Металлическая медь издавна используется человечеством в самых разных областях жизни. Двадцать девятый элемент из периодической таблицы Д. И. Менделеева, находящийся между никелем и цинком, обладает интересными характеристиками и свойствами. Этот элемент обозначается символом Cu. Это один из немногих металлов с характерной окраской, отличной от серебристого и серого цветов.
История появления меди
О том, какое великое значение имел этот химический элемент в истории человечества и планеты, можно догадаться уже по названиям исторических эпох. После каменного века наступил медный, а за ним - бронзовый, также имеющий прямое отношение к этому элементу.
Медь является одним из семи металлов, которые стали известны человечеству еще в древности. Если верить историческим данным, знакомство древних людей с этим металлом произошло примерно девять тысяч лет назад.
Древнейшие изделия из этого материала были обнаружены на территории современной Турции. Археологические раскопки, проведенные на месте крупного поселения времен неолита под названием Чаталхеюк, позволили отыскать небольшие медные шарики-бусины, а также медные пластины, которыми древние люди украшали свой наряд.
Найденные вещицы были датированы стыком восьмого и седьмого тысячелетий до нашей эры. Помимо самих изделий, на месте раскопок был обнаружен шлак, что говорит о производившихся выплавках металла из руды.
Получение меди из руды было относительно доступно. Поэтому несмотря на свою высокую температуру плавления, этот металл в числе первых был быстро и широко освоен человечеством.
Способы добычи
В природных условиях этот химический элемент существует в двух формах:
- соединения;
- самородки.
Любопытным фактом является следующее: медные самородки в природе попадаются гораздо более часто, чем золотые, серебряные и железные.
Природные соединения меди - это:
- оксиды;
- углекислые и сернистые комплексы;
- гидрокарбонаты;
- сульфидные руды.
Рудами, имеющими наибольшее распространение , являются медный блеск и медный колчедан. Меди в этих рудах содержится всего один-два процента. Первичная медь добывается двумя основными способами:
- гидрометаллургическим;
- пирометаллургическим.
Доля первого способа составляет десять процентов. Оставшиеся девяносто относятся ко второму методу.
Пирометаллический способ включает в себя комплекс процессов. Сначала медные руды обогащаются и обжигаются. Затем сырье плавится на штейн, после чего продувается в конвертере. Таким образом получается черновая медь. Превращение ее в чистую осуществляется путем рафинирования - сначала огневого, затем электролитического. Это последняя стадия. По ее окончании чистота полученного металла составляет практически сто процентов.
Процесс получения меди гидрометаллургическим способом делится на два этапа.
- Вначале сырье выщелачивается при помощи слабого раствора серной кислоты.
- На заключительном этапе металл выделяется непосредственно из упомянутого в первом пункте раствора.
Данный метод используется при переработке только бедных руд, так как, в отличие от предыдущего способа, при его проведении невозможно попутно извлечь драгоценные металлы. Именно поэтому приходящийся на этот способ процент так невелик по сравнению с другим методом.
Немного о названии
Химический элемент Cuprum, обозначаемый символом Cu, получил свое название в честь небезызвестного острова Кипр. Именно там в далеком третьем веке до нашей эры были обнаружены крупные месторождения медной руды. Местными мастерами, трудившимися на этих рудниках, производилась выплавка данного металла.
Пожалуй, невозможно понять, что такое металлическая медь, не разобравшись в ее свойствах, основных характеристиках и особенностях.
При контакте с воздухом этот металл становится желтовато-розового цвета. Этот неповторимый золотисто-розовый оттенок обусловливается возникновением на поверхности металла оксидной пленки. Если эту пленку удалить, медь приобретет выразительный розовый цвет с характерным ярким металлическим блеском.
Удивительный факт: тончайшие медные пластинки на просвет имеют вовсе не розовый, а зеленовато-голубой или, иначе говоря, морской цвет.
В форме простого вещества медь обладает следующими характеристиками:
- удивительной пластичностью;
- достаточной мягкостью;
- тягучестью.
Чистая медь без наличия каких-либо примесей превосходно поддается обработке - ее с легкостью можно прокатить в пруток или лист либо вытянуть в проволоку, толщина которой будет доведена до тысячных долей миллиметра. Добавление примесей в этот металл повышает его твердость.
Помимо упомянутых физических характеристик, этот химический элемент обладает высокой электропроводностью. Эта особенность главным образом определила применение металлической меди.
