Которая относиться к цветным металлам, известна с давних пор. Ее производство было изобретено раньше, чем люди начали изготавливать железо. По предположениям произошло в результате ее доступности и достаточно простого извлечения из содержащих медь соединений и сплавов. Итак, давайте рассмотрим сегодня свойства и состав меди, страны мира-лидеры по производству меди, изготовление изделий из нее и особенности этих сфер.
Медь обладает высоким коэффициентом электропроводимости, что послужило росту ее ценности, как электротехнического материала. Если ранее на электропровод тратилось до половины всей произведенной в мире меди, то сейчас с этими целями используется алюминий, как более доступный металл. А сама медь становиться наиболее дефицитным цветным металлом.
В этом видео рассмотрен химический состав меди:
Структурный состав меди включает в себя множество кристаллов: , золото, кальций, серебро, и многие другие. Все металлы, входящие в ее структуру, отличаются относительной мягкостью, пластичностью и простотой обработки. Большинство таких кристаллов в сочетании с медью образуют твердые растворы с непрерывными рядами.
Элементарная ячейка данного металла представляет собой кубическую форму. На каждую такую ячейку приходится по четыре атома, располагающихся на вершинах и центральной части грани.
Состав меди в процессе ее производства может включать в себя ряд примесей, которые влияют на структуру и характеристики конечного продукта. При этом их содержание должно регулироваться как по отдельным элементам, так и по их суммарному количеству. К примесям, которые встречаются в составе меди, можно отнести:
Медь производится из сульфидных руд, которые содержат эту медь в объеме минимум 0,5%. В природе существует около 40 минералов, содержащих данный металл. Наиболее распространенным сульфидным минералом, который активно используется в производстве меди, является халькопирит.
Для производства 1 т меди необходимо взять огромное количество сырья, которое ее содержит. Взять, к примеру, производство чугуна, для получения этого металла в объеме 1 тонны потребуется переработать около 2,5 т железной руды. А для получения такого же количества меди потребуется обработка до 200 т руды ее содержащей.
Видео ниже расскажет о добыче меди:
Производство меди включает в себя ряд этапов:
Про заводы и центры производства меди в России и в мире читайте ниже.
На территории России действует всего четыре наибольших предприятия по добыче и производству меди:
Первые две компании входят в состав известнейшего холдинга «УГМК», который включает в себя около 40 промышленных предприятий. Он производит более 40% всей меди в нашей стране. Последние два завода принадлежат Русской медной компании.
Видеоролик ниже расскажет о производстве меди:
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с Медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и ее сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры. Благодаря легкой восстановимости оксидов и карбонатов Медь была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах. Латинское название Меди происходит от названия острова Кипр, где древние греки добывали медную руду. В древности для обработки скальной породы ее нагревали на костре и быстро охлаждали, причем порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется Медь, и шлака (сплава окислов).
Распространение Меди в природе. Среднее содержание Меди в земной коре (кларк) 4,7·10 -3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, ее больше (1·10 -2 %), чем в верхней (2·10 -3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды Меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов Меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная Медь, карбонаты и оксиды.
Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание Меди в живом веществе 2·10 -4 %, известны организмы - концентраторы Меди. В таежных и других ландшафтах влажного климата Медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит Меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) Медь малоподвижна; на участках месторождений Медь наблюдается ее избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.
В речной воде очень мало Меди, 1·10 -7 %. Приносимая в океан со стоком Медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько обогащены Медью (5,7·10 -3 %), а морская вода резко недосыщена Медью (3·10 -7 %).
В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление Меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд Меди в песчаниках.
Физические свойства Меди. Цвет Меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см 3 (20 °С). Атомный радиус 1,28 Å; ионные радиусы Cu + 0,98 Å; Сu 2 + 0,80 Å; t пл 1083 °С; t кип 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства Меди: высокая теплопроводность - при 20 °С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20 °С 1,68·10 -8 ом·м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0·10 -6 . Давление паров над Медью ничтожно, давление 133,322 н/м 2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10 -6 . Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м 2 (т. е. 35 кгс/мм 2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м 2 (т. е. 22 кгс/мм 2); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·10 3 Мн/м 2 (т.е. 13,2·10 3 кгс/мм 2). Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м 2 , при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3% . Отжиг наклепанной Меди следует проводить при 600-700 °С. Небольшие примеси Bi (тысячные доли%) и Рb (сотые доли%) делают Медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.
