Cu применение. Медь как металл и сырье в строительстве: ее особенности и нюансы обработки

Медь - один из первых металлов, которые человек начал применять для технических целей. Вместе с золотом, серебром, железом, оловом, свинцом и ртутью, медь известна людям с древнейших времен и сохраняет свое важное техническое значение до наших дней.

Медь или Сu(29)

Медь - металл розово-красного цвета, относится к группе тяжелых металлов, является отличным проводником тепла и электрического тока. Электропроводность меди в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и в 6 раз выше, чем у железа.

Латинское название меди Cuprum произошло от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники и выплавлялась медь. Около II - III в. выплавка меди производилась в широком масштабе в Египте, в Месопотамии, на Кавказе, в других странах древнего мира. Но, тем не менее, медь - далеко не самый распространенный в природе элемент: содержание меди в земной коре составляет 0,01%, а это лишь 23-е место среди всех встречающихся элементов.

Получение меди

В природе медь присутствует в виде сернистых соединений, оксидов, гидрокарбонатов, углекислых соединений, в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.

Наиболее распространенные руды - медный колчедан и медный блеск, содержащие 1-2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % - гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ - это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700-800°C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20-40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450°C.

С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200-1300°C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4 - 99,4 % меди, 0,01 - 0,04 % железа, 0,02 - 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0 - 99,7%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95%). Электролиз проводят в ваннах, где анод - из меди огневого рафинирования, а катод - из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Кроме этого, существуют технологии получения меди из лома. В частности, путем огневого рафинирования из лома получают рафинированную медь.
По чистоте медь делится на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

Химические свойства меди

Медь - малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной).

Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной).

Основные физические свойства меди

Механические свойства меди

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.

Применение меди

Такие свойства меди, как электропроводность и теплопроводность, обусло- вили основную область применения меди - электротехническая промыш- ленность, в частности, для изготовления проводов, электродов и т. д. Для этой цели применяется чистый металл (99,98-99,999%), прошедший электролитическое рафинирование.

Медь обладает многочисленными уникальными свойствами: устойчивостью к коррозии, хорошей технологичностью, достаточно долгим сроком службы, прекрасно сочетается с деревом, природным камнем, кирпичом и стеклом. Благодаря своим уникальным свойствам, с древнейших времен этот металл используется в строительстве: для кровли, украшения фасадов зданий и т. д. Срок службы медных строительных конструкций исчисляется сотнями лет. Кроме этого, из меди изготовлены детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами.

Очень важная область применения меди - производство сплавов. Один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов - латунь (или желтая медь). Ее главные составные части: медь и цинк. Добавки других элементов позволяют получать латуни с самыми разнообразными свойствами. Латунь тверже меди, она ковкая и вязкая, потому легко прокатывается в тонкие листы или выштамповывается в самые разнообразные формы. Одна беда: она со временем чернеет.

С древнейших времен известна бронза. Интересно, что бронза более легкоплавка по сравнению с медью, но по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Если еще 30-40 лет назад бронзой называли только сплавы меди с оловом, то сегодня уже известны алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, хромовые, циркониевые бронзы.

Медные сплавы, так же как и чистая медь, с давних пор используются для производства различных орудий, посуды, применяются в архитектуре и искусстве.

Медные чеканки и бронзовые статуи украшали жилище людей с древних времен. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Большими мастерами в области бронзового литья были японцы. Гигантская фигура Будды в храме Тодайдзи, созданная в VIII веке, весит более 400 тонн. Чтобы отлить такую статую, требовалось поистине выдающееся мастерство.

Среди товаров, которыми торговали в далекие времена александрийские купцы, большой популярностью пользовалась "медная зелень". С помощью этой краски модницы подводили зеленые круги под глазами - в те времена это считалось проявлением хорошего вкуса.

С древних времен люди верили в чудодейственные свойства меди и исполь- зовали этот металл при лечении многих недугов. Считалось, что медный браслет, одетый на руку, приносит своему владельцу удачу и здоровье, нормализует давление, препятствует отложению солей.

Многие народы и в настоящее время приписывают меди целебные свойст- ва. Жители Непала, например, считают медь священным металлом, который способствует сосредоточению мыслей, улучшает пищеварение и лечит желудочно-кишечные заболевания (больным дают пить воду из стакана, в котором лежат несколько медных монет). Один из самых больших и красивых храмов в Непале носит название "Медный".

Был случай, когда медная руда стала... виновником аварии, которую потер- пело норвежское грузовое судно "Анатина". Трюмы теплохода, направляв- шегося к берегам Японии, были заполнены медным концентратом. Внезапно прозвучал сигнал тревоги: судно дало течь.

Оказалось, что медь, содержащаяся в концентрате, образовала со сталь- ным корпусом "Анатины" гальваническую пару, а испарения морской воды послужили электролитом. Возникший гальванический ток разъел обшивку судна до такой степени, что в ней появились дыры, куда и хлынула океан- ская вода.

