnie używany na Bałkanach ok. 5500 r. p.n.e. Pierwsze artefakty z brązu, z kultury Vinča, datowane są na 4500 r. p.n.e. Sumeryjskie i egipskie artefakty z brązu pochodzą z okresu ok. 3000 r. p.n.e.. Błękit egipski, inaczej kuproriwaityt (krzemian wapniowo-miedziowy) jest syntetycznym pigmentem, zawierającym miedź, który zaczął być używany w Starożytnym Egipcie ok. 3250 r. p.n.e. Odnaleziono ceramiczną misę z inskrypcją władcy Górnego Egiptu w okresie Nagada III Króla Skorpiona, w którym wykryto ślady pigmentu. Proces wytwarzania pigmentu znany był jeszcze Rzymianom, ale ok. IV w. n.e. zaprzestano używania tego pigmentu i jego sekretna metoda wytwarzania zaginęła. Przetrwały tylko ogólne wzmianki Witruwiusza, ok. I w. p.n.e., o tym, że pigment wytwarzano z minerałów miedzi lub brązu, wapna i natronu. Pigment udało się odtworzyć dopiero w 2025 roku, potwierdzając zapisy Witruwiusza, używając do jego produkcji m.in. azurytu (zamiennie z malachitem, kuproriwaitytem i tlenkiem miedzi), wollastonitu oraz trony, jako topnika.

• Przedmioty epoki brązu
• 
  Dysk sakralny z grobowca książęcego z Alaca Höyük, Anatolia, Turcja, ok. 2200–1900 r. p.n.e.
• 
  Spodek zabarwiony za pomocą błękitu egipskiego, Nowe Państwo (Egipt), ok. 1400–1325 r. p.n.e.
• 
  Zbiór toporków z epoki brązu odnalezione na terenie dzisiejszych Niemiec
• 
  Figurka przedstawiająca mężczyznę, kultura minojska, ok. 1400–1200 r. p.n.e.

Starożytność i okres postklasyczny

W Grecji miedź znana była pod nazwą chalkos (χαλκός). Była ważnym surowcem dla Rzymian, Greków i innych starożytnych ludów. W czasach rzymskich znana była jako aes Cyprium, gdzie aes to ogólne łacińskie określenie stopów miedzi, a Cyprium pochodzi od nazwy wyspy Cypr, gdzie wydobywano duże ilości miedzi. Wyrażenie to zostało uproszczone do łacińskiego cuprum, z czego wywodzi się symbol miedzi, Cu. Afrodyta (Wenus wg rzymskiej mitologii) reprezentowała miedź w mitologii i alchemii ze względu na jej lśniące piękno i starożytne zastosowanie w produkcji luster; Cypr, źródło miedzi, był świętym miejscem dla bogini. Siedem ciał niebieskich znanych starożytnym było kojarzonych z siedmioma metalami znanymi w starożytności, a Wenus została przypisana miedzi, zarówno ze względu na związek z boginią, jak i dlatego, że Wenus była najjaśniejszym ciałem niebieskim po Słońcu i Księżycu, a zatem odpowiadała najbardziej błyszczącemu i pożądanemu metalowi po złocie.

Miedź była najczęściej używanym metalem przez rdzennych mieszkańców Ameryki Północnej, a dowody jej wykorzystania sięgają ok. 7000–6500 r. p.n.e. Wiadomo, że miedź naturalna była wydobywana metodą górniczą na wyspie Isle Royale za pomocą prymitywnych narzędzi kamiennych między 800 a 1600 r. n.e. Miedź, prawdopodobnie pochodząca z czystych samorodków znalezionych w rejonie Wielkich Jezior, była obrabiana poprzez wielokrotne kucie i wyżarzanie w północnoamerykańskim mieście Cahokia (w pobliżu współczesnego stanu Missouri) ok. 1000–1300 r. n.e.

W Ameryce Południowej miedziana maska datowana na 1000 r. p.n.e., znaleziona w argentyńskich Andach, jest najstarszym znanym artefaktem miedzianym odkrytym w Andach. Peru uważane jest za miejsce powstania wczesnej metalurgii miedzi w prekolumbijskiej Ameryce, ale miedziana maska z Argentyny sugeruje, że obszar rzeki Maipo w południowych Andach był kolejnym ważnym ośrodkiem wczesnej obróbki miedzi w Ameryce Południowej. Metalurgia miedzi w Peru sięga ok. 500 r. p.n.e., a produkcja na większą skalę rozpoczęła się ok. 900 r. n.e., w okresie rozwoju kultury Sicán, w północnym Peru. Produkcja była kontynuowana podczas szeregu podbojów kultur Chimor i Inków, a zakończyła się wraz z podbojem hiszpańskim w 1532 r.