Химические свойства Меди. По химическим свойствам Медь занимает промежуточное положение между элементами первой триады VIII группы и щелочными элементами I группы системы Менделеева. Медь, как и Fe, Co, Ni, склонна к комплексообразованию, дает окрашенные соединения, нерастворимые сульфиды и т. д. Сходство с щелочными металлами незначительно. Так, Медь образует ряд одновалентных соединений, однако для нее более характерно 2-валентное состояние. Соли одновалентной Медь в воде практически нерастворимы и легко окисляются до соединений 2-валентной Меди; соли 2-валентной Меди, напротив, хорошо растворимы в воде и в разбавленных растворах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы Cu 2+ окрашены в голубой цвет. Известны также соединения, в которых Медь 3-валентна. Так, действием пероксида натрия на раствор куприта натрия Na 2 CuO 2 получен оксид Сu 2 О 3 - красный порошок, начинающий отдавать кислород уже при 100 °С. Сu 2 О 3 - сильный окислитель (например, выделяет хлор из соляной кислоты).
Химическая активность Меди невелика. Компактный металл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и СО 2 на поверхности Меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При нагревании Меди на воздухе идет поверхностное окисление; ниже 375 °С образуется СuО, а в интервале 375-1100 °С при неполном окислении Медь - двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится СuО, а во внутреннем - Сu 2 О. Влажный хлор взаимодействует с Медью уже при обычной температуре, образуя хлорид СuCl 2 , хорошо растворимый в воде. Медь легко соединяется и с других галогенами. Особое сродство проявляет Медь к сере и селену; так, она горит в парах серы. С водородом, азотом и углеродом Медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твердой Медь незначительна и при 400 °С составляет 0,06 мг в 100 г Меди. Водород и других горючие газы (СО, СН 4), действуя при высокой температуре на слитки Меди, содержащие Сu 2 О, восстановляют ее до металла с образованием СО 2 и водяного пара. Эти продукты, будучи нерастворимыми в Меди, выделяются из нее, вызывая появление трещин, что резко ухудшает механические свойства Меди.
При пропускании NН 3 над раскаленной Медью образуется Cu 3 N. Уже при температуре каления Медь подвергается воздействию оксидов азота, а именно NO, N 2 O (с образованием Сu 2 О) и NO 2 (с образованием СuО). Карбиды Сu 2 С 2 и СuС 2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы солей Меди. Нормальный электродный потенциал Меди для реакции Сu 2+ + 2е -> Сu равен +0,337 в, а для реакции Сu + + е ->Сu равен +0,52 в. Поэтому Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используется железо) и не растворяется в кислотах-неокислителях. В азотной кислоте Медь растворяется с образованием Cu(NO 3) 2 и оксидов азота, в горячей концентрированной H 2 SO 4 -с образованием CuSO 4 и SO 2 , в нагретой разбавленной H 2 SO 4 - при продувании через раствор воздуха. Все соли Меди ядовиты.
Медь в двух- и одновалентном состоянии образует многочисленные весьма устойчивые комплексные соединения. Примеры комплексных соединений одновалентной Меди: (NH 4) 2 CuBr 3 ; K 3 Cu(CN) 4 - комплексы типа двойных солей; Cl и другие. Примеры комплексных соединений 2-валентной Меди: CsCuCl 3 , K 2 CuCl 4 - тип двойных солей. Важное промышленное значение имеют аммиачные комплексные соединения Меди: [Сu (NH 3) 4 ] SO 4 , [Сu (NH 3) 2 ] SO 4 .
Получение Меди. Медные руды характеризуются невысоким содержанием Меди. Поэтому перед плавкой тонкоизмельченную руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основные массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты.