Медь - элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) - это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.

История и происхождение названия

Медь - один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом - бронзы для изготовления оружия и т. п. (см бронзовый век).
Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.
У Страбона медь именуется халкосом, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник. Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков производят русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) от древненемецкого smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). Конечно, родство корней в данном случае несомненно, однако, оба эти слова произведены от греч. рудник, копь независимо друг от друга. От этого слова произошли и родственные названия - медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь венера (Venus). В более древние времена встречается название марс (Mars).

Физические свойства

Медь - золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.
Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.
Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра).
Имеет два стабильных изотопа - 63 Cu и 65 Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64 Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.
Существует ряд сплавов меди: латуни - с цинком, бронзы - с оловом и другими элементами, мельхиор - с никелем, баббиты - со свинцом и другие.

Химические свойства

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не реагирует с водой, разбавленной соляной кислотой. Переводится в раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Реагирует при нагревании с галогеноводородами.

Современные способы добычи

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % - гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ - это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.
Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.
Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700-800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.
После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20-40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 °C.
С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200-1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4 - 99,4 % меди, 0,01 - 0,04 % железа, 0,02 - 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.
Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0 - 99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод - из меди огневого рафинирования, а катод - из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

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:

• борнит (в нем купрума бывает до 65 %);
• медный блеск (он же халькозин) с содержанием меди до 80 %;
• медный колчедан (иначе говоря – халькоперит), содержащий порядка 30 % интересующего нас химического элемента;
• ковеллин (в нем Cu бывает до 64 %).

Также купрум добывают из малахита, куприта, иных оксидных руд и еще без малого из 20 минералов, содержащих ее в различных количествах.

2

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:

• при координационном показателе 6 – до 0,091 нм;
• при показателе 2 – до 0,060 нм.

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:

• давление при 1628 °С – 1 мм рт. ст.;
• термическая величина расширения (линейного) – 0,00000017 ед.;
• при растяжении достигается предел прочности равный 22 кгс/мм2;
• твердость меди – 35 кгс/мм2 (шкала Бринелля);
• удельный вес – 8,94 г/см3;
• модуль упругости – 132000 Мн/м2;
• удлинение (относительное) – 60 %.

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).

3

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.

4

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:

• в тепловых трубках;
• в кулерах персональных компьютеров;
• в отопительных системах и системах охлаждения воздуха;
• в теплообменниках и многих других устройствах, отводящих тепло.

Плотность и небольшой вес медных материалов и сплавов обусловили и их широкое применение в архитектуре.

5

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:

• защитный потенциал организма человека возрастает;
• инфекционные болезни не страшны тем, кто лечится медью;
• наблюдается снижение болевых ощущений и снятие воспалительных явлений.

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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Медь - двадцать девятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cu от латинского «cuprum». Расположен в четвертом периоде, IB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 29.

Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются: халькозин, или медный блеск Cu 2 S; халькопирит, или медный колчедан CuFeS 2 ; малахит (CuOH) 2 CO 3 .

Чистая медь - тягучий вязкий металл светло-розового цвета (рис. 1), легко прокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит теплоту и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди боле темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налетом карбоната гидроксомеди (CuOH) 2 CO 3 .

Рис. 1. Медь. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса меди

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cu, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 63,546.

Изотопы меди

Известно, что в природе медь может находиться в виде двух стабильных изотопов 63 Cu (69,1%) и 65 Cu (30,9%). Их массовые числа равны 63 и 65 соответственно. Ядро атома изотопа меди 63 Cu содержит двадцать девять протонов и тридцать четыре нейтрона, а изотоп 65 Cu - столько же протонов и тридцать шесть нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы меди с массовыми числами от 52-х до 80-ти, а также семь изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 67 Cu с периодом полураспада равным 62 часа.

Ионы меди

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов меди выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 .

В результате химического взаимодействия медь отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Cu 0 -1e → Cu + ;

Cu 0 -2e → Cu 2+ .

Молекула и атом меди

В свободном состоянии медь существует в виде одноатомных молекул Cu. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу меди:

Сплавы меди

Важнейшими сплавами меди с другими металлами являются латуни (сплавы меди с цинком), медноникелевые сплавы и бронзы.

Медноникелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся мельхиоры и нейзильберы. Мельхиоры содержат 20-30% никеля и небольшие количества железа и марганца, а нейзильберы содержат 5-35% никеля и 13-45% цинка. К электротехническим медноникелевым сплавам относятся константан (40% никеля, 1,5% марганца), манганин (3% никеля и 12% марганца) и копель (43% никеля и 0,5% марганца).

Бронзы подразделяются по основному входящему в их состав компоненту (кроме меди) на оловянные, алюминиевые, кремнистые и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2