Медь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
29 НикельМедьЦинк
Cu

Ag
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
29Cu
Cubic-face-centered.svg
Electron shell 029 Copper.svg
Внешний вид простого вещества
Cuivre Michigan.jpgПластичный металл золотисто-розового цвета
Свойства атома
Название, символ, номер

Медь/Cuprum (Cu), 29

Атомная масса
(молярная масса)

63,546(3)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Ar] 3d10 4s1

Радиус атома

128 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

117 пм

Радиус иона

(+2e) 73 (+1e) 77 (K=6) пм

Электроотрицательность

1,90 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

+0,337 В/ +0,521 В

Степени окисления

3, 2, 1, 0

Энергия ионизации
(первый электрон)

 745,0 (7,72) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

8,92 г/см³

Температура плавления

1356,55 K (1 083,4 С)

Температура кипения

2840,15 K

Уд. теплота плавления

13,01 кДж/моль

Уд. теплота испарения

304,6 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

24,44[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

7,1 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая гранецентрированая

Параметры решётки

3,615 Å

Температура Дебая

315 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 401 Вт/(м·К)

Номер CAS

7440-50-8

29
Медь
Cu
63,546
3d104s1

Медь — элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко используется человеком.

Содержание

История[править | править вики-текст]

Медь — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Он входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён[3]. Этот металл встречается в природе в самородном виде чаще, чем золото, серебро и железо. Одни из самых древних изделий из меди, а также шлак — свидетельство выплавки её из руд — найдены при раскопках поселения Чатал-Гююк[4]. Медный век, когда значительное распространение получили медные предметы, следует во всемирной истории за каменным веком. Экспериментальные исследования С. А. Семёнова с сотрудниками показали, что несмотря на мягкость меди, медные орудия труда по сравнению с каменными дают значительный выигрыш в скорости рубки, строгания, сверления и распилки древесины, а на обработку кости затрачивается примерно такое же время, как для каменных орудий[5].

В древности медь применялась также в виде сплава с оловом — бронзы — для изготовления оружия и т. п., бронзовый век пришел на смену медному. Сплав меди с оловом (бронзу) получили впервые за 3000 лет до н. э. на Ближнем Востоке. Бронза привлекала людей прочностью и хорошей ковкостью, что делало её пригодной для изготовления орудий труда и охоты, посуды, украшений. Все эти предметы находят в археологических раскопах. На смену бронзовому веку относительно орудий труда пришёл железный век.

Первоначально медь добывали из малахитовой руды, а не из сульфидной, так как она не требует предварительного обжига. Для этого смесь руды и угля помещали в глиняный сосуд, сосуд ставили в небольшую яму, а смесь поджигали. Выделяющийся угарный газ восстанавливал малахит до свободной меди:

\mathsf{2CO + (CuOH)_2CO_3 \rightarrow 2Cu + 3CO_2 + H_2O}

На Кипре уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.

На территории России и сопредельных стран медные рудники появились за два тысячелетия до н. э. Остатки их находят на Урале (наиболее известное месторождение — Каргалы), в Закавказье, на Украине, в Сибири, на Алтае.

В XIII—XIV вв. освоили промышленную выплавку меди. В Москве в XV в. был основан Пушечный двор, где отливали из бронзы орудия разных калибров. Много меди шло на изготовление колоколов. Из бронзы были отлиты такие произведения литейного искусства, как Царь-пушка (1586 г.), Царь-колокол (1735 г.), Медный всадник (1782 г.), в Японии была отлита статуя Большого Будды (храм Тодай-дзи ) (752 г.).

С открытием электричества в XVIII—XIX вв. большие объёмы меди стали идти на производство проводов и других связанных с ним изделий. И хотя в XX в. провода часто стали делать из алюминия, медь не потеряла значения в электротехнике[6].

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр.

У Страбона медь именуется халкосом, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр. ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник.

Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Славянское *mědь «медь» не имеет чёткой этимологии, возможно, исконное слово[7][8]. В. И. Абаев предполагал происхождение слова от названия страны Мидия: *Мѣдь из ир. Мādа- через посредство греч. Μηδία[9]


Алхимики именовали медь «венера» (Venus). В более древние времена встречается название «марс» (Mars).

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Самородная медь

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7-5,5)·10−3% (по массе)[2]. В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7% и 10−7% (по массе) соответственно[2].

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS2, также известный как медный колчедан, халькозин Cu2S и борнит Cu5FeS4. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн[10]. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и сланцы. Наиболее известные из месторождений такого типа — Удокан в Забайкальском крае, Жезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси)[11].

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Кристаллы меди

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Медь обладает высокой тепло-[12] и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм[13]. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком.

Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем, баббиты — со свинцом и другие.

Изотопы меди[править | править вики-текст]

Природная медь состоит из двух стабильных изотопов — 63Cu и 65Cu с распространённостью 69,1 и 30,9 атомных процентов соответственно. Известны более двух десятков нестабильных изотопов, самый долгоживущий из которых 67Cu с периодом полураспада 62 часа [14].

Получение[править | править вики-текст]

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз.

Пирометаллургический метод[править | править вики-текст]

Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Халькопиритное сырье содержит 0,5-2,0% Cu. После флотационного обогащения исходной руды концентрат подвергают окислительному обжигу при температуре 1400°:

~\mathsf{ 2CuFeS_2 + O_2 \longrightarrow 2Cu_2S + 2FeS + SO_2\uparrow }
~\mathsf{ 2FeS + 3O_2 \longrightarrow 2FeO + 2SO_2\uparrow }

Затем обожженный концентрат подвергают плавке на штейн. В расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезем:

~\mathsf{ FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3 }

Образующийся силикат в виде шлака всплывает и его отделяют. Оставшийся на дне штейн - сплав сульфидов FeS и Cu2S - подвергают бессемеровской плавке. Для этого расплавленный штейн переливают в конвертер, в который продувают кислород. При этом оставшийся сульфид железа окисляется до оксида и с помощью кремнезема выводится из процесса в виде силиката. Сульфид меди частично окисляется до оксида и затем восстанавливается до металлической меди:

~\mathsf{ 2Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 2Cu_2O + 2SO_2 }
~\mathsf{ 2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2 }

Получаемая черновая медь содержит 90,95% металла и подвергается дальнейшей электролитической очистке с использованием в качестве электролита подкисленного раствора медного купороса. Образующаяся на катоде электролитическая медь имеет высокую чистоту до 99,99% и используется для изготовления проводов, электротехнического оборудования, а также сплавов.

Гидрометаллургический метод[править | править вики-текст]

Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:

~\mathsf{ CuSO_4 + Fe \longrightarrow Cu\downarrow + FeSO_4 }

Электролизный метод[править | править вики-текст]

Электролиз раствора сульфата меди:

~\mathsf{ CuSO_4 \rightleftarrows Cu^{2+}+ SO_4^{2-} }
\mathsf{ K^{-}: Cu^{2+}+ 2e \longrightarrow Cu^{0} }
\mathsf{ A^{+}: 2H_2O - 4e \longrightarrow O_2 + 4H^{+} }
~\mathsf{ 2CuSO_4 + 2H_2O \longrightarrow 2Cu\downarrow + O_2\uparrow +2H_2SO_4 }

Химические свойства[править | править вики-текст]

Возможные степени окисления[править | править вики-текст]

В соединениях медь проявляет две степени окисления: +1 и +2. Первая из них склонна к диспропорционированию и устойчива только в нерастворимых соединениях (Cu2O, CuCl, CuI и т. п.) или комплексах (например, [Cu(NH3)2]+). Её соединения бесцветны. Более устойчива степень окисления +2, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23−, полученных в 1994 году.

Простое вещество[править | править вики-текст]

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не вступает в реакцию с водой и разбавленной соляной кислотой. Переводится в раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Вступает в реакцию при нагревании с галогеноводородами.