В мировой практике 80% Медь извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства Меди к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, Медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а оксиды образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.
На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м 2 и более (30 м х 10 м); необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (природный газ, мазут) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).
Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основные массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому все больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскаленную до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка).
Богатые кусковые сульфидные руды (2-3% Сu) с высоким содержанием серы (35-42% S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медносерная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO 2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.
Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu 2 S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания оксидов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической Меди и SO 2 . Эту черновую Медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую Медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде оксидов переходят в шлак, а сера (в виде SO 2) удаляется с газами. После удаления шлака Медь для восстановления растворенной в ней Cu 2 О "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых березовых или сосновых бревен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO 4 , подкисленным H 2 SO 4 . Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая Медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную Медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Те и других ценные спутники Медь концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой. Никель концентрируется в электролите; выводя часть растворов на упаривание и кристаллизацию, можно получить Ni в виде никелевого купороса.
Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллургические методы получения Меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H 2 SO 4 или аммиака. Из раствора Медь либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения Меди растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.
Применение Меди. Большая роль Меди в технике обусловлена рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью. Благодаря этим свойствам Медь - основные материал для проводов; свыше 50% добываемой Меди применяют в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность Меди, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9% Cu. Высокие теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из Меди ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и т. п. Около 30-40% Меди используют в виде различных сплавов, среди которых наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50% Zn) и различные виды бронз: оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. Кроме нужд тяжелой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество Меди (главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве искусственного шелка.
Медь как художественный материал используется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из Меди и сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Легкость обработки Меди (обусловленная ее мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия из Меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют, тонируют, украшают эмалью. С 15 века Медь применяется также для изготовления печатных форм.
Медь в организме. Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная биохимическая функция Меди - участие в ферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов. Количество Меди в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05% (на сухое вещество) и зависит от вида растения и содержания Меди в почве. В растениях Медь входит в состав ферментов-оксидаз и белка пластоцианина. В оптимальных концентрациях Медь повышает холодостойкость растений, способствует их росту и развитию. Среди животных наиболее богаты Медью некоторые беспозвоночные (у моллюсков и ракообразных в гемоцианине содержится 0,15-0,26% Меди). Поступая с пищей, Медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови - альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка церулоплазмина возвращается в кровь и доставляется к органам и тканям.
Содержание Меди у человека колеблется (на 100 г сухой массы) от 5 мг в печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела - от 100 мкг (на 100 мл) в крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего Меди в организме взрослого человека около 100 мг. Медь входит в состав ряда ферментов (например, тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Малые дозы Меди влияют на обмен углеводов (снижение содержания сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества фосфора) и других. Увеличение содержания Меди в крови приводит к превращению минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.
При недостатке Меди злаковые растения поражаются так называемых болезнью обработки, плодовые - экзантемой; у животных уменьшаются всасывание и использование железа, что приводит к анемии, сопровождающейся поносом и истощением. Применяются медные микроудобрения и подкормка животных солями Меди. Отравление Медью приводит к анемии, заболеванию печени, болезни Вильсона. У человека отравление возникает редко благодаря тонким механизмам всасывания и выведения Меди. Однако в больших дозах Медь вызывает рвоту; при всасывании Медь может наступить общее отравление (понос, ослабление дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).
В медицине сульфат Меди применяют как антисептическое и вяжущее средство в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей для лечения трахомы. Раствор сульфата Медь используют также при ожогах кожи фосфором. Иногда сульфат Меди применяют как рвотное средство. Нитрат Меди употребляют в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.
Медь называют одним из первых металлов, которые человек освоил в древности и пользуется им до сегодняшнего дня. Добыча меди была доступной, потому что руду необходимо было плавить при сравнительно невысокой температуре. Первой рудой, из которой стали добывать медь, была малахитовая руда (calorizator). Каменный век в истории человечества сменился именно медным, когда предметы быта, орудия труда и оружие из меди получили самое широкое распространение.
Медь является элементом XI группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 29 и атомную массу 63,546. Принятое обозначение - Cu (от латинского Cuprum).
