Распространение меди в природе

                    Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди.                   

                         Взаимодействие с водой.                        

Металлы подгруппы меди стоят в конце электрохимического ряда напряжений, после

иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В

то же время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди из

растворов их солей, например:

. Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход

электронов:

Молекулярный водород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом.

Объясняется это тем, что связь между атомами водорода прочная и на ее разрыв

затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами водорода.

Медь при отсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В

присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается

зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната:

                       Взаимодействие с кислотами.                      

Находясь в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из кислот.

Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако в

присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием

соответствующих солей:

.

           Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам.          

Qобразования (CuCl) = 134300 кДж

Qобразования (CuCl2) = 111700 кДж

Медь хорошо реагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX2

.. При действии галогенов при комнатной температуре видимых изменений не

происходит, но на поверхности вначале образуется слой адсорбированных молекул,

а затем и тончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с медью происходит

очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим ее в горячем виде в

банку с хлором – около меди появятся бурые пары, состоящие из хлорида меди (II)

CuCl2 с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит

самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты.

Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической меди с

раствором галогенида двухвалентной меди, например:

. Монохлорид выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.

                               Оксид меди.                              

При прокаливании меди на воздухе она покрывается черным налетом, состоящим из

оксида меди . Его

также легко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)

2CO3 или нитрата меди (II) Cu(NO3)2. При

нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая

углерод в диоксид углерода, а водород – в воду  восстанавливаясь при этом в

металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе

органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

Под слоем меди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu2O.

Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных количеств

меди и окиси меди, взятых в виде порошков:

.

Закись меди используют при устройстве выпрямителей переменного тока, называемых

купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до  1020-1050

0C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из

закиси меди и окиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое

время в азотной кислоте:

.

Пластинку промывают, высушивают и прокаливают при невысокой температуре – и

выпрямитель готов. Электроны могут проходить только от меди через закись

меди. В обратном направлении электроны проходить не могут. Это объясняется

тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое закиси меди,

который примыкает непосредственно к меди, имеется избыток электронов, и

электрический ток проходит за счет электронов, т.е. существует электронная

проводимость. В наружном слое закиси меди наблюдается нехватка электронов,

что равноценно появлению положительных зарядов. Поэтому, когда к меди

подводят положительный плюс источника тока, а к закиси меди – отрицательный,

то электроны через систему не проходят. Электроны при таком положении полюсов

движутся к положительному электроду, а положительные заряды – к

отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайший слой, лишенный

носителей электрического тока, - запирающий слой. Когда же медь подключена к

отрицательному полюсу, а закись меди к положительному, то движение электронов

и положительных зарядов изменяется на обратное, и через систему проходит

электрический ток. Так работает купроксный выпрямитель. [6, с.63]

                             Гидроксиды меди.                            

Гидроксид меди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при действии

щелочи на раствор соли:

. Это ионная реакция и протекает она потому, что образуется плохо

диссоциированное соединение, выпадающее в осадок:

Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид меди (I)

белого цвета: .

Это нестойкое соединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II):

.

Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди

(II) хорошо растворим не только в кислотах, но и в концентрированных растворах

щелочей: ,  

.

Таким образом, гидроксид меди (II) может диссоциировать и как основание:

и как кислота. Этот тип диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных

групп воды:

                                Сульфаты.                               

Наибольшее практическое значение имеет CuSO4*5H2O,

называемый медным купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной

серной кислоте. Поскольку медь относится к малоактивным металлам и расположена

в ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется:

.

Медный купорос применяют при электролитическом получении меди, в сельском

хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, для получения других

соединений меди.

                                Карбонаты.                               

Карбонаты для металлов подгруппы меди не характерны и в практике почти не

применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной

карбонат меди, который встречается в природе.

                          Комплексообразование.                         

Характерное свойство двухзарядных ионов меди – их способность соединятся с

молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.

                    Качественные реакции на ионы меди.                   

Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появление

интенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием комплексного иона

меди [Cu(NH3)4]2+:

Медь интенсивно окрашивает пламя в зеленый цвет.

                Пример качественного анализа сплава меди.               

                           Выводы:                          

Проведённый качественный анализ даёт основания считать, что в сплаве

содержится медь, цинк, кадмий, железо, свинец. Таким образом этот сплав

является латунью. [8]

                               6. Получение меди.                              

                         История получения меди.                        