Среди основных свойств этого металла стоит отметить его высокую теплопроводность. По показателям электропроводности и теплопроводности медь является одним из лидеров среди металлов. Более высокими показателями по этим параметрам обладает только один металл - серебро.
Нельзя не принимать во внимание тот факт, что показатели электро- и теплопроводности меди относятся к разряду базовых свойств. Они сохраняются на высоком уровне лишь пока металл находится в чистом виде. Уменьшить эти показатели возможно добавлением примесей:
- мышьяка;
- железа;
- олова;
- фосфора;
- сурьмы.
Каждая из этих примесей в сочетании с медью оказывает на нее определенное влияние, в результате которого значения тепло- и электропроводности заметно понижаются.
Помимо всего прочего, металлическая медь характеризуется невероятной прочностью, высокой температурой плавления, а также высокой температурой кипения. Данные действительно впечатляют. Температура плавления меди превышает одну тысячу градусов Цельсия! А температура кипения составляет 2570 градусов Цельсия.
Этот металл относится к группе металлов-диамагнетиков. Это значит, что его намагничивание, как и у ряда других металлов, происходит не по направлению внешнего магнитного поля, а против него.
Еще одной немаловажной характеристикой можно назвать отличную устойчивость этого металла к коррозии. В условиях высокой влажности окисление железа, например, происходит в несколько раз быстрее, чем окисление меди.
Химические свойства элемента
Данный элемент является малоактивным. При контакте с сухим воздухом в обычных условиях медь не начинает окисляться. Влажный воздух, напротив, запускает окислительный процесс, при котором образуется медный карбонат (II), являющийся верхним слоем патины. Практически моментально этот элемент реагирует с такими веществами, как:
- сера;
- селен;
- галогены.
Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, не способны оказывать на медь влияние. Кроме того, она никак не реагирует при контакте с такими химическими элементами, как:
- азот;
- углерод;
- водород.
Кроме уже отмеченных химических свойств, для меди характерна амфотерность. Это значит, что в земной коре она способна образовать катионы и анионы. Соединения этого металла могут проявлять как кислотные свойства, так и основные - это напрямую зависит от конкретных условий.
Области и особенности применения
В древние времена металлическая медь использовалась для изготовления самых разных вещей. Умелое применение этого материала позволило древним людям обзавестись:
- дорогой посудой;
- украшениями;
- инструментами, имеющими тонкое лезвие.
Сплавы меди
Говоря о применении меди, нельзя не упомянуть о ее значении в получении различных сплавов, в основу которых ложится именно этот металл. К таким сплавам относятся:
- бронза ;
- латунь.
Две эти разновидности явяются основными видами медных сплавов. Первый бронзовый сплав был создан на Востоке еще за три тысячелетия до нашей эры. Бронза по праву может считаться одним из величайших достижений металлургов древности. По сути, бронза - это соединение меди с прочими элементами. В большинстве случаев в роли второго компонента выступает олово. Но вне зависимости от того, какие элементы входят в сплав, основным компонентом всегда является медь. Формула латуни содержит главным образом медь и цинк, но возможны и дополнения к ним в виде других химических элементов.
Помимо бронзы и латуни, этот химический элемент участвует в создании сплавов с другими металлами, среди которых алюминий, золото, никель, олово, серебро, титан, цинк. Медные сплавы с неметаллами, такими как кислород, сера и фосфор, используются гораздо реже.
Отрасли промышленности
Ценные свойства медных сплавов и чистого вещества способствовали их использованию в таких отраслях, как:
- электротехника;
- электромашиностроение;
- приборостроение;
- радиоэлектроника.
Но, разумеется, это еще не все области применения этого металла. Он является высокоэкологичным материалом. Именно поэтому он используется при строительстве домов. Например, кровельное покрытие, выполненное из металлической меди, благодаря своей высочайшей коррозийной устойчивости обладает сроком службы более сотни лет, не требуя при этом особого ухода и покраски.
Еще одна область использования этого металла - ювелирная отрасль. В основном он применяется в форме сплавов с золотом. Изделия из медно-золотого сплава характеризуются повышенной прочностью, высокой стойкостью. Такие изделия на протяжении долгого времени не деформируются и не истираются.
Соединения металлической меди выделяются высокой биологической активностью. В мире флоры этот металл имеет важное значение, так как он участвует в синтезе хлорофилла. Участие данного элемента в этом процессе позволяет обнаружить его в числе компонентов минеральных удобрений для растений.