Медь достаточно широко представлена в земной коре, в осадочных породах, в водах морских и пресных водоёмах, в сланцах. Распространена как в виде соединений, так и в самостоятельном варианте.
Медь является пластичным, так называемым переходным металлом, имеет золотисто-розовый цвет. При контакте с воздухом на поверхности меди образуется оксидная плёнка, придающая металлу желтовато-красный оттенок. Известны основные сплавы меди - с цинком (латунь), с оловом (бронза), с никелем (мельхиор).
Потребность в меди у взрослого человека составляет 2 мг в день (около 0,035 мг/ 1 кг веса).
Медь - один из самых важных микроэлементов для организма, поэтому продукты питания, богатые медью, должны быть в рационе каждого. Это:
Признаками недостаточного количества меди в организме служат: анемия и ухудшение дыхания, потеря аппетита, расстройства желудка, нервозность, депрессивные состояния, быстрая утомляемость, нарушения пигментации кожи и волос, ломкость и выпадение волос, сыпи на кожных покровах, частые инфекции. Возможны внутренние кровотечения.
Переизбыток меди характеризуется бессонницей, нарушениями мозговой активности, эпилепсией, проблемами с менструальным циклом.
Предполагается, что медь и конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента.
Медь имеет огромное значение в народном хозяйстве, её основное применение - электротехника, но металл широко используется для чеканки монет, часто - в произведениях искусства. Медь также используется в медицине, архитектуре и строительстве.
Требуется для превращения организма в гемоглобин. Делает возможным использование аминокислоты тирозин, позволяя ей проявлять свое действие как фактору пигментации волос и кожи. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина. Медь также участвует в процессах роста и размножения. Принимает участие в образовании коллагена и эластина и синтезе эндорфинов - гормонов «счастья».
МЕДЬ (лат. Cuprum), Cu (читается «купрум»), химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.
Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов 63 Cu (69,09% по массе) и 65 Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди 3s 2 p 6 d 10 4s 1 . Образует соединения в степенях окисления +2 (валентность II) и +1 (валентность I), очень редко проявляет степени окисления +3 и +4.
В периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au) .
Радиус нейтрального атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu + от 0,060 нм (координационное число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu 2+ от 0,071 нм (координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ. Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов. Стандартный электродный потенциал Cu/Cu 2+ 0,339 В. В ряду стандартных потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни из кислот водорода не вытесняет.
Простое вещество медь красивый розовато-красный пластичный металл.
Название: латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого слова в русском языке нет.
Физические и химические свойства: кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, параметр решетки а = 0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см 3 , температура плавления 1083,4°C, температура кипения 2567°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10 3 Ом·м).
В сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH) 2 ·CuCO 3 . Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Для создания на художественных предметах «налета старины» на них наносят слой меди, который затем специально патинируется.
При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu 2 O, затем оксид CuO.
Красновато-коричневый оксид меди (I) Cu 2 O при растворении в бромо- и иодоводородной кислотах образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При взаимодействии Cu 2 O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат меди:
Cu 2 O + H 2 SO 4 = Cu + CuSO 4 + H 2 O.
При нагревании на воздухе или в кислороде Cu 2 O окисляется до CuO, при нагревании в токе водорода - восстанавливается до свободного металла.
Черный оксид меди (II) CuO, как и Cu 2 O, c водой не реагирует. При взаимодействии CuO с кислотами образуются соли меди (II):
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O
При сплавлении со щелочами CuO образуются купраты, например:
CuO + 2NaOH = Na 2 CuO 2 + H 2 O
Нагревание Cu 2 O в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:
Cu 2 O = CuO + Cu.
Такие восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие восстанавливают CuO до свободной меди, например:
CuO + СО = Cu + СО 2 .
Кроме оксидов меди Cu 2 O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu 2 O 3 , обладающий сильными окислительными свойствами.
Медь реагирует с галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с медью с образованием темно-коричневого дихлорида CuCl 2 . Существуют также дифторид меди CuF 2 и дибромид меди CuBr 2 , но дииодида меди нет. И CuCl 2 , и CuBr 2 хорошо растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и образуют голубые растворы.
