Реферат: Металлы в периодической системе Д.И. Менделеева
Медь.
От (лат. Cuprum), Сu, химический элемент подгруппы
16 периодической системы; атомный номер 29, атомная масса 63,546 относится к переходным
металлам. Природная медь представляет собой смесь нуклидов с
массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%).
Распространённость в природе. Среднее содержание
меди в земной коре 4,7-10~3% по массе.
В земной коре медь встречается как в виде
самородков, так и в виде различных минералов. Самородки меди, порой
значительных размеров, покрыты зелёным или голубым налётом и необычайно тяжелы
по сравнению с камнем; самый большой самородок массой около 420 т был найден в
США в районе Великих Озёр (рисунок). Подавляющая часть меди присутствует в
горных породах в виде соединений. Известно более 250 минералов, содержащих
медь. Промышленное значение имеют: халькопирит (медный колчедан) СuFeS2, ковеллин (медный индиго)
Сu2S, халькозин (медный
блеск) Сu2S, куприт Сu2О, малахит СuСОз*Си(ОН)2 и
азурит 2СиСОз*Си(ОН)2. Почти все минералы меди ярко и красиво
окрашены, например халькопирит отливает золотом, медный блеск имеет синевато-
стальной цвет, азурит - густо синий со стеклянным блеском, а кусочки ковеллина отливают
всеми цветами радуги. Многие из медных минералов - поделочные и драгоценные
камни -самоцветы; очень высоко ценятся малахит и бирюза СuА16(РO4)4(ОН)8*5Н2O. Наиболее крупные
месторождения медных руд находятся в Северной и Южной Америке (гл. обр. в США,
Канаде, Чили, Перу, Мексике), Африке (Замбия, ЮАР), Азии (Иран, Филиппины,
Япония). В России залежи медных руд имеются на Урале и Алтае.
Медные руды обычно полиметаллические: помимо
меди они содержат Fe, Zn, Рb, Sn, Ni, Мо, Аu, Аg, Sе, платиновые металлы и др.
Историческая справка. Медь известна с незапамятных
времён и входит в «великолепную семёрку» древнейших металлов, используемых
человечеством, - это золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть. По
археологическим данным, медь была известна людям уже 6000 лет назад. Она
оказалась первым металлом, заменившим древнему человеку камень в первобытных
орудиях труда. Это было начало т.наз. медного века, который длился около двух
тысячелетий. Из меди выковывали, а потом и выплавляли топоры, ножи, булавы,
предметы домашнего обихода. По преданию, античный бог-кузнец Гефест выковал
для непобедимого Ахилла щит из чистой меди. Камни для 147-метровой пирамиды
Хеопса также были добыты и отёсаны медным инструментом.
Древние римляне вывозили медную руду с острова
Кипр, отсюда и произошло латинское название меди - «купрум». Русское
название «медь», по-видимому, связано со словом «смида», что в древности
означало «металл».
В рудах, добываемых на Синайском полуострове,
иногда попадались руды с примесью олова, что привело к открытию сплава меди с
оловом -бронзы. Бронза оказалась более легкоплавкой и твёрдой, чем сама медь.
Открытие бронзы положило начало длительному бронзовому веку (4-1-е тысячелетия
до н. э.).
Свойства. Медь - металл красного цвета. Т.пл.
1083 "С, т. кип. 2567 °С, плотность 8,92 г/см . Это пластичный ковкий
металл, из него можно прокатать листочки в 5 раз тоньше папиросной бумаги. Медь
хорошо отражает свет, прекрасно проводит тепло и электричество, уступая только
серебру.
Конфигурация внешних электронных слоев атома меди
3d104s1 (d-элемент). Хотя медь и
щелочные металлы находятся в одной и той же I группе, их поведение и
свойства сильно различаются. С щелочными металлами медь сближает только
способность образовывать одновалентные катионы. При образовании соединений
атом меди может терять не только внешний s-электрон, но один или
два d-электрона
предшествующего слоя, проявляя при этом более высокую степень окисления. Для
меди степень окисления +2 более характерна, чем +1.
Металлическая медь малоактивна, в сухом и чистом
воздухе стабильна. Во влажном воздухе, содержащем СО2, на её
поверхности образуется зеленоватая плёнка Сu(ОН)2*СuСОз, называемая патиной.
Патина придаёт изделиям из меди и ее сплавов красивый «старинный» вид; сплошной
налёт патины, кроме того, защищает металл от дальнейшего разрушения. При
нагревании меди в чистом и сухом кислороде происходит образование чёрного
оксида СиО; нагревание выше 375°С приводит к красному оксиду Сu2О. При нормальной
температуре оксиды меди на воздухе устойчивы.
В ряду напряжений медь стоит правее водорода, и
поэтому она не вытесняет водород из воды и в бескислородных кислотах не.