Интересна история получения меди. Уже 5-6 тысяч лет до н.э. медная руда

добывалась египетскими рабами в Нубии, на Синайском полуострове. Рудники, как

пишет греческий историк Диодор Сицилийский (I век до н.э.), являлись

собственностью фараонов. На каторжный труд в рудниках отправляли рабов и

осужденных, зачастую вместе с семьями. В наиболее узкие штольни на обивку

руды и ее вынос направляли детей. На поверхность руду доставляли в плетеных

корзинках или кожаных мешках. Древнейшая медеплавильная печь найдена на

Синайском полуострове. Она представляла яму, обнесенную круглой стеной

толщиной в 1 метр. Печь имела внизу два поддувала. По составу шлака

установили, что в этой печи выплавлялась медь. Изображение более совершенной

печи было обнаружено на греческой вазе, которая датируется VI веком до н.э.

Для улучшения литейных свойств меди греки добавляли в руду оловянный камень

(двуокись олова) и получали оловянную бронзу.

Искусство получения меди и ее сплавов затем перешло к римлянам. Оловянную

руду римляне доставали из Англии, которая в то время называлась

Касситеридскими островами. Интересно отметить, что минерал – двуокись олова и

по настоящее время называется касситеритом.

О методах получения меди в России дает представление небольшой, но обстоятельный

труд М.В.Ломоносова “Основание металлургии” (1763 год), который сыграл

исключительную роль в развитии металлургического производства. В этой же книги

дано описание “сульфатизирующего обжига”. Он заключался в медленном окислении

медной сульфидной руды до сульфата меди кислородом воздуха:

с последующим выщелачиванием соли водой с целью получения медного купороса.

В книге даются указания, как использовать теплоту отходящих газов, как

контролировать процесс плавки и даже как вентилировать шахты от пыли и газов,

которые “для человеческого здоровья вредительны”. [1, с.76-77]

                   Получение меди методом электролиза.                  

Электролиз широко применяют для очистки (рафинирования) меди.  Для очистки меди

из черновой меди отливают аноды – толстые пластины. Их подвешивают в ванну,

содержащую раствор медного купороса. В качестве катодов используют тонкие листы

чистой меди, на которые во время электролиза осаждается чистая медь. На аноде

происходит растворение меди. Ионы меди передвигаются к катоду, принимают от

катода электроны и переходят в атомы:

. Чистая медь оседает на катоде.

Примеси, входящие в состав черновой меди ведут себя по-разному. Более

электроотрицательные элементы – цинк, железо, кадмий и другие растворяются на

аноде. Но на катоде эти металлы не выделяются, так как электрохимическом ряду

напряжений они находятся левее меди и имеют более отрицательные потенциалы.

[1, с.70]

                   Металлотермический метод получения.                  

               Пирометаллургический способ получения меди.              

Поскольку содержание меди не превышает 1.5-2%, их подвергают обогащению, т.е.

отделяют соединения меди от пустой породы, применяя флотационный метод. Для

этого руду размалывают до тончайшего порошка и смешивают его с водой, добавив

в неё предварительно флоторагенты – сложные органические вещества. Они

покрывают мельчайшие крупинки соединений меди и сообщают им несмачиваемость.

В воду добавляют ещё вещества, создающие пену. Затем через взвесь пропускают

сильный поток воздуха. Поскольку частички (крупинки соединений меди) водой не

смачиваются, они прилипают к пузырькам воздуха и всплывают наверх. Всё это

происходит во флотационных аппаратах. Пену, которая содержит крупинки

соединений меди, собирают, отфильтровывают, отжимают от воды и высушивают.

Так получают концентрат, из которого выделяется медь. В зависимости от

состава руды существует несколько методов её переработки.

Сульфидную руду сначала обжигают при свободном токе воздуха для удаления части

серы: . Этот обжиг

проводят в механических печах, похожих на устройства для обжига серного

колчедана. В последнее время начали применять обжиг в кипящем слое. Продукты

обжига затем переплавляют совместно с флюсами в отражательной печи. При этом

протекает множество химических процессов, например

.

Пустая порода, часть сульфидов и окислов железа переходит в шлак, а на дне печи

скапливается штейн – расплав сульфида меди Cu2S и сульфида железа

FeS. Штейн сливают из печи и перерабатывают в конвекторе, который по устройству

похож на конвектор для переработки стали. Частичное удаление серы происходит за

счет продувки воздуха через расплавленный штейн:

.

Сульфид меди и закись меди дают металлическую черновую медь:

Она содержит около 95-98% меди. При последующей переплавке на поду

отражательной печи содержание меди может быть повышено до 99,7%. Дальнейшая

очистка меди проводится электролизом.

Более просто перерабатывают окисные руды меди, состоящие из закиси меди, окиси

меди и карбонатов меди (Cu2O, CuO, CuCO3*Cu(OH)2