При реакции CuCl 2 с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый в воде хлорид меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной соляной кислоте, причем образуются комплексные анионы , 2 и [СuCl 4 ] 3 , например за счет процесса:
CuCl + НCl = H
При сплавлении меди с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu 2 S. Сульфид меди (II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через раствор соли меди (II):
H 2 S + CuSO 4 = CuS + H 2 SO 4
C водородом, азотом, графитом, кремнием медь не реагирует. При контакте с водородом медь становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди) из-за растворения водорода в этом металле.
В присутствии окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с соляной кислотой и разбавленной серной кислотой, но водород при этом не выделяется:
2Cu + 4HCl + O 2 = 2CuCl 2 + 2H 2 O.
С азотной кислотой различных концентраций медь реагирует довольно активно, при этом образуется нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например, с 30%-й азотной кислотой реакция меди протекает так:
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
С концентрированной серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.
Практическое значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):
2FeCl 3 + Cu = CuCl 2 + 2FeCl 2
Этот процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы меди Cu 2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава 2+ . При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С 2 Н 2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC 2 .
Гидроксид меди Cu(OH) 2 характеризуется преобладанием основных свойств. Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, например:
Сu(OH) 2 + 2HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O.
Но Сu(OH) 2 реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом образуются соответствующие купраты, например:
Сu(OH) 2 + 2NaOH = Na 2
Если в медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH) 2 или основного сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается растворение целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы. Из этого раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят применение при производстве бельевого трикотажа и различных тканей.
Нахождение в природе: в земной коре содержание меди составляет около 5·10 3 % по массе. Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит, или медный колчедан, CuFeS 2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu 2 S (79,8% меди), борнит Cu 5 FeS 4 (52-65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu 2 O, (81,8% меди), малахит CuCO 3 ·Cu(OH) 2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.
Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо (Fe) , цинк (Zn) , свинец (Pb) , и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10 8 % меди.
Получение: промышленное получение меди сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18-45% меди по массе) подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок - твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до 40-50%. Далее штейн подвергают конвертированию через расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый флюс (песок SiO 2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа SO 2:
2FeS + 3O 2 + 2SiO 2 = 2FeSiO 3 + 2SO 2
Одновременно сульфид меди (I) Cu 2 S окисляется:
2Cu 2 S + 3О 2 = 2Cu 2 О + 2SO 2
2Cu 2 О + Cu 2 S = 6Cu + SО 2
В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки. На заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.
Применение: медь, как полагают, первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.
С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.
Большое значение имеют медные сплавы латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами оловом (Sn) , алюминием (Al) , берилием (Be) , свинцом (Pb) , кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и никеля (Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием (Al) и медь с никелем (Ni)) применяют для чеканки монет «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота.
Биологическая роль: медь присутствует во всех организмах и принадлежит к числу микроэлементов , необходимых для их нормального развития (см. Биогенные элементы). В растениях и животных содержание меди варьируется от 10 15 до 10 3 %. Мышечная ткань человека содержит 1·10 3 % меди, костная ткань (1-26)·10 4 %, в крови присутствует 1,01 мг/л меди. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг меди. Основная роль меди в тканях растений и животных - участие в ферментативном катализе. Медь служит активатором ряда реакций и входит в состав медьсодержащих ферментов, прежде всего оксидаз, катализирующих реакции биологического окисления. Медьсодержащий белок пластоцианин участвует в процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий белок, гемоцианин, выполняет роль гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так как медь токсична, в животном организме она находится в связанном состоянии. Значительная ее часть входит в состав образующегося в печени белка церулоплазмина, циркулирующего с током крови и деставляющего медь к местам синтеза других медьсодержащих белков. Церулоплазмин обладает также каталитической активностью и участвует в реакциях окисления. Медь необходима для осуществления различных функций организма дыхания, кроветворения (стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина), обмена углеводов и минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как растений, так и животных и человека. С пищей человек ежедневно получает 0,5-6 мг меди.
Древние греки называли этот элемент халкосом, на латинском она именуется cuprum (Сu) или aes, а средневековые алхимики именовали этот химический элемент не иначе как Марс или Венера. Человечество давно познакомилось с медью за счет того, что в природных условиях ее можно было встретить в виде самородков, имеющих зачастую весьма внушительные размеры.
Легкая восстанавливаемость карбонатов и окислов данного элемента поспособствовала тому, что именно его, по мнению многих исследователей, наши древние предки научились восстанавливать из руды раньше всех остальных металлов.
Сначала медные породы просто-напросто нагревали на открытом огне, а затем резко охлаждали. Это приводило к их растрескиванию, что давало возможность выполнять восстановление металла.
Освоив столь нехитрую технологию, человек начал постепенно развивать ее. Люди научились вдувать при помощи мехов и труб в костры воздух, затем додумались устанавливать вокруг огня стены. В конце концов, была сконструирована и первая шахтная печь.
Многочисленные археологические раскопки позволили установить уникальный факт – простейшие медные изделия существовали уже в 10 тысячелетии до нашей эры! А более активно медь начала добываться и использоваться через 8–10 тысяч лет. Именно с тех пор человечество применяет этот уникальный по многим показателям (плотность, удельный вес, магнитные характеристики и так далее) химический элемент для своих нужд.
В наши дни медные самородки встречаются крайне редко. Медь добывают из различных , среди которых можно выделить следующие:
Также купрум добывают из малахита, куприта, иных оксидных руд и еще без малого из 20 минералов, содержащих ее в различных количествах.
В простом виде описываемый элемент представляет собой металл розовато-красного оттенка, характеризуемый высокими пластичными возможностями. Природный купрум включает в себя два нуклида со стабильной структурой.
Радиус положительно заряженного иона меди имеет следующие значения:
А нейтральный атом элемента характеризуется радиусом 0,128 нм и сродством к электрону 1,8 эВ. При последовательной ионизации атом имеет величины от 7,726 до 82,7 эВ.
Купрум является переходным металлом, поэтому он имеет переменные степени окисления и малый показатель электроотрицательности (1,9 единиц по шкале Полинга). (коэффициент) равняется 394 Вт/(м*К) при температурном интервале от 20 до 100 °С. Электропроводность меди (удельный показатель) составляет максимум 58, минимум 55,5 МСм/м. Более высокой величиной характеризуется лишь серебро, электропроводность других металлов, в том числе и алюминия, ниже.
Медь не может вытеснять водород из кислот и воды, так как в стандартном потенциальном ряду она стоит правее водорода. Описываемый металл характеризуется гранецентрированной кубической решеткой с величиной 0,36150 нм. Кипит медь при температуре 2657 градусов, плавится при температуре чуть больше 1083 градусов, а ее плотность равняется 8,92 грамм/кубический сантиметр (для сравнения – плотность алюминия равняется 2,7).
Другие механические свойства меди и важные физические показатели:
Магнитные свойства меди в какой-то мере уникальны. Элемент полностью диамагнитен, показатель его магнитной атомной восприимчивости составляет всего лишь 0,00000527 ед. Магнитные характеристики меди (впрочем, как и все ее физические параметры – вес, плотность и пр.) обуславливают востребованность элемента для изготовления электротехнических изделий. Примерно такие же характеристики имеются и у алюминия, поэтому они с описываемым металлом составляют "сладкую парочку", используемую для производства проводниковых деталей, проводов, кабелей.
Многие механические показатели меди изменить практически нереально (те же магнитные свойства, например), а вот предел прочности рассматриваемого элемента можно улучшить посредством выполнения наклепа. В данном случае он повысится примерно в два раза (до 420–450 МН/м2).
Купрум в системе Менделеева включен в группу благородных металлов (IB), находится он в четвертом периоде, имеет 29 порядковый номер, имеет склонность к комплексообразованию. Химические характеристики меди не менее важны, чем ее магнитные, механические и физические показатели, будь то ее вес, плотность либо иная величина. Поэтому мы будем говорить о них подробно.
