કોપર (Cu): ગુણધર્મો, પ્રતિક્રિયાઓ અને એપ્લિકેશન્સ (JEE/NEET/CBSE રિવિઝન)

કોપર (Cu) નો પરિચય

કોપર (Cu), એક સંક્રમણ ધાતુ, માનવ ઇતિહાસમાં પ્રાચીન ઓજારો અને સિક્કાઓથી લઈને આધુનિક ઇલેક્ટ્રિકલ વાયરિંગ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સુધી કેન્દ્રિય ભૂમિકા ભજવી છે. ઉચ્ચ વિદ્યુત અને ઉષ્મા વાહકતા, ટીપાઉપણું (malleability), તણાવપણું (ductility) અને કાટ પ્રતિકારનું તેનું અનોખું સંયોજન તેને અસંખ્ય એપ્લિકેશન્સમાં અનિવાર્ય બનાવે છે.

CBSE/JEE ક્વિક રિવિઝન નોટ્સ

• પ્રતીક: Cu
• પરમાણુ ક્રમાંક: 29
• પરમાણુ દળ: 63.55 g/mol
• ઇલેક્ટ્રોનિક રચના: [Ar] 3d^10 4s^1 (સંપૂર્ણ ભરેલા d-સબશેલની સ્થિરતાને કારણે ઔફબાવ સિદ્ધાંતનો અપવાદ)
• સમૂહ: 11 (અથવા IB)
• આવર્ત: 4
• બ્લોક: d-બ્લોક (સંક્રમણ ધાતુ)
• સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ: +1 (ક્યુપ્રસ) અને +2 (ક્યુપ્રિક). +2 અવસ્થા સામાન્ય રીતે જલીય દ્રાવણમાં વધુ સ્થિર હોય છે.
• પ્રકૃતિ: લાલાશ પડતી-બદામી ધાતુ, અત્યંત ટીપાઉ (malleable) અને તણાવપૂર્ણ (ductile). ગરમી અને વીજળીનું ઉત્તમ વાહક. Cu^2+ અવસ્થામાં 3d^9 રચનામાં એક અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન હોવાને કારણે પેરામેગ્નેટિક.

ઇલેક્ટ્રોન રચના અને બંધન વર્તન

કોપર [Ar] 3d^9 4s^2 ને બદલે [Ar] 3d^10 4s^1 ની વિસંગત ઇલેક્ટ્રોન રચના દર્શાવે છે. આ સંપૂર્ણ ભરેલા ($d^\{10\}$) અને અર્ધ-ભરેલા ($d^5$) d-ઓર્બિટલ્સની વધેલી સ્થિરતાને આભારી છે.

• Cu^+ આયન (ક્યુપ્રસ): 4s^1 ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને બને છે, જેના પરિણામે [Ar] 3d^\{10\} બને છે. તે ડાયમેગ્નેટિક છે અને સામાન્ય રીતે જલીય દ્રાવણમાં ઓછો સ્થિર હોય છે, જે Cu^2+ અને Cu માં વિઘટિત થવાનું વલણ ધરાવે છે. 2Cu^+(aq) \rightarrow Cu^2+(aq) + Cu(s)
• Cu^2+ આયન (ક્યુપ્રિક): 4s^1 ઇલેક્ટ્રોન અને એક 3d ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને બને છે, જેના પરિણામે [Ar] 3d^9 બને છે. તે એક અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોનને કારણે પેરામેગ્નેટિક છે અને સામાન્ય રીતે વાદળી દ્રાવણો અને સંયોજનો બનાવે છે. જલીય વાતાવરણમાં આ વધુ સ્થિર ઓક્સિડેશન અવસ્થા છે.

કોપર આયનીય ક્ષાર (દા.ત., CuCl2), સહસંયોજક સંયોજનો અને લિગેન્ડની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે d-ઓર્બિટલ્સની ઉપલબ્ધતાને કારણે અસંખ્ય સંકલન સંકુલ સહિત વિવિધ સંયોજનો બનાવે છે.

મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ

1. હવા/ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા

• ઓરડાના તાપમાને: ભેજવાળી હવામાં કોપર ધીમે ધીમે ઝાંખું પડે છે, કારણ કે બેઝિક કોપર કાર્બોનેટ (વર્ડીગ્રિસ) બને છે. 2Cu(s) + H2O(l) + CO2(g) + O2(g) \rightarrow CuCO3·Cu(OH)2(s)
• હવામાં ગરમ ​​કરવાથી (પ્રબળતાથી): કાળો કોપર(II) ઓક્સાઇડ બનાવે છે. 2Cu(s) + O2(g) \rightarrow 2CuO(s)
• ઉચ્ચ તાપમાને (મર્યાદિત ઓક્સિજન/વધારાના Cu સાથે): લાલ કોપર(I) ઓક્સાઇડ બનાવે છે. 4Cu(s) + O2(g) \rightarrow 2Cu2O(s)

2. એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા

કોપર હાઇડ્રોજન કરતાં ઓછો પ્રતિક્રિયાશીલ છે અને મંદ HCl અથવા H2SO4 જેવા બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા કરતો નથી. જોકે, તે ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે.

• મંદ નાઈટ્રિક એસિડ સાથે: નાઈટ્રિક ઓક્સાઇડ વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. 3Cu(s) + 8HNO3(dilute) \rightarrow 3Cu(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)
• સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડ સાથે: નાઈટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. Cu(s) + 4HNO3(conc) \rightarrow Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)
• ગરમ, સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ સાથે: સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. Cu(s) + 2H2SO4(conc, hot) \rightarrow CuSO4(aq) + SO2(g) + 2H2O(l)

3. હેલોજન સાથે પ્રતિક્રિયા

• કોપર હેલોજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કોપર(II) હેલાઇડ્સ બનાવે છે. Cu(s) + Cl2(g) \rightarrow CuCl2(s) Cu(s) + Br2(l) \rightarrow CuBr2(s)

4. વિસ્થાપન પ્રતિક્રિયાઓ

કોપર તેમના ક્ષારના દ્રાવણમાંથી ઓછા પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓને વિસ્થાપિત કરી શકે છે.

• ચાંદીનું વિસ્થાપન: Cu(s) + 2AgNO3(aq) \rightarrow Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)

5. સંકુલ રચના

કોપર(II) આયનો એમોનિયા સાથે ટેટ્રાએમાઇનકોપર(II) આયનના નિર્માણને કારણે લાક્ષણિક ઘેરા વાદળી દ્રાવણો બનાવે છે.

• CuSO4(aq) + 4NH3(aq) \rightarrow [Cu(NH3)4]SO4(aq)

ઔદ્યોગિક અને જૈવિક મહત્વ

ઔદ્યોગિક મહત્વ

• ઇલેક્ટ્રિકલ ઉદ્યોગ: કોપરની ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતા તેને ઇલેક્ટ્રિકલ વાયરિંગ, કેબલ અને ઘટકો માટે પ્રાથમિક સામગ્રી બનાવે છે.
• મિશ્ર ધાતુઓ: અસંખ્ય મિશ્ર ધાતુઓમાં આવશ્યક ઘટક:
  • પિત્તળ (Brass): (કોપર + ઝીંક) - પ્લમ્બિંગ, સંગીતનાં સાધનો, સુશોભન વસ્તુઓમાં વપરાય છે.
  • કાંસ્ય (Bronze): (કોપર + ટીન) - શિલ્પો, બેરિંગ્સ, દરિયાઈ ફિટિંગ્સમાં વપરાય છે.
  • જર્મન સિલ્વર: (કોપર + ઝીંક + નિકલ) - કટલરી, દાગીનામાં વપરાય છે.
• નિર્માણ: તેની ટકાઉપણું અને કાટ પ્રતિકારને કારણે છત, પ્લમ્બિંગ અને સ્થાપત્ય એપ્લિકેશન્સમાં વપરાય છે.
• સિક્કા: ઐતિહાસિક રીતે અને હાલમાં સિક્કાઓમાં વપરાય છે.
• ઉત્પ્રેરણ: કોપર અને તેના સંયોજનો વિવિધ કાર્બનિક પ્રતિક્રિયાઓમાં ઉત્પ્રેરક તરીકે કાર્ય કરે છે, જેમ કે ફ્થાલોસાયનાઇન ડાયઝનું સંશ્લેષણ.

જૈવિક મહત્વ

• આવશ્યક ટ્રેસ તત્વ: કોપર બધા જીવંત સજીવો માટે મહત્વપૂર્ણ છે, જે ઓછી માત્રામાં જરૂરી છે.
• એન્ઝાઇમ કોફેક્ટર: તે ઘણા એન્ઝાઇમ્સનો મુખ્ય ઘટક છે, જેમાં શામેલ છે:
  • Cytochrome c oxidase: સેલ્યુલર શ્વસનમાં સામેલ છે.
  • Superoxide dismutase (SOD): કોષોને નુકસાનથી બચાવતો એક એન્ટીઑકિસડન્ટ એન્ઝાઇમ.
  • Tyrosinase: મેલાનિન ઉત્પાદનમાં સામેલ છે.
  • Lysyl oxidase: કોલેજન અને ઇલાસ્ટિન ક્રોસ-લિંકિંગ (જોડાણ પેશી નિર્માણ) માટે આવશ્યક છે.
• ઓક્સિજન પરિવહન: કેટલાક મોલસ્ક અને આર્થ્રોપોડ્સમાં, કોપર-યુક્ત પ્રોટીન Hemocyanin કરોડઅસ્થિધારી પ્રાણીઓમાં હિમોગ્લોબિન જેવું ઓક્સિજન વાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.
• આયર્ન ચયાપચય: આયર્નના શોષણ, પરિવહન અને ઉપયોગમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે.
• આરોગ્ય અસરો: કોપરની ઉણપ અને વધુ પડતો જથ્થો બંને ગંભીર સ્વાસ્થ્ય સમસ્યાઓ તરફ દોરી શકે છે.
  • Wilson’s disease: આનુવંશિક વિકાર જે યકૃત, મગજ અને અન્ય અવયવોમાં વધુ પડતા કોપરના સંચય તરફ દોરી જાય છે.
  • Menkes disease: આનુવંશિક વિકાર જે કોપરની ઉણપ તરફ દોરી જાય છે.