W Afryce Subsaharyjskiej, od momentu powstania pierwszych kopalń ok. 2000 r. p.n.e. w Agadez, aż do początku XIX wieku, miedź była uważana za cenniejszą niż złoto czy srebro. Miedź była szeroko sprzedawana w Afryce i pełniła wiele funkcji religijnych, politycznych i społecznych. Szczególnym przykładem wykorzystania miedzi i brązów przez kultury subsaharyjskie są pochodzące z okresu IX–XI w. n.e. brązy z Igbo-Ukwu, stanowisku archeologicznym położonym w dzisiejszej Nigerii. Natomiast lokalne złoża złota były ignorowane, aż do momentu nawiązania kontaktów z portugalskimi i arabskimi handlarzami.

Rola kulturowa miedzi była bardzo ważna, zwłaszcza w obiegu monetarnym. W VI–III wieku p.n.e. Rzymianie używali brył miedzi jako pieniądza. Początkowo ceniono samą miedź, ale stopniowo coraz większego znaczenia nabierał jej kształt i wygląd. Juliusz Cezar miał własne monety wykonane z mosiądzu, natomiast monety Oktawiana Augusta były wykonane ze stopów Cu-Pb-Sn. Szacowana roczna (ok. roku 50 n.e.) produkcja wynosząca ok. 15 000 ton sprawiła, że rzymskie wydobycie i hutnictwo miedzi osiągnęły skalę niespotykaną aż do czasów rewolucji przemysłowej; najbardziej intensywnie eksploatowanymi prowincjami były Hispania, Cypr i Europa Środkowa.

W południowej bramie świątyni jerozolimskiej wykorzystano brąz koryncki, stop miedzi, srebra i złota poddany procesowi złocenia wyczerpującego, który polega na stopniowym usuwaniu utlenionej miedzi w celu uzyskania złotej powłoki. Proces ten był najbardziej rozpowszechniony w Aleksandrii, gdzie prawdopodobnie narodziła się alchemia, zainspirowana obróbką chemiczną prowadzącą do uzyskania złocistego wyglądu.

Mosiądz, kolejny ważny stop miedzi, który również posiada większą wytrzymałość od miedzi, został wynaleziony znacznie później niż brąz, ok. roku 300 n.e..

• 
  Afrodyta z Satali, Azja Mniejsza, Turcja, ok. II–I wiek p.n.e.
• 
  Moneta z brązu korynckiego przedstawiająca podobiznę Juliusza Cezara
• 
  Naczynie w kształcie muszli, kultura Igbo-Ukwu, IX–XI wiek
• 
  Rytualny toporek Inków, ok. 1400–1533 roku

Współczesność

W Falun, w Szwecji znajduje się kopalnia w Falun (obecnie muzeum znajdujące się na liście UNESCO), która działała od X wieku do grudnia 1992 roku. W XVII wieku zaspokajała dwie trzecie zapotrzebowania Europy na miedź i pomogła w tym okresie sfinansować wiele wojen Szwecji. Nazywano ją skarbcem narodowym; Szwecja miała walutę opartą na miedzi do roku 1776.

Miedź jest wykorzystywana w pokryciach dachowych, monetach (jako jej stopy) oraz w technologii fotograficznej znanej jako dagerotypia. Miedź była używana w rzeźbie renesansowej oraz do budowy Statuy Wolności. Miedziowanie (galwanostegia) i powlekanie miedzią były szeroko stosowane do ochrony podwodnych kadłubów statków, a technikę tę jako pierwsza wprowadziła admiralicja brytyjska w XVIII wieku. Norddeutsche Affinerie, dzisiejszy Aurubis, w Hamburgu była pierwszym nowoczesnym zakładem galwanicznym, który rozpoczął produkcję w 1876 roku.

W 1949 roku, w Finlandii wybudowano pierwszą hutę, która wykorzystywała metodę wytopu błyskawicznego opracowaną przez firmę Outokumpu. Obecnie jest to jeden z wiodących procesów produkcji miedzi rafinowanej.

W 1986 roku odkryto wysokotemperaturowe nadprzewodniki miedziowe. Nadprzewodniki zawierające tlenek miedzi posiadają wysoką temperaturę przejścia (temperatura, w której następuje całkowita utrata oporu elektrycznego), wynoszącej w ich przypadku 133 K. Jest istotne ponieważ jako chłodziwa można użyć ciekłego azotu, dzięki któremu można osiągnąć temperaturę 77 K, zamiast znacznie droższego ciekłego helu, który był wcześniej używany w pracach z nadprzewodnikami.

• 
  Miedziany dach kościoła w Katowicach
• 
  Statua Wolności, Nowy Jork
• 
  XVIII-wieczny czajnik miedziany wykonany w Norwegii
• 
  Przykład miedziowej powłoki galwanicznej

Znaczenie biologiczne miedzi

Miedź występuje powszechnie w wielu organizmach roślinnych i zwierzęcych. Jako mikroelement jest niezbędna dla życia wielu organizmów, biorąc udział m.in. w fotosyntezie i oddychaniu komórkowym, jednak niektóre giną już przy bardzo niskich jej stężeniach. Dotyczy to np. skrętnic, choć inne glony też są stosunkowo wrażliwe na obecność jonów miedziowych w wodzie, przez co sole miedzi mogą być stosowane jako algicydy.

Miedź jest mikroelementem występującym w centrach aktywnych wielu enzymów, dzięki łatwości pobierania i oddawania elektronu w czasie zmiany stopnia utlenienia. Potrzebna jest do tworzenia się krwinek czerwonych, wchodzi w skład hemocyjanin występujących w mięczakach i stawonogach, bierze udział w przesyłaniu impulsów nerwowych. Wchodzi w skład dysmutazy ponadtlenkowej, enzymu o działaniu przeciwutleniającym, chroniącego błony komórkowe przed wolnymi rodnikami. Ponadto bierze udział w tworzeniu tkanki łącznej (wiązania poprzeczne w cząsteczkach kolagenu i elastyny katalizowane przez oksydazę lizylową) i syntezie prostaglandyn, związków zwanych hormonami miejscowymi, wpływających między innymi na czynność serca i ciśnienie tętnicze krwi. U fotoautotrofów wchodzi w skład plastocyjaniny.

Zalecane dzienne spożycie dla dorosłego człowieka wynosi 1300 μg dla kobiet (1500 μg dla kobiet w okresie ciąży lub laktakcji) oraz 1600 μg dla mężczyzn. Zalecane dzienne spożycie dla dzieci: w wieku 1-3 lat, w zależności od płci, waha się w granicach 570-940 μg; dla dzieci 3-10 lat 820-1440 μg; dla dzieci 10-18 lat w przedziale 980-1590 μg.

Choroby związane z miedzią

Choroba Alzheimera

Badania wskazują, że homeostaza miedzi w mózgu ma bezpośredni wpływ na przebieg choroby Alzheimera. Wyższy poziom miedzi w mózgu pozytywnie wpływa na łagodniejszy przebieg choroby oraz wolniejszy spadek zdolności poznawczych. Inne badania wskazały, że niska zawartość miedzi w mózgu negatywnie pływa na prędkość oczyszczania mózgu z Beta-amyloidu (Aβ), który wchodzi w skład blaszek amyloidowych. Jest to związane z zaburzeniem homeostazy powodującym, że przy niedoborze miedzi miedź odkłada się w naczyniach kapilarnych mózgu co zmniejsza wytwarzanie białka LRP1 odpowiadającego międzyinnymi za transsport Aβ, co zwiększa jego poziom w mózgu. Miedź w diecie nie ma związku z poziomem miedzi w mózgu, ale nadal była związana z wolniejszym spadkiem funkcji poznawczych.

Choroba Menkesa

Choroba Menkesa jest rzadką chorobą genetyczną, która występuje na świecie z częstoliwością od 1 dziecka na 40-350 tys. urodzeń. W Europie występuje z częstotliwością 1 dziecka na 100-300 tys. urodzeń, a z kolei w Australii na 50-100 tys. . Choroba polega braku wchłaniania miedzi zawartej w pokarmie przez układ pokarmowy człowieka. Obecnie choroba nie ma skutecznych środków leczenia. Dzieci chore na tę chorobę umierają do 4. roku życia. Wczesne wykrycie choroby i rozpoczęcie suplementowania może wydłużyć spodziewaną długość życia.

Choroba Parkinsona

Pierwszym objawem wykrytym u pacjentów z chorobą Parkinsona były nieprawidłowo sfałdowane białka w mózgu, a konkretnie alfa-synukleina, która przyjmuje nienormalny kształt „pierścieni” i bierze udział w wielu procesach molekularnych związanych z rozwojem choroby Parkinsona, w tym tworzeniu się amyloidu. W warunkach in vitro wysokie stężenia miedzi przyspieszają postępujący proces agregacji białka. Alfa-synukleina w formie zagregowanej bierze udział w procesie obumierania komórek w przebiegu choroby Parkinsona. W związku z tym podejrzewa się, że może ona również wywoływać chorobę.

Choroba Wilsona

Genetycznie uwarunkowany defekt metabolizmu miedzi prowadzi do wystąpienia schorzenia zwyrodnienia wątrobowo-soczewkowego – choroby Wilsona. W przypadku tej rzadkiej choroby dziedzicznej,wydalanie miedzi jest zaburzone, co prowadzi do zwiększonego odkładania się miedzi, najpierw w wątrobie, a następnie, gdy miedź przedostaje się do krwiobiegu, również w innych narządach.

Niedobór miedzi może stać się przyczyną niedokrwistości, ponieważ zbyt mała ilość tego pierwiastka powoduje gorsze wchłanianie żelaza i zmniejszenie liczby czerwonych krwinek.

Spożywanie nadmiaru miedzi prowadzić może do zaburzeń pokarmowych i uszkodzenia wątroby. Może to mieć miejsce w przypadku spożywania wody pitnej o niskiej twardości lub niskim pH dostarczanej miedzianą instalacją wodociągową (woda taka wypłukuje miedź z instalacji). Szacuje się, że w Unii Europejskiej osoba dorosła dziennie spożywa pomiędzy 1,2-2,07 μg miedzi. Dawka śmiertelna wynosi ok. 10–20 g. W przypadku podejrzenia zatrucia podaje się D-penicylaminę lub kwas wersenowy, czynniki chelatujące jony miedzi.

Źródła miedzi w pokarmach

Pokarmy bogate w miedź

• Wątroba – wątroby zwierzęce zawierają bardzo duże ilości mikroelementów i witamin, wątróbka cielęca zawiera 15 mg na 100 g, zawartość miedzi w wątrobie jest zróżnicowana w zależności od jej pochodzenia (od 25% zalecanego dziennego spożycia (RDA) w drobiowej do około 750% w wątrobie cielęcej);
• Ostrygi – 1–8 mg miedzi w 100 g ostryg. W zależności od gatunku, miejsca połowu i sposobu hodowli zawierają 37–500% RDA;
• Drożdże piekarskie – około 5 mg na 100 g drożdży (ok. 250% RDA);
• Nasiona sezamu i tahini – nasiona sezamu zawierają 7,75 mg miedzi na 100 g (204% RDA). Jedna łyżka tahini dostarcza 0,24 mg miedzi (ok. 12% RDA);
• Kakao i czekolada – kakao zawiera około 3,8 mg miedzi na 100 g produktu (189% RDA), tym samym zawartość miedzi w czekoladzie zależy od zawartości kakao;
• Kalmary i homary – kalmary dostarczają około 2,1 mg miedzi w 100 g (106% RDA), a homary 1,9 mg (97% RDA);
• Nasiona słonecznika – zawierają 1,8 mg miedzi na 100 g (92% RDA);
• Suszone pomidory – zawierają 1,4 mg w 100 g (71% RDA);
• Nasiona dyni – zawierają 1,4 mg w 100 g (71% RDA).

Innymi produktami spożywczymi o dużej zawartości miedzi są (RDA w 100 g produktu): nasiona soi (54% RDA), siemię lniane (61% RDA), grzyby shiitake (45% RDA), otręby pszenne (50% RDA), nasiona arbuza (34% RDA), suszone śliwki (31% RDA) i papryka (30% RDA).

W wodzie z instalacji miedzianych większe ilości miedzi (jak i innych metali, z których są zrobione rury) znajdują się w wodzie ciepłej niż w zimnej. Należy to uwzględniać przy przygotowywaniu posiłków dla dzieci, dla których dzienne dawki miedzi są mniejsze niż dla dorosłych.. Powszechnie zaleca się do przygotowywania posiłków stosowanie wody zimnej.

Zobacz też

• chalkolit (epoka miedzi)
• choroba wodorowa miedzi
• miedziankit – materiał wybuchowy stosowany w górnictwie rud miedzi

Bibliografia

• AdamA. Bielański AdamA., Podstawy chemii nieorganicznej, wyd. 6, t. 1–2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010, ISBN 978-83-01-16283-2 .
• RahulR. Sharma RahulR. (red.), Deep-Sea Mining: Resource Potential, Technical and Environmental Considerations, Cham: Springer International Publishing, 2017, DOI: 10.1007/978-3-319-52557-0, ISBN 978-3-319-52556-3  (ang.).