Медь и ее химические свойства. Металлическая медь: описание элемента, свойства и применение

Медь - пластичный металл золотисто-розового цвета, который в чистом виде в природе встречается чаще, чем самородки золота или серебра. Но в основном медь добывают из медных руд - природных минеральных образований. Больше всего меди содержится в сульфидных рудах. В зонах окисления медь содержится в большинстве силикатов, карбонатов и оксидов. Находят медь и в осадочных породах: сланцах и медистых песчаниках.

Современной науке известно более 200 минералов, содержащих медь. В промышленности чаще всего используют металл, добытый из сульфатов, среди которых:

• Халькозин (79% меди);
• Борнит (до 65%);
• Халькопирит, или медный колчедан (около 35%).

Содержится медь и в медно-никелиевых соединениях. Самый известный из них - кубанит (до 45% меди). Из окисленных руд стоит отметить куприт (88%), малахит (до 58%), азурит (до 56%). Иногда встречаются залежи самородной меди.

Характеристики и виды меди

Медь - один из первых металлов, который стал использовать человек. Химический символ - Cu (купрум). Этот металл обладает высокой теплопроводностью, коррозийной стойкостью, электропроводностью. Медь плавится при низких температурах, превосходно поддается спайке, металл легко резать и обрабатывать.

Некоторые соединения меди могут быть токсичными для человека. Повышенное содержание меди в воде и пище может вызвать заболевания печени и желчного пузыря. Оставленные после добычи меди карьеры становятся источниками токсинов. Например, озеро Беркли Пит, образовавшееся в кратере бывшего медного рудника, считается самым токсичным озером в мире. Но, бактерицидные свойства меди несоизмеримо выше. Доказано, что медь помогает бороться с вирусами гриппа, уничтожает стафилококки.

В промышленности редко используют медь в чистом виде. Большее применение нашли сплавы:

• Латунь (сплав меди с цинком);
• Бронза (с оловом);
• Баббиты (со свинцом);
• Мельхиор (с никелем);
• Дюраль (с алюминием);
• Ювелирный сплав (с золотом).

Месторождения и добыча меди

Самое крупное месторождение меди в мире расположено в Чили - это карьер Эсконида. Здесь обнаружены огромные залежи самородной меди.

Другие крупные месторождения:

• Рудники на полуострове Кивино (США, штат Мичиган);
• Рудник "Чукикамата" в Чили (до 600 тыс. тонн в год);
• Рудник "Корокоро" Боливии;
• Рудник Гумишевский (Средний Урал, Россия) - ныне исчерпан;
• Долина реки Лёвиха (Средний Урал, Россия);
• Массив габбро (Италия).

По данным US Geological Survey крупнейшие залежи меди принадлежат Чили. Далее следуют США, Россия, Перу и Мексика.

Способы добычи меди:

• Открытый;
• Гидрометаллургический - когда медь выщелачивают из породы слабым раствором серной кислоты;
• Пирометаллургический - состоит из нескольких этапов (обогащение, обжиг, плавка на штейн, продувка и рафинирование).

Бережное отношение к медным рудам

Медные руды относятся к невозобновимым ресурсам, а поэтому их разработка требует бережного отношения, как в способах добычи, так и в промышленной переработке.

Всё больше промышленность становится требовательной к постоянным объёмам получаемых ресурсов, что приводит к их постепенному исчерпанию. Для этого нужно тщательнее контролировать добычу медных руд, наряду с другими невозобновляемыми ресурами, такими как нефть, природный газ, бережней и рациональней относится в использование, как в промышленных, так и в бытовом потреблении.

Применение меди

Медь - один из важнейших цветных металлов, который нашел применение практически во всех сферах жизнедеятельности человека.

• Электротехническая промышленность (провода, проволока);
• Машиностроение (стартер, стеклоподъемники, радиаторы, кулеры, подшипники);
• Судостроение (обшивка корпусов);
• Строительство (трубы, трубопроводы, кровельный и облицовочный материалы, ванны, смесители, раковины);
• В искусстве (ювелирные украшения, статуи, чеканки);
• В быту (кондиционеры, микроволновые печи, монеты, пищевые добавки, музыкальные инструменты).

Интересно, что Статуя Свободы изготовлена из меди. На ее сооружение потребовалось около 80 тонн металла. А в Непале медь считают священным металлом.

Медь широко используется в чистом виде и в виде сплавов в электротехнической и радиотехнической промышленности, где расходуется около 50% получаемой меди, в машиностроении и приборостроении, и военной технике. Чистая медь - металл розо­вого цвета с плотностью 8,93, температурой плавления 1084° С и температурой кипения 2582° С. Медь имеет высокую электро­проводность и теплопроводность, обладает хорошей ковкостью и тягучестью, легко прокатывается в тонкий лист и вытягивается в проволоку.

С давних пор известны и нашли широкое распространение сплавы меди с цинком - латуни и меди с оловом - бронзы. Латунь содержит от 10 до 30% 2п и в ряде случаев небольшие количества олова и свинца. Латуни хорошо обрабатываются, имеют более высокую по сравнению с медью механическую проч­ность и, кроме того, дешевле чистой меди. Бронза содержит до 20% Бп. Несмотря на относительно высокую твердость, бронзы хорошо обрабатываются и хорошо заполняют форму при литье. Бронзы обладают высокой устойчивостью к износу, небольшим коэффициентом трения и поэтому используются для приготовле­ния вкладышей подшипников, шестерен и других деталей. Бронза используется также в химическом производстве.

Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удель­ное сопротивление меди равно 0,018 Ом мм 2 /м, а тепло­проводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обла­дает ценными механическими свойствами - ковкостью и тягу­честью.

В присутствии воздуха, влаги и сернистого газа медь постепенно покрывается плотной зеленовато-серой пленкой основной серно-кислой соли, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Поэтому медь и ее сплавы находят широкое применение при строительстве линий электропередач и устройстве различного вида связи, в электромашинострое­нии и приборостроении, в холодильной технике (производст­во теплообменников охлаждающих устройств) и химическом машиностроении (изготовление вакуум-аппаратов, змееви­ков). Около 50 % всей меди расходует электропромышлен­ность. На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Ве, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами P, S, О и др. Область при­менения этих сплавов очень обширна. Многие из них обла­дают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы приме­няют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.

Например, широко применяют сплавы типа оловянных (4- 33 % Sn), свинцовых (~ 30 % Pb), алюминиевых (5-11 % Al), кремниевых (4-5 % Si) и сурьмяных бронз. Бронзы применяют для изготовления подшипников, теплообменников и других изделий в виде листа, прутков и труб в химической, бумаж­ной и пищевой промышленности.

Сплавы меди с хромом и порошковый сплав с вольфрамом идут на изготовление электродов и электроконтактов.

В химической промышленности и машиностроении также ши­роко применяют латунь - сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). Сплавы меди с фосфором (6-8 %) исполь­зуют в качестве припоев.

Известны два способа извлечения меди из руд и концентра­тов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел широкого применения. Его ис­пользуют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позвляет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Большую часть меди (85-90%) производят пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Одновременно решает­ся задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ про­изводства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой ме­ди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

Свойства меди, которая в природе встречается и в виде достаточно крупных самородков, люди изучили еще в древние времена, когда из этого металла и его сплавов делали посуду, оружие, украшения, различные изделия бытового назначения. Активное использование данного металла на протяжении многих лет обусловлено не только его особыми свойствами, но и простотой обработки. Медь, которая присутствует в руде в виде карбонатов и окислов, достаточно легко восстанавливается, что и научились делать наши древние предки.

Изначально процесс восстановления этого металла выглядел очень примитивно: медную руду просто нагревали на кострах, а затем подвергали резкому охлаждению, что приводило к растрескиванию кусков руды, из которых уже можно было извлекать медь. Дальнейшее развитие такой технологии привело к тому, что в костры начали вдувать воздух: это повышало температуру нагревания руды. Затем нагрев руды стали выполнять в специальных конструкциях, которые и стали первыми прототипами шахтных печей.

О том, что медь используется человечеством с древних времен, свидетельствуют археологические находки, в результате которых были найдены изделия из данного металла. Историками установлено, что первые изделия из меди появились уже в 10 тысячелетии до н.э, а наиболее активно она стала добываться, перерабатываться и использоваться спустя 8–10 тысяч лет. Естественно, предпосылками к такому активному использованию данного металла стали не только относительная простота его получения из руды, но и его уникальные свойства: удельный вес, плотность, магнитные свойства, электрическая, а также удельная проводимость и др.

В наше время уже сложно найти в виде самородков, обычно ее добывают из руды, которая подразделяется на следующие виды.

• Борнит - в такой руде медь может содержаться в количестве до 65%.
• Халькозин, который также называют медным блеском. В такой руде меди может содержаться до 80%.
• Медный колчедан, также называемый халькопиритом (содержание до 30%).
• Ковеллин (содержание до 64%).

Медь также можно извлекать из множества других минералов (малахит, куприт и др.). В них она содержится в разных количествах.

Физические свойства

Медь в чистом виде представляет собой металл, цвет которого может варьироваться от розового до красного оттенка.

Радиус ионов меди, имеющих положительный заряд, может принимать следующие значения:

• если координационный показатель соответствует 6-ти - до 0,091 нм;
• если данный показатель соответствует 2 - до 0,06 нм.

Радиус атома меди составляет 0,128 нм, также он характеризуется сродством к электрону, равном 1,8 эВ. При ионизации атома данная величина может принимать значение от 7,726 до 82,7 эВ.

Медь - это переходный металл, показатель электроотрицательности которого составляет 1,9 единиц по шкале Полинга. Кроме этого, его степень окисления может принимать различные значения. При температурах, находящихся в интервале 20–100 градусов, его теплопроводность составляет 394 Вт/м*К. Электропроводность меди, которую превосходит лишь серебро, находится в интервале 55,5–58 МСм/м.

Так как медь в потенциальном ряду стоит правее водорода, она не может вытеснять этот элемент из воды и различных кислот. Ее кристаллическая решетка имеет кубический гранецентрированный тип, величина ее составляет 0,36150 нм. Плавится медь при температуре 1083 градусов, а температура ее кипения - 26570. Физические свойства меди определяет и ее плотность, которая составляет 8,92 г/см3.

Из ее механических свойств и физических показателей стоит также отметить следующие:

• термическое линейное расширение - 0,00000017 единиц;
• предел прочности, которому медные изделия соответствуют при растяжении, составляет 22 кгс/мм2;
• твердость меди по шкале Бринелля соответствует значению 35 кгс/мм2;
• удельный вес 8,94 г/см3;
• модуль упругости составляет 132000 Мн/м2;
• значение относительного удлинения равно 60%.

Совершенно уникальными можно считать магнитные свойства данного металла, который является полностью диамагнитным. Именно эти свойства, наряду с физическими параметрами: удельным весом, удельной проводимостью и другими, в полной мере объясняют широкую востребованность данного металла при производстве изделий электротехнического назначения. Похожими свойствами обладает алюминий, который также успешно используется при производстве различной электротехнической продукции: проводов, кабелей и др.

Основную часть характеристик, которыми обладает медь, практически невозможно изменить, за исключением предела прочности. Данное свойство можно улучшить практически в два раза (до 420–450 МН/м2), если осуществить такую технологическую операцию, как наклеп.

Химические свойства

Химические свойства меди определяются тем, какое положение она занимает в таблице Менделеева, где она имеет порядковый номер 29 и располагается в четвертом периоде. Что примечательно, она находится в одной группе с благородными металлами. Это лишний раз подтверждает уникальность ее химических свойств, о которых следует рассказать более подробно.

В условиях невысокой влажности медь практически не проявляет химическую активность. Все меняется, если изделие поместить в условия, характеризующиеся высокой влажностью и повышенным содержанием углекислого газа. В таких условиях начинается активное окисление меди: на ее поверхности формируется зеленоватая пленка, состоящая из CuCO3, Cu(OH)2 и различных сернистых соединений. Такая пленка, которая называется патиной, выполняет важную функцию защиты металла от дальнейшего разрушения.

Окисление начинает активно происходить и тогда, когда изделие подвергается нагреву. Если металл нагреть до температуры 375 градусов, то на его поверхности формируется оксид меди, если выше (375-1100 градусов) - то двухслойная окалина.

Медь достаточно легко реагирует с элементами, которые входят в группу галогенов. Если металл поместить в пары серы, то он воспламенится. Высокую степень родства он проявляет и к селену. Медь не вступает в реакцию с азотом, углеродом и водородом даже в условиях высоких температур.

Внимание заслуживает взаимодействие оксида меди с различными веществами. Так, при его взаимодействии с серной кислотой образуется сульфат и чистая медь, с бромоводородной и иодоводородной кислотой - бромид и иодид меди.

Иначе выглядят реакции оксида меди с щелочами, в результате которых образуется купрат. Получение меди, при котором металл восстанавливается до свободного состояния, осуществляют при помощи оксида углерода, аммиака, метана и других материалов.

Медь при взаимодействии с раствором солей железа переходит в раствор, при этом железо восстанавливается. Такая реакция используется для того, чтобы снять напыленный медный слой с различных изделий.

Одно- и двухвалентная медь способна создавать комплексные соединения, отличающиеся высокой устойчивостью. Такими соединениями являются двойные соли меди и аммиачные смеси. И те и другие нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

Области применения меди

Применение меди, как и наиболее схожего с ней по своим свойствам алюминия, хорошо известно - это производство кабельной продукции. Медные провода и кабели, характеризуются невысоким электрическим сопротивлением и особыми магнитными свойствами. Для производства кабельной продукции применяются виды меди, характеризующиеся высокой чистотой. Если в ее состав добавить даже незначительное количество посторонних металлических примесей, к примеру, всего 0,02% алюминия, то электрическая проводимость исходного металла уменьшится на 8–10%.

Невысокий и ее высокая прочность, а также способность поддаваться различным видам механической обработки - это те свойства, которые позволяют производить из нее трубы, успешно использующиеся для транспортировки газа, горячей и холодной воды, пара. Совершенно не случайно именно подобные трубы применяются в составе инженерных коммуникаций жилых и административных зданий в большинстве европейских стран.

Медь, кроме исключительно высокой электропроводности, отличается способностью хорошо проводить тепло. Благодаря этому свойству она успешно используется в составе следующих систем.

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.