На влажном воздухе медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II) (внешний слой патины):

~\mathsf{ 2Cu + H_2O + CO_2 + O_2 \longrightarrow \ Cu_2CO_3(OH)_2\downarrow }

Реагирует с концентрированной холодной серной кислотой:

~\mathsf{ Cu + H_2SO_4 \longrightarrow \ CuO + SO_2\uparrow\ + H_2O }

С концентрированной горячей серной кислотой:

~\mathsf{ Cu + 2H_2SO_4 \longrightarrow \ CuSO_4 + SO_2\uparrow\ + 2H_2O }

С безводной горячей серной кислотой:

~\mathsf{ 2Cu + 2H_2SO_4 \ \xrightarrow{200^oC} \ Cu_2SO_4\downarrow + SO_2\uparrow\ + 2H_2O}

C разбавленной серной кислотой при нагревании в присутствии кислорода воздуха:

~\mathsf{ 2Cu + 2H_2SO_4 + O_2 \xrightarrow{t^\circ }\ 2CuSO_4 + 2H_2O}

С концентрированной азотной кислотой:

~\mathsf{ Cu + 4HNO_3 \longrightarrow \ Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}

С разбавленной азотной кислотой:

~\mathsf{ 3Cu + 8HNO_3 \longrightarrow \ 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}

С "царской водкой":

~\mathsf{ 3Cu + 2HNO_3 + 6HCl \longrightarrow \ 3CuCl_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}

С концентрированной горячей соляной кислотой:

~\mathsf{ 2Cu + 4HCl \longrightarrow\ 2H[CuCl_2] + H_2\uparrow}

C разбавленной хлороводородной кислотой в присутствии кислорода:

~\mathsf{ 2Cu + 4HCl + O_2\longrightarrow \ 2CuCl_2 + 2H_2O}

С газообразным хлороводородом при 500—600 °C:

~\mathsf{ 2Cu + 4HCl + O_2\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 2CuCl_2 + 2H_2O }

С бромоводородом:

~\mathsf{ 2Cu + 4HBr \longrightarrow \ 2H[CuBr_2] + H_2\uparrow}

Также медь реагирует с концентрированной уксусной кислотой в присутствии кислорода:

~\mathsf{ 2Cu + 4CH_3COOH + O_2\longrightarrow \ [Cu_2(H_2O)_2(CH_3COO)_4]}

Медь растворяется в концентрированном гидроксиде аммония, с образованием аммиакатов:

~\mathsf{ Cu \xrightarrow{NH_3\cdot H_2O, O_2}\ [Cu(NH_3)_2]OH\rightleftarrows \ [Cu(NH_3)_4](OH)_2}

Окисляется до оксида меди(I) при недостатке кислорода и 200 °C и до оксида меди(II), при избытке кислорода и температурах порядка 400—500 °C:

~\mathsf{ 4Cu + O_2 \ \xrightarrow{200^oC} \ 2Cu_2O}
~\mathsf{ 2Cu + O_2 \ \xrightarrow{400-500^oC} \ 2CuO}

Медный порошок реагирует с хлором, серой (в жидком сероуглероде) и бромом (в эфире), при комнатной температуре:

~\mathsf{ Cu + Cl_2\longrightarrow \ CuCl_2}
~\mathsf{ Cu + Br_2\longrightarrow \ CuBr_2}
~\mathsf{ Cu + S\ \xrightarrow{CS_2} \ CuS}

При 300—400 °C реагирует с серой и селеном:

~\mathsf{ 2Cu + S\ \xrightarrow{300-400^oC} \ Cu_2S}
~\mathsf{ 2Cu + Se\ \xrightarrow{300-400^oC} \ Cu_2Se}

C оксидами неметаллов:

~\mathsf{ 4Cu + SO_2\ \xrightarrow{600-800^oC} \ Cu_2S + 2CuO}
~\mathsf{ 2Cu + 2NO\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 2CuO + N_2\uparrow}
~\mathsf{ 4Cu + 2NO_2\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 4CuO + N_2\uparrow}
~\mathsf{ Cu + 2N_2O_4\ \xrightarrow{80^oC, CH_3-COO-CH_2-CH_3} \ Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow}