Растворяться в кислотах медь может только при её одновременном окислении, например
в азотной кислоте или концентрированной серной кислоте:
ЗСu + 8НNO3 = ЗСu(NO3)2 + 2NО + 4Н2O
Сu + 2Н2S04 = СиSO4
+ SO2 + 2Н2O
Фтор, хлор и бром реагируют с медью, образуя
соответствующие дигалогениды, например:
Сu + Сl2 = СuСl2
При взаимодействии нагретого порошка меди с йодом
получается иодид Сu(I),
или моноиодид меди:
2Сu +I2 = 2СuI
Медь горит в парах серы, образуя моносульфид СиS. С водородом при
нормальных условиях не взаимодействует. Однако, если образцы меди содержат
микропримеси оксида Си2O, то в атмосфере, содержащей водород, метан или
оксид углерода, происходит восстановление оксида меди до металла:
Сu2O+ Н2 = 2Сu + Н2O
Сu2O+ СО = 2Сu + СO2
Выделяющиеся пары воды и СO2 вызывают появление
трещин, что резко ухудшает механические свойства металла («водородная
болезнь»). Соли одновалентной меди - хлорид СuСl, сульфит Сu2SOз, сульфид Сu2S и другие - как правило,
плохо растворяются в воде. Для двухвалентной меди существуют соли практически
всех известных кислот; наиболее важные из них - сульфат СuSO4, хлорид СuСl2, нитрат Сu(NОз)2.Все они
хорошо растворяются в воде, а при выделении из неё образуют кристаллогидраты,
например СuСl2*2Н2O, Си(NOз)2*6Н2O, Си804-5Н20.
Цвет солей - от зелёного до синего, т. к. ион Сu в воде гидратируется и
находится в виде голубого аква-иона [Сu(Н2O)6]2+,
который и определяет цвет растворов солей двухвалентной меди.
Одну из важнейших солей меди - сульфат- получают
растворением металла в нагретой разбавленной серной кислоте при продувании
воздуха:
2Сu + 2Н2SO4 + O2 = 2СuSO4 + 2Н2O
Безводный сульфат бесцветен; присоединяя воду,
он превращается в медный купорос СuSO4-5Н2O - лазурно-синие
прозрачные кристаллы. Благодаря свойству сульфата меди изменять окраску при
увлажнении его используют для обнаружения следов воды в спиртах, эфирах,
бензинах и др.
При взаимодействии соли двухвалентной меди с
щёлочью образуется объёмный осадок голубого цвета - гидроксид Сu(ОН)2. Он амфотерный:
в концентрированной щёлочи растворяется с образованием соли, в которой медь
находится в виде аниона, например:
Сu(ОН)2 + 2КОН = К2[Сu(ОН)4]
В отличие от щелочных металлов, для меди
характерна склонность к комплексообразованию - ионы Сu и Сu2+ в воде могут образовывать
комплексные ионы с анионами (Сl-, СN-), нейтральными молекулами (NH3) и некоторыми
органическими соединениями. Эти комплексы, как правило, ярко окрашены и хорошо
растворяются в воде.
Получение и применение. Ещё в 19 в. медь
выплавляли из руд, содержащих не менее 15% металла. В настоящее время богатые
медные руды практически исчерпаны, поэтому медь гл. обр. получают из сульфидных
руд, содержащих лишь 1-7% меди. Выплавка металла - длительный и
многоступенчатый процесс.
После флотационной обработки исходной руды концентрат,
содержащий сульфиды железа и меди, помещают в медеплавильные отражательные
печи, нагреваемые до 1200 °С. Концентрат плавится, образуя т. наз. штейн,
содержащий расплавленные медь, железо и серу, а также твёрдые силикатные
шлаки, всплывающие на поверхность. В выплавленном штейне в виде СuS содержится около 30%
меди, остальное - сульфид железа и сера. Следующая стадия - превращение штейна
в т. наз. черновую медь, которое осуществляют в горизонтальных конвертерных
печах, продуваемых кислородом. Сначала окисляется FeS; для связывания получающегося
оксида железа в конвертер добавляют кварц - при этом образуется легко отделяемый
силикатный шлак. Затем окисляется СuS, превращаясь в металлическую медь, и выделяется SO2:
СuS + O2 = Сu + SO2
После удаления воздухом SO2 оставшуюся в конвертере
черновую медь, содержащую 97- 99% меди, разливают в формы и затем подвергают
электролитической очистке. Для этого слитки черновой меди, имеющие форму
толстых досок, подвешивают в электролизных ваннах, содержащих раствор медного
купороса с добавлением Н2SO4. В тех же ваннах подвешены и тонкие листы чистой
меди. Они служат катодами, а отливки из черновой меди - анодами. Во время
прохождения тока на аноде происходи растворение меди, а на катоде - её
выделение:
Сu - 2е = Сu2+
Сu2+ + 2е = Сu
Примеси, в том числе серебро, золото, платина,
выпадают на дно ванны в виде илообразной массы (шлама). Выделение из шлама
благородных металлов обычно окупает весь этот энергоёмкий процесс. После
такого рафинирования полученный металл содержит 98-99% меди.
Медь издавна применялась в строительстве: древние
египтяне строили медные водопроводы; крыши средневековых замков и церквей покрывали
листовой медью, например знаменитый королевский замок в Эльсиноре (Дания)
покрыт кровельной медью. Из меди изготовляли монеты и украшения. Благодаря
малому электрическому сопротивлению медь является главным металлом
электротехники: больше половины всей получаемой меди идёт на производство
электрических проводов для высоковольтных передач и слаботочных кабелей. Даже
ничтожные примеси в меди приводят к повышению её электрического сопротивления
и большим потерям электроэнергии.
Высокая теплопроводность и сопротивление коррозии
позволяют изготовлять из меди детали теплообменников, холодильников, вакуумных
аппаратов, трубопроводов для перекачки масел и топлив и пр. Широко используют
медь и в гальванотехнике при нанесении защитных покрытий на стальные изделия.
Так, например, при никелировании или хромировании стальных предметов на них
предварительно осаждают медь; в этом случае защитное покрытие служит дольше и
эффективней. Медь используют также в гальванопластике (т.е. при тиражировании
изделий методом получения их зеркального отображения), например при
изготовлении металлических матриц для печатания денежных купюр,
воспроизведения скульптурных изделий.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |