Химический элемент - медь

 

Медь является одним из самых «древних» металлов: считается, что люди начали использовать ее для изготовления орудий труда еще в IV тыс. до н.э. Распространение меди в древности объясняется тем, что она встречается в природе в самородном, т.е. металлическом, состоянии. В таком виде медь находили в нашей стране на Урале, в Америке, Японии, Китае и некоторых других странах. На территории США был найден крупнейший из известных самородков – его масса составляла 420 т. Однако такие находки встречаются редко. 
Медь довольно легко можно получить из природных соединений руд. Когда люди научились восстанавливать углем медные руды, а из полученного металла изготовлять бронзу-сплав меди с оловом, в истории человечества начался так называемый бронзовый век. Он продолжался приблизительно с конца IV тыс. до н.э. до начала I тыс. до н.э., когда началось использование железных орудий. В бронзовом веке медь играла важнейшую роль в развитии хозяйства. И в настоящее время роль меди, ее сплавов и соединений в развитии промышленности и сельского хозяйства очень велика. Однако сейчас приходится сталкиваться со значительной нехваткой этого металла –запасы медных руд постепенно истощаются. Ведь медь занимает по распространению в природе лишь 23-е место среди всех элементов: ее массовая доля в земной коре равна 0,01%. 
Медь - это химический элемент с порядковым номером 29, расположенный в I группе (побочной подгруппе) и 4-м периоде периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Латинское название меди cuprum и соответствующий ему символ Сu происходят от названия острова Кипр. Именно с этого острова в Средиземном море вывозили медь древние римляне и греки. 
Что представляет собой металлическая медь? Это тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий, плавится при температуре 1084,5°С, очень хорошо проводит электрический ток и теплоту: электрическая проводимость меди в 1,7 раза выше, чем алюминия, в 6 раз выше, чем железа, и лишь немного уступает электрической проводимости серебра. 
Электронная формула атома меди имеет следующий вид: 1s 22s 22p 63s 23p63d104s 1.

Рисунок 1 – Кристаллическая решётка меди.

Марки меди.

 

Марки меди и их химический состав  определен в ГОСТ 859-2001. Сокращенная информация о марках меди приведена ниже (указано минимальное содержание меди и предельное содержание только двух примесей – кислорода и фосфора):

 

 

Марка	Медь	О2	P	Способ получения, основные примеси
М00к	99.98	0.01	-	Медные катоды:продукт электролитического рафинирования, заключительная стадия переработки медной руды.
М0к	99.97	0.015	0.001
М1к	99.95	0.02	0.002
М2к	99.93	0.03	0.002
М00	99.99	0.001	0.0003	Переплавка катодов в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере.Уменьшает содержание кислорода.
М0	99.97	0.001	0.002
М1	99.95	0.003	0.002
М00	99.96	0.03	0.0005	Переплавка катодов в обычной атмосфере.Повышенное содержание кислорода. Отсутствие фосфора
М0	99.93	0.04	-
М1	99.9	0.05	-
М2	99.7	0.07	-	Переплавка  лома.Повышенное содержание кислорода, фосфора нет
М3	99.5	0.08	-
М1ф	99.9	-	0.012 - 0.04	Переплавка катодов и лома медис раскислением фосфором.Уменьшает содержание кислорода, но приводит к повышенному содержанию фосфора
М1р	99.9	0.01	0.002 - 0.01
М2р	99.7	0.01	0.005 - 0.06
М3р	99.5	0.01	0.005 - 0.06

 

 

 

 

    Первая группа марок относится к катодной меди, остальные - отражают химический состав различных медных полуфабрикатов (медные слитки, катанка и изделия из неё, прокат).

 

     Специфические особенности меди, присущие разным маркам, определяются не  содержанием меди (различия составляют не более 0.5%), а содержанием конкретных примесей (их количество может различаться в 10 – 50 раз). Часто используют классификацию марок меди по содержанию кислорода:

-  бескислородная медь (М00 , М0 и М1 ) с содержанием кислорода до 0.001%.

-  рафинированная медь (М1ф, М1р, М2р, М3р) с содержанием кислорода до 0.01%,   но с

 

   повышенным содержанием фосфора.

- медь высокой чистоты (М00, М0, М1) с содержанием кислорода 0.03-0.05%.

- медь общего назначения (М2, М3) с содержанием кислорода до 0.08%.

 

 

Химические свойства меди.

 

Образуя химические соединения, атом может отдавать один, два или три электрона, проявляя степень окисления соответственно +1, +2 и +3. При этом наиболее устойчивыми являются соединения меди (II), а наименее устойчивыми - соединения меди (III). 
Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой.  
Однако в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной) – медь растворяется: 
Сu + 8HN03 = 3Cu(N03 )2 + 2NO + 4Н20 
разбавленная 
Сu + 4HN03 = Cu(N03)2 + 2N02+ 2Н20 
концентрированная 
Сu+ 2H2S04 = CuS04 + S02 + 2 Н20 
концентрированная

Главное свойство меди, которое определяет её преимущественное использование – очень высокая электропроводность (или низкое удельное электросопротивление). Такие примеси как фосфор, железо, мышьяк, сурьма, олово, существенно ухудшают её электропроводность.

На величину электропроводности существенное влияние оказывает способ получения полуфабриката и его механическое состояние. Это иллюстрируется приведенной ниже таблицей:

 

 Удельное электрическое сопротивление меди для различных полуфабрикатов разных марок (гарантированные значения) при 20оС.

 

мкОм*м	марка	Вид  и  состояние  полуфабриката	ГОСТ, ТУ
0.01707	М00	Слитки (непрерывное вертикальное литье)	193-79
	М00	Катанка кл.А ( кислород: 0.02-0.035%)	ТУ 1844 01003292517 -2004
0.01718	М0	Катанка кл.В (кислород: 0.045%)
0.01724	М1	Катанка кл.С (кислород: 0.05%)
	М1	Слитки (горизонтальное литье)	193-79
	М1	Слитки (горизонтальное литье)
0.01748	М1	Ленты	1173-2006
	М1	Прутки отожженные	1535-2006
0.01790	М1	Прутки полутвердые, твердые, прессованные

 

 

 

 

     Различия в сопротивлении катанки марок М00, М0 и М1, обусловлены разным количеством примесей и составляют около 1%. В то же время различия в сопротивлении, обусловленные разным механическим состоянием, достигают 2 – 3%. Удельное сопротивление изделий из меди маркиМ2 примерно 0.020 мкОм*м.

 

 

 

       Второе важнейшее свойство меди - очень высокая теплопроводность.

 

     Примеси и легирующие добавки уменьшают электро- и теплопроводность меди, поэтому сплавы на медной основе значительно уступают меди по этим показателям. Значения параметров основных физических свойств меди в сравнении с другими металлами приведены в таблице (данные приведены в двух разных системах единиц измерения):

 

 

 

 

Показатели при	Единица измерения	Медь	Алю- миний	Латунь Л63, ЛС	Бронза БрАЖ	Сталь 12Х18Н10
Удельное элетросопротивление,	мкОм*м	0.0172 – 0.0179	0.027- 0.030	0.065	0.123	0.725
Теплопроводность,	кал/см*с*град	0.93	0.52	0.25	0.14	0.035
	Вт/м*град	386 - 390	217	106	59	15

 

 

Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом карбоната меди: 
2 Сu + O2 + С02 + Н20 =Сu (ОН)2 • СuС02

В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2.  
Соединения меди (II)-оксид СиО и гидроксид Си(ОН)2-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах: 
Cu(OH)2 + 2НС1 = СuСl2 + 2Н20 и в концентрированных щелочах. 
Гидроксид меди (II) – труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается, образуя оксид меди (II) черного цвета:  
Сu(ОН)2 =СuО + Н20  
Темный цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого оксида.

Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия: 
CuCl2 + 4KCN = К2 [Cu(CN)4] + 2КСl 
Из других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II): 
CuCl2 + 2NH3 + 2Н20 = Сu(ОН)2 + 2NH4Cl 
Если добавить избыток аммиака, то гидроксид растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной для аммиачного комплекса меди: 
Си(ОН)2+ 4NH3 = [Cu(NH3)4] (ОН)2 
Эта реакция является качественной на ион меди (II). 
Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также связана с образованием комплексных соединений: 
Cu(OH)2 + 2NaOH = Na2 [Cu(OH)4] 
Образованием комплексных соединений объясняется цвет растворов солей  
меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску: 
CuS04 + 6Н20 = [Сu (Н20)6] SO4 
Соединения меди (III), например Cu203 или KCu02, встречаются редко, они  
малоустойчивы. Устойчивость соединений меди (I) выше, однако и они в водных растворах легко подвергаются диспролорциог нированию (реакции самоокисления-самовосстановления): 
2Сu+ = Сu + Сu2+

 

 

Применение меди.

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото — очень мягкий металл и нестойко к механическим воздействиям.

Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена. Из-за этого трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Широко применяется медь в архитектуре. Кровли и фасады из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006[10].

Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать её применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Пары меди используются в качестве рабочего тела в лазерах на парах меди, на длинах волн генерации 511 и 578 нм.

 

Нахождение в природе.

 
Соединения меди (I) часто встречаются в природных веществах, В минерале куприте содержится оксид Cu20, в медном блеске (халькозине) – сульфид Cu2S. 
Среди других природных соединений меди отметим халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, ковелин CuS, малахит СuСО3 Сu(ОН)2.

 
Исходным сырьем для промышленного получения меди главным образом сульфидные руды.

 

При этом считается рентабельным перерабатывать породы, содержащие более 1% металла. Процесс получения меди из сульфидных руд относят к пирометаллургическим (протекающим при повышенной температуре).

 

Получение меди.

 
Его можно упрощенно представить следующим образом: вначале сульфид меди (например, Cu2S) подвергают окислительному обжигу: 
Cu2S + 202 =2CuO+S02  
К образовавшемуся оксиду, меди (II) добавляют новую порцию сульфида. При высокой температуре протекает реакция: 
2CuO + Cu2S = 4 Сu + S02