Химическая активность купрума мала. Медь в условиях сухой атмосферы изменяется незначительно (можно даже сказать, что почти не изменяется). А вот при повышении влажности и наличии в окружающей среде углекислого газа на ее поверхности обычно формируется пленка зеленоватого оттенка. В ней присутствует CuCO3 и Cu(OH)2, а также различные сернистые медные соединения. Последние образовываются из-за того, что в воздухе практически всегда есть некоторое количество сероводорода и сернистого газа. Указанную зеленоватую пленку именуют патиной. Она защищает от разрушения металл.
Если медь нагреть на воздухе, начнутся процессы окисления ее поверхности. При температурах от 375 до 1100 градусов в результате окисления образуется двухслойная окалина, а при температуре до 375 градусов – оксид меди. При обычной же температуре обычно наблюдается соединение Cu с влажным хлором (итог такой реакции – появление хлорида).
С иными элементами группы галогенов медь также взаимодействует достаточно легко. В парах серы она загорается, высокий уровень сродства она имеет и к селену. Зато с углеродом, азотом и водородом Сu не соединяется даже при повышенных температурах. При контакте оксида меди с серной кислотой (разбавленной) получается сульфат и чистая медь, с иодоводородной и бромоидоводородной кислотой – иодид и бромид меди соответственно.
Если же оксид соединить с той или иной щелочью, результатом химической реакции станет появление купрата. А вот самые известные восстановители (оксид углерода, аммиак, метан и другие) способны восстановить купрум до свободного состояния.
Практический интерес представляет способность этого металла вступать в реакцию с солями железа (в виде раствора). В этом случае фиксируется восстановление железа и переход Cu в раствор. Данная реакция применяется для снятия с декоративных изделий напыленного слой меди.
В одно- и двухвалентных формах медь способна создавать комплексные соединения с высоким показателем устойчивости. К таким соединениям относят аммиачные смеси (они представляют интерес для промышленных предприятий) и двойные соли.
Главная сфера применения алюминия и меди известна, пожалуй, всем. Из них делают разнообразные кабели, в том числе и силовые. Способствует этому малое сопротивление алюминия и купрума, их особые магнитные возможности. В обмотках электрических приводов и в трансформаторах (силовых) широко используются медные провода, которые характеризуются уникальной чистотой меди, являющейся исходным сырьем для их выпуска. Если в такое чистейшее сырье добавить всего лишь 0,02 процента алюминия, электропроводимость изделия уменьшится процентов 8–10.
Сu, имеющий высокую плотность и прочность, а также малый вес, прекрасно поддается механической обработке. Это позволяет производить отличные медные трубы, которые демонстрируют свои высокие эксплуатационные характеристики в системах подачи газа, отопления, воды. Во многих европейских государствах именно медные трубы используются в подавляющем большинстве случаев для обустройства внутренних инженерных сетей жилых и административных строений.
Мы много сказали об электропроводимости алюминия и меди. Не забудем и об отличной теплопроводности последней. Данная характеристика дает возможность использовать медь в следующих конструкциях:
Плотность и небольшой вес медных материалов и сплавов обусловили и их широкое применение в архитектуре.
Понятно, что плотность меди, ее вес и всевозможные химические и магнитные показатели, по большому счету, мало интересуют обычного человека. А вот целебные свойства меди хотят узнать многие.
Древние индийцы применяли медь для лечения органов зрения и различных недугов кожных покровов. Древние греки излечивали медными пластинками язвы, сильную отечность, синяки и ушибы, а также и более серьезные болезни (воспаления миндалин, врожденную и приобретенную глухоту). А на востоке медный красный порошок, растворенный в воде, применялся для восстановления сломанных костей ног и рук.
Лечебные свойства меди были хорошо известны и россиянам. Наши предки излечивали с помощью этого уникального металла холеру, эпилепсию, полиартриты и радикулиты. В настоящее время для лечения обычно используются медные пластинки, которые накладываются на специальные точки на теле человека. Целебные свойства меди при такой терапии проявляются в следующем:
