Распространение меди в природе

Министерство высшего образования Российской Федерации             

                     Башкирский государственный университет                    

                                                    Кафедра неорганической химии

                                 Курсовая работа                                

                                      Медь                                     

Выполнил

студент I курса В группы

Панкратьев Е.Ю.

Проверил

доцент кафедры Н.Х.

Гайфутдинова Р.К.

                                    Уфа 2002.                                   

                                   Содержание:                                  

1.      Распространение меди в природе. - 3

2.      История открытия меди. - 3

3.      Месторождений меди. - 4

4.      Физические свойства меди. - 5

5.      Химические свойства меди. - 6

6.      Получение меди. - 10

7.      Добыча и получение солей из природных месторождений. - 11

8.      Медь и живые организмы. - 12

9.      Применение меди. - 12

10.  Использованная литература. - 13

                       1. Распространение меди в природе.                      

Металлы подгруппы меди обладают небольшой химической активностью, поэтому они

находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном виде,

особенно золото.

Медь  в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде

сернистых соединений – халькопирита

(или ) и халькозина

. Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к

сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные минералы меди. При

высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под

действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы,

например: .

При температуре ниже 10000C происходило образование окиси меди,

которая в небольших количествах встречается в природе:

.

Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном

нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после

землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены

под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом

происходило взаимодействие окислов с сульфидами:

.

Подобные процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах.

Такие природные “металлургические заводы” выплавляют громадные количества

меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в

меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет

и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов.

Некоторые другие минералы меди получились из окисных руд. Например, под

действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и

образование основных карбонатов:

.

В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В

“лаборатории” природы сроки в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В

дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого

нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился

в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив полированный

малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета.

Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности

камня.

Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за

счет взаимодействия растворов сульфата железа (III):

.

Растворы сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии

воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе и

в настоящее время. [1, с.8-10]

Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны лишь

17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же – медный

колчедан) CuFeS2, халькозин (медный блеск) Cu2S, ковеллин

CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu5FeS4. Иногда

встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10

-3 %  по массе (1015 - 1016 тонн). [3]

                            2. История открытия меди.                           

Медь стала известна человеку в каменном веке – некоторые самородки меди,

относящиеся к этому времени, носят следы воздействия каменных орудий, в

частности у них обрублены выступающие части. Очевидно, эти кусочки меди были

использованы доисторическим человеком в качестве украшений, а затем и как

орудия. Распространению медных изделий способствовало свойство меди

подвергаться ковке в нагретом состоянии. Так обрабатывали медные самородки

индейцы еще со времен Колумба.

Где и когда был открыт метод выплавки меди из руд неизвестно. Скорее он был

открыт случайно. Самородная медь всегда встречалась совместно с рудой. И вот во

время нагрева самородка в раскаленных углях костра кусочки медной руды,

прилипшие к самородку, тоже превратились в медь – восстановились углеродом:

.

Возможно, первоначально медь выплавлялась в небольших ивовых корзинах,

обмазанных толстым слоем глины. В такую своеобразную печь загружали руду

вместе с углем и под ней разжигали большой костер.

Руды меди часто встречаются совместно с рудами цинка, олова. Такие руды

восстанавливаются легче и дают сплавы меди более твердые, чем сама медь. Эти

сплавы называются бронзами, а время, в течение которого человек широко

использовал бронзу, - бронзовым веком. Название “бронза” произошло от

названия небольшого итальянского города Бриндизи, через который среди прочих

товаров шла торговля изделиями из сплава меди с оловом. Этот сплав назвали

медью из Бриндизи, а затем - бронзой.

Изготовление изделий из меди и ее сплавов производилось еще при первых

фараонах Египта (4 – 5 тыс. лет до н.э.). Известны древнейшие медные руды на

острове Кипр. По-видимому, современное латинское название “купрум” произошло

от латинского названия этого острова. [6]

Когда же и где была впервые выплавлена медь?

Считалось, что люди 9 – 8 тыс. лет назад не умели, как следует, делать

керамическую посуду, но в 1950 г. археологами было сделано интересное

открытие. В районе реки Конья на юго-западе Малой Азии в 1950 г.

производились раскопки. Наряду с каменными орудиями были найдены медные

проколки, украшения, колечки. По определениям физиков, использующих

радиоуглеродный метод; культурный слой с остатками жизнедеятельности человека

возник в VII-VI тысячелетиях до н.э. Этому открытию трудно поверить, но в

1963 г. при раскопках в верховьях реки Тигр были найдены простейшие медные

изделия, относящиеся к тому же периоду. Там же нашли и медную руду. [1, с.27-

28]

                             3. Месторождения меди.                            

Соединения элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно,

что объясняется различием в геологических условиях, сложившихся в различных

местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго

(Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о древнейших

месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки

меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в

многочисленных пунктах Сибири.

Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном

и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан

новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”, где она и

была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные руды. сыскано

много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из документов следует, что

с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6

гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская газета “Ведомости”,

которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: “Из

Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди

выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству”. [2,

с.27]

В начале этого столетия главнейшими месторождениями, которые разрабатывались,

были: в районе Северного Урала – Богословский завод, в районе Нижнего Тагила

– Выйский завод, а на Кавказе – Калакентский и Кедабекский заводы.

В наше время известны месторождения меди на восточном склоне Урала, Средней

Азии, Закавказье и т.д.

Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов, которое

покрыто так называемыми конкрециями – скоплениями в виде камней округлой

неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам ученых

запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн. [1, с.16-18]

                          4. Физические свойства меди.                         

                      Таблица 1. Физические свойства меди.                     

Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному

электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны

особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных

металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое

различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется

тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они

расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в

единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и

прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди

плавятся и кипят при более высоких температурах.

Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают

большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и

отсутствием “зазоров” между ион-атомами.

Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от

правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с

которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения

правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической

решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов),

между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без

нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли

при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь

получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как оказалось такая медь в сто

раз прочнее, чем обычная.

                        Цвет меди и её соединений.                       

Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет

обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь,

многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет

желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl – белый, Cu

2O – красный, CuCl + H2O – голубой, CuO – черный. Карбонаты

характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем

обусловлен интересный практический признак для поисков.

                           Электропроводимость.                          

Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и

обусловлено её применение в электронике.

                         Кристаллическая решетка.                        

Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

                    Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.                   

                          5. Химические свойства меди.                         

                             Строение атома.                            

                      Рисунок 2. Схема строения атома меди.                     

     29Cu 1s1 2s2 sp6 3s2 3p6 3d10 4s1

Eионизации 1 = 7.72 эВ

Eионизации 2 = 20.29 эВ

Eионизации 3 = 36.83 эВ

                          Отношение к кислороду.                         

Медь проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном  воздухе

постепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета, состоящей из

основных карбонатов меди:

В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется

тончайший слой оксида меди:

Внешне медь при этом не меняется, так как оксид меди (I) как и сама медь,

розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет,

т.е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например при

600-800 0C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I),

которая с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется

двухслойное окисное покрытие.

Qобразования (Cu2O) = 84935 кДж.