Медь реагирует с цианидом калия с образованием дицианокупрата(I) калия, щелочи и водорода:

~\mathsf{ 2Cu + 4KCN + 2 H_2O \longrightarrow \ 2K[Cu(CN)_2] + 2KOH + H_2\uparrow}

С концентрированной соляной кислотой и хлоратом калия:

~\mathsf{ 6Cu + 12HCl + KClO_3\longrightarrow \ 6H[CuCl_2] + 2KCl + 3H_2O}

Соединения меди(I)[править | править вики-текст]

Степени окисления +1 соответствует оксид Cu2O красно-оранжевого цвета. Соответствующий гидроксид CuOH (жёлтого цвета) быстро разлагается с образованием оксида. Гидроксид CuOH проявляет основные свойства.

Многие соединения меди +1 имеют белую окраску либо бесцветны. Это объясняется тем, что в ионе Сu+ все пять Зd-орбиталей заполнены парами электронов.

Ионы меди(I) в водном растворе неустойчивы и легко диспропорционируют:

\mathsf{2Cu^+ \rightarrow Cu^{2+} + Cu\downarrow}

В то же время медь(I) встречается в форме соединений, которые не растворяются в воде, либо в составе комплексов. Например, дихлорокупрат(I)-ион [CuCl2] устойчив. Его можно получить, добавляя концентрированную соляную кислоту к хлориду меди(I):

\mathsf{CuCl + Cl^- \rightarrow [CuCl_2]^-}

Свойства соединений меди (I) похожи на свойства соединений серебра (I). В частности, CuCl, CuBr и CuI нерастворимы. Также существует нестабильный сульфат меди(I)

Соединения меди(II)[править | править вики-текст]

Степень окисления II — наиболее стабильная степень окисления меди. Ей соответствует чёрный оксид CuO и голубой гидроксид Cu(OH)2, который при стоянии легко отщепляет воду и при этом чернеет:

\mathsf{Cu(OH)_2 \rightarrow CuO + H_2O}

Гидроксид меди (II) носит преимущественно основный характер и только в концентрированной щелочи частично растворяется с образованием синего гидроксокомплекса. Наибольшее значение имеет реакция гидроксида меди (II) с водным раствором аммиака, при которой образуется так называемый реактив Швейцера (растворитель целлюлозы):

\mathsf{Cu(OH)_2 + 4NH_3 \rightarrow \left[ Cu(NH_3)_4 \right](OH)_2}

Соли меди(II) образуются при растворении меди в кислотах-окислителях (азотной, концентрированной серной). Большинство солей в этой степени окисления имеют синюю или зелёную окраску.

Соединения меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе (например, использование реактива Фелинга).

Карбонат меди(II) имеет зелёную окраску, что является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди и медных сплавов при взаимодействии оксидной плёнки с углекислым газом воздуха в присутствии воды. Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO4∙5H2O, используется как фунгицид.

Оксид меди (II) используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa2Cu3O7-δ), который является основой для получения сверхпроводников.

Соединения меди(III) и меди(IV)[править | править вики-текст]

Степени окисления III и IV являются малоустойчивыми степенями окисления и представлены только соединениями с кислородом, фтором или в виде комплексов.

Аналитическая химия меди[править | править вики-текст]

Возбуждённые атомы меди окрашивают пламя в голубовато-зелёный цвет

Медь можно обнаружить в растворе по зелёно-голубой окраске пламени бунзеновской горелки, при внесении в него платиновой проволочки, смоченной исследуемым раствором.

  • Традиционно количественное определение меди в слабокислых растворах проводилось с помощью пропускания через него сероводорода, при этой сульфид меди выпадает в далее взвешиваемый осадок .
  • В растворах, при отсутствии мешающих ионов медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически, ионометрически.
  • Микроколичества меди в растворах определяют кинетическими и спектральными методами.