Роль в организме человека
Нехватка этого элемента в человеческом организме может оказать негативное влияние на состав крови, а именно ухудшить его. Восполнить дефицит этого вещества можно при помощи специально подобранного питания. Медь содержится во многих продуктах питания, поэтому составить полезный рацион по душе не составит труда. Для примера, одним из продуктов, в составе которых имеется этот элемент, является обычное молоко.
Но составляя насыщенное этим элементом меню, не следует забывать о том, что переизбыток его соединений может привести к отравлению организма. Поэтому, насыщая организм этим полезным веществом, очень важно не переусердствовать. И касается это не только количества потребляемых продуктов.
К примеру, пищевое отравление может вызвать использование медной посуды. Приготовление пищи в такой посуде крайне не рекомендуется и даже воспрещается. Связано это с тем, что в процессе кипячения в пищу поступает значительное количество этого элемента, что может привести к отравлению.
В запрете на медную посуду есть одна оговорка. Использование такой посуды не представляет опасности в том случае, если ее внутренняя поверхность имеет оловянное покрытие. Только при выполнении этого условия использование медных кастрюлек не несет угрозы пищевого отравления.
Помимо всех перечисленных отраслей применения, распространение этого элемента не обошло стороной и медицину. В сфере лечения и поддержания здоровья он применяется в качестве вяжущего вещества и антисептика. Этот химический элемент входит в состав капель для глаз, которые используются при лечении такого заболевания, как конъюнктивит. Кроме того, медь является немаловажным компонентом различных растворов от ожогов.
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.
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
| Задание | В водный раствор хлорида меди (II) опустили медные электроды по 20 г каждый и подключили их к источнику постоянного тока. Через некоторое время катод вынули и растворили при нагревании в концентрированной серной кислоте, а затем добавили в раствор избыток гидроксида натрия, в результате чего выпал осадок массой 49 г. Определите массу анода после электролиза. |
| Решение | Запишем уравнения реакций:
катод: Cu 2+ +2e→ Cu 0 ; (1) анод: Cu 0 — 2e→ Cu 2+ . (2) Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O; (3) CuSO 4 + 2NaOH = Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 ; (4) Рассчитаем количество вещества гидроксида меди (II) (осадка) (молярная масса равна 98г/моль): n (Cu(OH) 2) = m (Cu(OH) 2) / M (Cu(OH) 2); n (Cu(OH) 2) = 49 / 98 = 0,5 моль. Определим количество вещества и массу меди (катода) по окончании реакции (молярная масса - 64 г/моль): m final (Cu) = n (Cu(OH) 2) =0,5 моль; m final (Cu) = n (Cu) × M (Cu); m final (Cu)= 0,5 × 64 = 32 г. Найдем массу меди, осажденной на катоде: m(Cu) = m final (Cu) - m parent (Cu); m(Cu) = 32 - 20 = 12 г. Вычислим массу анода по окончании реакции. Масса анода уменьшилась ровно настолько, насколько увеличилась масса катода: m anode = m parent (anode) — m(Cu); m anode = 20 - 12 = 8 г. |
| Ответ | Масса анода равна 8 г |
МЕДЬ – элемент 11 группы Периодической системы, плотность 8,9 г см –3 , один из первых металлов, ставших известными человеку. Считают, что медь начали использовать около 5000 до н.э. В природе медь изредка встречается в виде металла. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. У индейцев , живших на его берегах оз. Верхнее (Сев. Америка), где есть очень чистая самородная медь, способы ее холодной обработки были известны до времен Колумба .
Около 3500 до н.э. на Ближнем Востоке медь научились извлекать из руд, ее получали восстановлением углем. Медные рудники были и в Древнем Египте . Известно, что глыбы для знаменитой пирамиды Хеопса обрабатывали медным инструментом.
Предки древних славян, жившие в бассейне Дона и в Приднепровье, применяли медь для изготовления оружия, украшений и предметов домашнего обихода. Русское слово «медь», по мнению некоторых исследователей, произошло от слова «мида», которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще.
Символ Cu происходит от латинского aes cyproum (позднее, Cuprum), так как на Кипре (Cyprus) находились медные рудники древних римлян.
Относительное содержание меди в земной коре составляет 6,8·10 –3 %. Самородная медь встречается очень редко. Обычно элемент находится в виде сульфида, оксида или карбоната. Важнейшими рудами меди являются халькопирит CuFeS 2 , который, по оценкам, составляет около 50% всех месторождений этого элемента, медный блеск (халькоцит) Cu 2 S, куприт Cu 2 O и малахит Cu 2 CO 3 (OH) 2 . Большие месторождения медных руд найдены в различных частях Северной и Южной Америк, в Африке и на территории нашей страны. В 18–19 вв. близ Онежского озера добывали самородную медь, которую отправляли на монетный двор в Петербург. Открытие промышленных месторождений меди на Урале и в Сибири связано с именем Никиты Демидова. Именно он по указу Петра I в 1704 начал чеканить медные деньги.
Богатые месторождения меди давно выработаны. Сегодня почти весь металл добывается из низкосортных руд, содержащих не более 1% меди. Некоторые оксидные руды меди могут быть восстановлены непосредственно до металла нагреванием с коксом. Однако большая часть меди производится из железосодержащих сульфидных руд, что требует более сложной переработки. Эти руды сравнительно бедные, и экономический эффект при их эксплуатации может обеспечиваться лишь ростом масштабов добычи. Руду обычно добывают в огромных карьерах, где используются экскаваторы с ковшами до 25 м 3 и грузовики грузоподъемностью до 250 т. Сырье размалывают и концентрируют (до содержания меди 15–20%) с использованием пенной флотации, при этом серьезной проблемой является сброс многих миллионов тонн тонко измельченных отходов в окружающую среду (см . ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ). К концентрату добавляют кремнезем, а затем смесь нагревают в отражательных печах (доменные печи для тонко измельченной руды неудобны) до температуры 1400° С, при которой она плавится. Суммарное уравнение протекающих реакций можно представать в виде:
2CuFeS 2 + 5O 2 + 2SiO 2 = 2Cu + 2FeSiO 3 + 4SO 2
Cu +I + 1e – = Cu 0 |
Fe III + 1e – = Fe II | –10e –
2S –II – 12e – = 2S IV |
O 2 + 4e – = 2O –II
Большую часть полученной черновой меди очищают электрохимическим методом, отливая из нее аноды, которые затем подвешивают в подкисленном растворе сульфата меди CuSO 4 , а катоды покрывают листами очищенной меди. В процессе электролиза чистая медь осаждается на катодах, а примеси собираются около анодов в виде анодного шлама, который является ценным источником серебра, золота и других драгоценных металлов.
Около 1/3 используемой меди представляет собой вторичную медь, выплавленную из лома. Годовое производство нового металла составляет около 8 млн. т. Лидируют по производству меди Чили (22%), США (20%), СНГ (9%), Канада (7,5%), Китай (7,5%) и Замбия (5%).
Главное применение металла – в качестве проводника электрического тока. Кроме того, медь используется в монетных сплавах, поэтому ее часто называют «монетным металлом». Она также входит в состав традиционных бронзы (сплавы меди с 7–10% олова) и латуни (сплав меди с цинком) и специальных сплавов, таких как монель (сплав никеля с медью). Металлообрабатывающий инструмент из медных сплавов не искрит и может использоваться во взрывоопасных цехах. Сплавы на основе меди служат для изготовления духовых инструментов и колоколов.
В виде простого вещества медь обладает характерной красноватой окраской. Медь металл мягкий и пластичный. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру . Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами.
Медь устойчива в чистом сухом воздухе при комнатной температуре, однако при температуре красного каления образует оксиды. Она реагирует также с серой и галогенами. В атмосфере , содержащей соединения серы, медь покрывается зеленой пленкой основного сульфата. В электрохимическом ряду напряжений медь находится правее водорода , поэтому она практически не взаимодействует с неокисляющими кислотами. Металл растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, а также в разбавленной и концентрированной азотной кислоте. Кроме того, медь можно перевести в раствор действием водных растворов цианидов или аммиака:
2Cu + 8NH 3 ·H 2 O + O 2 = 2(OH) 2 + 6H 2 O
В соответствии с положением меди в Периодической системе, ее единственная устойчивая степень окисления должна быть (+I), но это не так. Медь способны принимать более высокие степени окисления, причем наиболее устойчивой, особенно в водных растворах, является степень окисления (+II). В биохимических реакциях переноса электрона, возможно, участвует медь(III). Эта степень окисления редко встречается и очень легко понижается под действием даже слабых восстановителей. Известно несколько соединений меди(+IV).
При нагревании металла на воздухе или в кислороде образуются оксиды меди: желтый или красный Cu 2 O и черный CuO. Повышение температуры способствует образованию преимущественно оксида меди(I) Cu 2 O. В лаборатории этот оксид удобно получать восстановлением щелочного раствора соли меди(II) глюкозой, гидразином или гидроксиламином:
2CuSO 4 + 2NH 2 OH + 4NaOH = Cu 2 O + N 2 + 2Na 2 SO 4 + 5H 2 O
Эта реакция – основа чувствительного теста Фелинга на сахара и другие восстановители. К испытываемому веществу добавляют раствор соли меди(II) в щелочном растворе. Если вещество является восстановителем, появляется характерный красный осадок.
Поскольку катион Cu + в водном растворе неустойчив, при действии кислот на Cu 2 O происходит либо дисмутация, либо комплексообразование:
Cu 2 O + H 2 SO 4 = Cu + CuSO 4 + H 2 O
Cu 2 O + 4HCl = 2 H + H 2 O
Оксид Cu 2 O заметно взаимодействует со щелочами. При этом образуется комплекс:
Cu 2 O + 2NaOH + H 2 O 2Na
Для получения оксида меди(II) CuO лучше всего использовать разложение нитрата или основного карбоната меди(II):
2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2
(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O
Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH) 2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II). Бледно-голубой осадок гидроксида меди(II), проявляющий амфотерные свойства (способность химических соединений проявлять либо основные, либо кислотные свойства), можно растворить не только в кислотах, но и в концентрированных щелочах. При этом образуются темно-синие растворы, содержащие частицы типа 2– . Гидроксид меди(II) растворяется также в растворе аммиака:
Cu(OH) 2 + 4NH 3 . H 2 O = (OH) 2 + 4H 2 O
Гидроксид меди(II) термически неустойчив и при нагревании разлагается:
Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O
Есть сведения о существовании темно-красного оксида Cu 2 O 3 , образующегося при действии K 2 S 2 O 8 на Cu(OH) 2 . Он является сильным окислителем, при нагревании до 400° С разлагается на CuO и О 2 .
Большой интерес к химии оксидов меди в последние два десятилетия связан с получением высокотемпературных сверхпроводников, из которых наиболее известен YBa 2 Cu 3 O 7 . В 1987 было показано, что при температуре жидкого азота это соединение является сверхпроводником. Главные проблемы, препятствующие его широкомасштабному практическому применению, лежат в области обработки материала. Сейчас наиболее перспективным считается изготовление тонких пленок.
Многие из халькогенидов меди – нестехиометрические соединения. Сульфид меди(I) Cu 2 S образуется при сильном нагревании меди в парах серы или в среде сероводорода. При пропускании сероводорода через водные растворы, содержащие катионы Cu 2+ , выделяется коллоидный осадок состава CuS. Однако, CuS – не простое соединение меди(II). Оно содержит группу S 2 и лучше описывается формулой Cu I 2 Cu II (S 2)S. Селениды и теллуриды меди проявляют металлические свойства, а CuSe 2 , CuTe 2 , CuS и CuS 2 при низких температурах являются сверхпроводниками.
При нагревании меди с галогенами можно синтезировать безводные дифторид, дихлорид и дибромид. Растворы галогенидов меди(II) удобнее получать взаимодействием металла, его оксида, гидроксида или карбоната с соответствующей галогеноводородной кислотой. Из водных растворов всегда выделяются кристаллогидраты.
Попытки получить иодид меди(II) приводят к образованию иодида меди(I) CuI:
2Cu 2+ + 4I – = 2CuI + I 2
При этом раствор и осадок окрашиваются в бурый цвет за счет присутствия иода. Образовавшийся иод можно удалить действием тиосульфат-иона:
I 2 + 2SO 3 S 2– = 2I – + S 4 O 6 2–
Однако при добавлении избытка тиосульфат-иона иодид меди(I) растворяется:
CuI + 2SO 3 S 2– = 3– + I –
Точно так же попытки получить цианид меди(II) приводят к образованию CuCN. С другой стороны, с электроотрицательным фтором не удается получить соль меди(I). Три других галогенида меди(I), представляющие собой белые нерастворимые соединения, осаждаются из водных растворов при восстановлении галогенидов меди(II).
