Медь
Медь
Медь
Медь
(лат. Cuprum), Cu (читается «купрум»), химический элемент I группы
периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.
Природная
медь состоит из двух стабильных нуклидов 63Cu (69,09% по массе) и 65Cu
(30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди
3s2p6d104s1. Образует соединения в степенях окисления +2 (валентность II) и +1
(валентность I), очень редко проявляет степени окисления +3 и +4.
В
периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит
в группу IВ, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и
золото (Au).
Радиус
нейтрального атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu+ от 0,060 нм (координационное
число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu2+ — от 0,071 нм
(координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии
последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ.
Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга
электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов.
Стандартный электродный потенциал Cu/Cu2+ 0,339 В. В ряду стандартных
потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни из кислот
водорода не вытесняет.
Простое
вещество медь — красивый розовато-красный пластичный металл.
Название:
латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в
древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого
слова в русском языке нет.
Физические
и химические свойства: кристаллическая решетка металлической меди кубическая
гранецентрированная, параметр решетки а = 0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см3,
температура плавления 1083,4°C, температура кипения 2567°C. Медь среди всех
других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из
самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление
1,68·10–3 Ом·м).
В
сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на
поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка
состава Cu(OH)2·CuCO3. Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и
сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно
имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением
времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина
предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Для создания на художественных
предметах «налета старины» на них наносят слой меди, который затем специально
патинируется.
При
нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования
на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид
CuO.
Красновато-коричневый
оксид меди (I) Cu2O при растворении в бромо- и иодоводородной кислотах
образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При
взаимодействии Cu2O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат
меди:
Cu2O
+ H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O.
При
нагревании на воздухе или в кислороде Cu2O окисляется до CuO, при нагревании в
токе водорода - восстанавливается до свободного металла.
Черный
оксид меди (II) CuO, как и Cu2O, c водой не реагирует. При взаимодействии CuO с
кислотами образуются соли меди (II):
CuO
+ H2SO4 = CuSO4 + H2O
При
сплавлении со щелочами CuO образуются купраты, например:
CuO
+ 2NaOH = Na2CuO2 + H2O
Нагревание
Cu2O в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:
Cu2O
= CuO + Cu.
Такие
восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие восстанавливают
CuO до свободной меди, например:
CuO
+ СО = Cu + СО2.
Кроме
оксидов меди Cu2O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu2O3,
обладающий сильными окислительными свойствами.
Медь
реагирует с галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с медью с
образованием темно-коричневого дихлорида CuCl2. Существуют также дифторид меди
CuF2 и дибромид меди CuBr2, но дииодида меди нет. И CuCl2, и CuBr2 хорошо
растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и образуют голубые
растворы.
При
реакции CuCl2 с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый
в воде хлорид меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной
соляной кислоте, причем образуются комплексные анионы [CuCl2]–, [CuCl3]2– и
[СuCl4]3–, например за счет процесса:
CuCl
+ НCl = H[CuCl2]
При
сплавлении меди с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu2S. Сульфид
меди (II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через
раствор соли меди (II):
H2S
+ CuSO4 = CuS + H2SO4
C
водородом, азотом, графитом, кремнием медь не реагирует. При контакте с
водородом медь становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди)
из-за растворения водорода в этом металле.
В
присутствии окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с
соляной кислотой и разбавленной серной кислотой, но водород при этом не
выделяется:
2Cu
+ 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O.
С
азотной кислотой различных концентраций медь реагирует довольно активно, при
этом образуется нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например,
с 30%-й азотной кислотой реакция меди протекает так:
3Cu
+ 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
С
концентрированной серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:
Cu
+ 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O.
Практическое
значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III),
причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа
(II):
2FeCl3
+ Cu = CuCl2 + 2FeCl2
Этот
процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости
удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы
меди Cu2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)]2+.
При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2 в осадок
выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.
Гидроксид
меди Cu(OH)2 характеризуется преобладанием основных свойств. Он реагирует с
кислотами с образованием соли и воды, например:
Сu(OH)2
+ 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O.
Но
Сu(OH)2 реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом
образуются соответствующие купраты, например:
Сu(OH)2
+ 2NaOH = Na2[Cu(OH)4]
Если
в медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH)2 или основного
сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается растворение
целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы. Из этого
раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят применение
при производстве бельевого трикотажа и различных тканей.
Нахождение
в природе: в земной коре содержание меди составляет около 5·10–3% по массе.
Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420
тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены
сульфидные руды: халькопирит, или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS
(64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4
(52-65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт
Cu2O, (81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие. Известно 170
медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.
Различных
руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же
медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения
полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в
которых, кроме меди, присутствуют железо (Fe), цинк (Zn), свинец (Pb), и другие
металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий,
селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото.
Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди
составляет немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится
примерно 1·10–8 % меди.
Получение:
промышленное получение меди — сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду
дробят, а для отделения пустой породы используют, как правило, флотационный
метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18-45% меди по массе)
подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется
огарок - твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других
металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой
плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди
составляет до 40-50%. Далее штейн подвергают конвертированию — через
расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн
добавляют кварцевый флюс (песок SiO2). В процессе конвертирования содержащийся
в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и
выделяется в виде сернистого газа SO2:
2FeS
+ 3O2 + 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2
Одновременно
сульфид меди (I) Cu2S окисляется:
2Cu2S
+ 3О2 = 2Cu2О + 2SO2
Образовавшийся
на этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S:
2Cu2О
+ Cu2S = 6Cu + SО2
В
результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой
меди составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают
рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том,
что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси
более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с
кислородом и переходят в оксидные шлаки. На заключительной стадии медь
подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом
черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой
очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди,
выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в
электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.
Применение:
медь, как полагают, — первый металл, который человек научился обрабатывать и
использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди
датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение
сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало
1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на
всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари,
украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.
С
20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью.
Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления
различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической
аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал
различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в
гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных
изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.
Большое
значение имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы
(сплавы с разными элементами, главным образом металлами — оловом (Sn), алюминием
(Al), берилием (Be), свинцом (Pb), кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и
никеля (Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В
зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях
техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а
также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые
монетные сплавы (медь с "алюминием (Al) и медь с никелем (Ni)) применяют
для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих
монетного серебра и монетного золота.
Биологическая
роль: медь присутствует во всех организмах и принадлежит к числу
микроэлементов, необходимых для их нормального развития (см. Биогенные
элементы). В растениях и животных содержание меди варьируется от 10–15 до
10–3%. Мышечная ткань человека содержит 1·10–3% меди, костная ткань —
(1-26)·10–4 %, в крови присутствует 1,01 мг/л меди. Всего в организме среднего
человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг меди. Основная роль меди в тканях
растений и животных - участие в ферментативном катализе. Медь служит
активатором ряда реакций и входит в состав медьсодержащих ферментов, прежде
всего оксидаз, катализирующих реакции биологического окисления. Медьсодержащий
белок пластоцианин участвует в процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий
белок, гемоцианин, выполняет роль гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так
как медь токсична, в животном организме она находится в связанном состоянии.
Значительная ее часть входит в состав образующегося в печени белка
церулоплазмина, циркулирующего с током крови и деставляющего медь к местам
синтеза других медьсодержащих белков. Церулоплазмин обладает также
каталитической активностью и участвует в реакциях окисления. Медь необходима
для осуществления различных функций организма — дыхания, кроветворения
(стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина), обмена углеводов и
минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как растений, так и
животных и человека. С пищей человек ежедневно получает 0,5-6 мг меди.
Сульфат
меди и другие соединения меди используют в сельском хозяйстве в качестве
микроудобрений и для борьбы с различными вредителями растений. Однако при
использовании соединений меди, при работах с ними нужно учитывать, что они
ядовиты. Попадание солей меди в организм приводит к различным заболеваниям
человека. ПДК для аэрозолей меди составляет 1 мг/м3, для питьевой воды
содержание меди должно быть не выше 1,0 мг/л.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.alhimikov.net/
|