Применение[править | править вики-текст]

В электротехнике[править | править вики-текст]

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C: 0,01724-0,0180 мкОм·м[13]), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых и других кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 %[15].

Теплообмен[править | править вики-текст]

Система охлаждения из меди на тепловых трубках в ноутбуке

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления, компьютерных кулерах, тепловых трубках.

Для производства труб[править | править вики-текст]

В связи с высокой механической прочностью и пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

В России производство водогазопроводных труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005[16], а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.

Сплавы[править | править вики-текст]

Сплавы на основе меди[править | править вики-текст]

Латунная игральная кость, рядом слиток меди и цинк
Статуэтка, отлитая из бронзы

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав пушечной бронзы, использовавшейся для изготовления артиллерийских орудий вплоть до XIX века, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллерийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой пластичности. Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30—40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм² у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не изменяют механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость определяются только химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900—12000 кгс/мм², ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред (медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) и хорошей электропроводностью. Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевый сплав (мельхиор) используются для чеканки разменной монеты[17]. Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости. Медь является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 градусов Цельсия, обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения разнообразных металлических деталей, особенно, из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей

Сплавы, в которых медь значима[править | править вики-текст]

Повреждённая пожаром дюралевая деталь дирижабля Гинденбург (LZ 129)

Дюраль (дюралюминий) определяют, как сплав алюминия и меди (меди в дюрали 4,4 %).

Ювелирные сплавы[править | править вики-текст]

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото — очень мягкий металл и нестойко к механическим воздействиям.

Соединения меди[править | править вики-текст]

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди YBa2Cu3O7-δ, который является основой для получения высокотемпературных сверхпроводников. Медь применяется для производства медно-окисных гальванических элементов и батарей.

Другие сферы применения[править | править вики-текст]

Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена. Из-за этого трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Широко применяется медь в архитектуре. Кровли и фасады из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006[18].

Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать её применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Пары меди используются в качестве рабочего тела в лазерах на парах меди, на длинах волн генерации 511 и 578 нм.

Стоимость[править | править вики-текст]

На 2011 год стоимость меди составляет около $8900 за тонну[19].

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Продукты, богатые медью.
Метаболизм меди у человека. Поступление в энтероцит с помощью транспортёра CMT1, перенос с помощью ATOX1 в сеть транс-Гольджи, при росте концентрации — высвобождение с помощью АТФ-азы ATP7A в воротную вену. Поступление в гепатоцит, где ATP7B нагружает ионами меди белок церулоплазмин, а избыток выводит в желчь.

Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина.

Медь встречается в большом количестве ферментов, например, в цитохром-с-оксидазе, в содержащем медь и цинк ферменте супероксид дисмутазе, и в переносящем молекулярный кислород белке гемоцианине. В крови всех головоногих и большинства брюхоногих моллюсков и членистоногих медь входит в состав гемоцианина в виде имидазольного комплекса иона меди, роль, аналогичная роли порфиринового комплекса железа в молекуле белка гемоглобина в крови позвоночных животных.

Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента. Здоровому взрослому человеку необходимо поступление меди в количестве 0,9 мг в день.

При недостатке меди в хондро- и остеобластах снижается активность ферментных систем и замедляется белковый обмен, в результате замедляется и нарушается рост костных тканей[20].

Токсичность[править | править вики-текст]

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 2 мг/л (средняя величина за период из 14 суток), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) сформулировала в 1998 году это правило так: «Риски для здоровья человека от недостатка меди в организме многократно выше, чем риски от её избытка».

В 2003 году в результате интенсивных исследований ВОЗ пересмотрела прежние оценки токсичности меди. Было признано, что медь не является причиной расстройств пищеварительного тракта[21].

Существовали опасения, что Гепатоцеребральная дистрофия (болезнь Вильсона — Коновалова) сопровождается накоплением меди в организме, так как она не выделяется печенью в желчь. Эта болезнь вызывает повреждение мозга и печени. Однако причинно-следственная связь между возникновением заболевания и приёмом меди внутрь подтверждения не нашла[21]. Установлена лишь повышенная чувствительность лиц, в отношении которых диагностировано это заболевание к повышенному содержанию меди в пище и воде.

Бактерицидность[править | править вики-текст]

Бактерицидные свойства меди и её сплавов были известны человеку давно. В 2008 году после длительных исследований Федеральное Агентство по Охране Окружающей Среды США (US EPA) официально присвоило меди и нескольким сплавам меди статус веществ с бактерицидной поверхностью[22] (агентство подчёркивает, что использование меди в качестве бактерицидного вещества может дополнять, но не должно заменять стандартную практику инфекционного контроля). Особенно выражено бактерицидное действие поверхностей из меди (и её сплавов) проявляется в отношении метициллин-устойчивого штамма стафилококка золотистого, известного как «супермикроб» MRSA[23]. Летом 2009 была установлена роль меди и сплавов меди в инактивировании вируса гриппа A/H1N1 (т. н. «свиной грипп»)[24].

Органолептические свойства[править | править вики-текст]

Ионы меди придают излишку меди в воде отчётливый «металлический вкус». У разных людей порог органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2—10 мг/л. Естественная способность к такому определению повышенного содержания меди в воде является природным механизмом защиты от приёма внутрь воды с излишним содержанием меди.

Производство, добыча и запасы меди[править | править вики-текст]

Мировая добыча меди в 2000 году составляла около 15 млн т, a в 2004 году — около 14 млн т[25][26]. Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т подтверждённые запасы[25], на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов[25]. Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет.

Производство рафинированной меди в России в 2006 году составило 881,2 тыс. тонн, потребление — 591,4 тыс. тонн[27]. Основными производителями меди в России являлись:

Компания тыс. тонн %
Норильский никель 425 45 %
Уралэлектромедь 351 37 %
Русская медная компания 166 18 %

К указанным производителям меди в России в 2009 году присоединился Холдинг «Металлоинвест», выкупивший права на разработку нового месторождения меди «Удоканское»[28]. Мировое производство меди в 2007 году составляло[29] 15,4 млн т, а в 2008 году — 15,7 млн т Лидерами производства были:

  1. ЧилиFlag of Chile.svg Чили (5,560 млн т в 2007 г. и 5,600 млн т в 2008 г.),
  2. СШАFlag of the United States.svg США (1,170/1,310),
  3. ПеруFlag of Peru (state).svg Перу (1,190/1,220),
  4. КНРFlag of the People's Republic of China.svg КНР (0,946/1,000),
  5. АвстралияFlag of Australia.svg Австралия (0,870/0,850),
  6. РоссияFlag of Russia.svg Россия (0,740/0,750),
  7. ИндонезияFlag of Indonesia.svg Индонезия (0,797/0,650),
  8. КанадаFlag of Canada.svg Канада (0,589/0,590),
  9. ЗамбияFlag of Zambia.svg Замбия (0,520/0,560),
  10. КазахстанFlag of Kazakhstan.svg Казахстан (0,407/0,460),
  11. ПольшаFlag of Poland.svg Польша (0,452/0,430),
  12. МексикаFlag of Mexico.svg Мексика (0,347/0,270).

Смотрим также более полный список стран по производству меди.

По объёму мирового производства и потребления медь занимает третье место после железа и алюминия.

Разведанные мировые запасы меди на конец 2008 года составляют 1 млрд т, из них подтверждённые — 550 млн т. Причём, оценочно, считается что глобальные мировые запасы на суше составляют 3 млрд т, а глубоководные ресурсы оцениваются в 700 млн т.

Современные способы добычи[править | править вики-текст]

Сейчас известно более 170 минералов, содержащих медь, но из них только 14—15 имеют промышленное значение. Это — халькопирит (он же медный колчедан), малахит, встречается и самородная медь. В медных рудах часто в качестве примесей встречаются молибден, никель, свинец, кобальт, реже — золото, серебро. Обычно медные руды обогащаются на фабриках, прежде чем поступают на медеплавильные комбинаты. Богаты медью Казахстан, США, Чили, Канада, африканские страны — Заир, Замбия, Южно-Африканская республика. Эскондида — самый большой в мире карьер, в котором добывают медную руду. Расположен в Чили.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 °C.

С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах[30].

Влияние на экологию[править | править вики-текст]

При открытом способе добычи после её прекращения карьер становится источником токсичных веществ. Самое токсичное озеро в мире — Беркли Пит — образовалось в кратере медного рудника.

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • Индейцы культуры Чонос (Эквадор) ещё в XVXVI веках выплавляли медь с содержанием 99,5 % и употребляли её в качестве монеты в виде топориков 2 мм по сторонам и 0,5 мм толщиной. Данная монета ходила по всему западному побережью Южной Америки, в том числе и в государстве Инков[31].
  • В Японии медным трубопроводам для газа в зданиях присвоен статус «сейсмостойких».
  • Инструменты, изготовленные из меди и её сплавов не создают искр, а потому применяются там, где существуют особые требования безопасности (огнеопасные, взрывоопасные производства).
  • В организме взрослого человека содержится до 80 мг меди.
  • Польские учёные установили, что в тех водоёмах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными размерами. В прудах или озёрах, где меди нет, быстро развивается грибок, который поражает карпов[32].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 3 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 7. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
  3. Медь // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд. / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 138. — ISBN 5-7155-0292-6.
  4. Спиридонов, 1989, с. 5—8
  5. Спиридонов, 1989, с. 20—22
  6. Спиридонов, 1989, с. 172
  7. Этимологический словарь славянских языков, том 18. — Издательство "Наука". — 1993. — С. 144-146.
  8. Откупщиков Ю. В. Очерки по этимологии. — СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета. — 2001. — С. 127-130.
  9. Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. Т. II. С. 591.
  10. Медь самородная в БСЭ
  11. Крупнейшие мономинеральные месторождения (рудные районы, бассейны)
  12. при 20 °С: 394,279 Вт/(м·К), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С)
  13. 1 2 Электротехнический справочник. Т. 1. / Составитель И. И. Алиев. — М. : ИП РадиоСофт, 2006. — C. 246. — ISBN 5-93037-157-1
  14. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 2-е изд., испр. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
  15. Применение меди (недоступная ссылка с 21-05-2013 (573 дня) — историякопия)
  16. ГОСТ Р 52318-2005 Трубы медные круглого сечения для воды и газа. Технические условия
  17. Смирягин А. П.,Смирягина Н. А., Белова А. В. Промышленные цветные металлы и сплавы. 3-е изд. — Металлургия, 1974. — С. 321. — 488 с.
  18. СП 31-116-2006 Проектирование и устройство кровель из листовой меди
  19. Цена меди
  20. Медь и рост человека // Наука и жизнь. — М.: «Правда», 1990. — № 1. — С. 17.
  21. 1 2 CHEMICAL FACT SHEETS (англ.). Проверено 29 декабря 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  22. US EPA
  23. В США наблюдается вспышка инфекции MRSA за пределами госпиталей
  24. British Scientist Shares Expertise on Swine Flu Control in Beijing
  25. 1 2 3 Производство меди
  26. В 2005 г. мировая добыча меди увеличится на 8 % до 15,7 млн т. — Новости металлургии
  27. Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2020 года. Минпромэнерго РФ (18 марта 2009). Проверено 29 декабря 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  28. Металлонвест оплатил лицензию за Удокан
  29. MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009
  30. Получение меди
  31. Espinoza Soriano, Waldemar. Etnohistoria ecuatoriana: estudios y documentos. — Quito: Abya-Yala, 1988. — p. 135.
  32. Интересные факты о меди и медных трубах

Литература[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «медь»

Ссылки[править | править вики-текст]