В водных растворах бесцветный ион меди(I) очень неустойчив и диспропорционирует
Возможно, причиной этого является размер атома. Ион Cu II меньше, чем Cu I , и, имея вдвое больший заряд, намного сильнее взаимодействует с водой (теплоты гидратации составляют ~2100 и ~580 кДж моль –1 , соответственно). Разница является существенной, так как она перевешивает вторую энергию ионизации для меди. Это делает ион Cu II более стабильным в водном растворе (и ионных твердых веществах), чем Cu I , несмотря на устойчивую конфигурацию d 10 последнего. Тем не менее, Cu I может стабилизироваться в соединениях с очень низкой растворимостью или за счет комплексообразования. Комплексы легко образуются в водном растворе при взаимодействии Cu 2 O с соответствующими лигандами. В водных растворах хлоро- и амминкомплексы меди(I) медленно окисляются кислородом воздуха до соответствующих соединений меди(II).
Катион меди(II), напротив, в водном растворе вполне устойчив. Соли меди(II), в основном, растворимы в воде. Голубой цвет их растворов связан с образованием иона 2+ . Они часто кристаллизуются в виде гидратов. Водные растворы в небольшой степени подвержены гидролизу и из них часто осаждаются основные соли. Основный карбонат есть в природе – это минерал малахит, основные сульфаты и хлориды образуются при атмосферной коррозии меди, а основный ацетат (ярь-медянка) используется в качестве пигмента.
Ярь-медянка известна со времен Плиния Старшего (23–79 н.э.). В русских аптеках ее начали получать в начале 17 в. В зависимости от способа получения она может быть зеленого или голубого цвета. Ею были окрашены стены царских палат в Коломенском в Москве .
Наиболее известную простую соль – пентагидрат сульфата меди(II) CuSO 4 ·5H 2 O – часто называют медным купоросом. Слово купорос, по-видимому, происходит от латинского Cipri Rosa – роза Кипра. В Росси медный купорос называли синим, кипрским, затем турецким. То, что купорос содержит медь, было впервые установлено в 1644 Ван Гельмонтом. В 1848 Р.Глаубер впервые получил медный купорос из меди и серной кислоты. Сульфат меди широко используется в электролитических процессах, при очистке воды, для защиты растений. Он является исходным веществом для получения многих других соединений меди.
Тетрааммины легко образуются при добавлении аммиака к водным растворам меди(II) до полного растворения первоначально выпавшего осадка. Темно-синие растворы тетраамминов меди растворяют целлюлозу, которую можно вновь осадить при подкислении, что используется в одном из процессов для получения вискозы. Приливание этанола к раствору вызывает осаждение SO 4 ·H 2 O. Перекристаллизация тетраамминов из концентрированного раствора аммиака приводит к образованию фиолетово-синих пентаамминов, однако пятая молекула NH 3 легко теряется. Гексааммины можно получить только в жидком аммиаке, и их хранят в атмосфере аммиака.
Медь(II) образует плоско-квадратный комплекс с макроциклическим лигандом фталоцианином. Его производные используются для получения ряда пигментов от синего до зеленого, которые устойчивы вплоть до 500° С и широко используются в чернилах, красках, пластиках и даже в цветных цементах.
Медь имеет важное биологическое значение. Ее окислительно-восстановительные превращения участвуют в различных биохимических процессах растительного и животного мира .
Высшие растения легко переносят сравнительно большое поступление соединений меди из внешней среды, низшие же организмы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к этому элементу. Самые незначительные следы соединений меди их уничтожают, поэтому растворы сульфата меди или их смеси с гидроксидом кальция (бордосская жидкость) применяют как противогрибковые средства.
Из представителей животного мира наибольшие количества меди содержатся в телах осьминогов, устриц и других моллюсков. В их крови она играет ту же роль, что железо в крови других животных. В составе белка гемоцианина она участвует в переносе кислорода. Неокисленный гемоцианин бесцветен, а в окисленном состоянии он приобретает голубовато-синюю окраску. Поэтому не зря говорят, что у осьминогов – голубая кровь.
Организм взрослого человека содержит около 100 мг меди, сосредоточенной, в основном, в белках, только содержание железа и цинка выше. Ежедневная потребность человека в меди составляет около 3–5 мг. Дефицит меди проявляется в анемии, однако избыток меди также опасен для здоровья.
Елена Савинкина
