Медь – это пластичный золотисто-розовый металл с характерным металлическим блеском. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Сu (Cuprum) и находится под порядковым номером 29 в I группе (побочной подгруппе), в 4 периоде.
Латинское название Cuprum произошло от имени острова Кипр. Известны факты, что на Кипре ещё в III веке до нашей эры находились медные рудники и местные умельцы выплавляли медь. Купить медь можно в комании «КУПРУМ».
По данным историков, знакомству общества с медью около девяти тысячелетий. Самые древние медные изделия найдены во время археологических раскопок на местности современной Турции. Археологи обнаружили маленькие медные бусинки и пластинки для украшения одежды. Находки датируются рубежом VIII-VII тыс. до нашей эры. Из меди в древности изготавливали украшения, дорогую посуду и различные инструменты с тонким лезвием.
Великим достижением древних металлургов можно назвать получение сплава с медной основой – бронзы.
Основные свойства меди
Физические свойства.
На воздухе медь приобретает яркий желтовато-красный оттенок за счёт образования оксидной плёнки. Тонкие же пластинки при просвечивании зеленовато-голубого цвета. В чистом виде медь достаточно мягкая, тягучая и легко прокатывается и вытягивается. Примеси способны повысить её твёрдость.
Высокую электропроводность меди можно назвать главным свойством, определяющим её преимущественное использование. Также медь обладает очень высокой теплопроводностью. Такие примеси как железо, фосфор, олово, сурьма и мышьяк влияют на базовые свойства и уменьшают электропроводность и теплопроводность. По данным показателям медь уступает лишь серебру.
Медь обладает высокими значениями плотности, температуры плавления и температуры кипения. Важным свойством также является хорошая стойкость по отношению к коррозии. К примеру, при высокой влажности железо окисляется значительно быстрее.
Медь хорошо поддаётся обработке: прокатывается в медный лист и медный пруток, протягивается в медную проволоку с толщиной, доведённой до тысячных долей миллиметра. Этот металл является диамагнетиком, то есть намагничивается против направления внешнего магнитного поля.
Химические свойства.
Медь является сравнительно малоактивным металлом. В нормальных условиях на сухом воздухе её окисления не происходит. Она легко реагирует с галогенами, селеном и серой. Кислоты без окислительных свойств не оказывают воздействия на медь. С водородом, углеродом и азотом химических реакций нет. На влажном воздухе происходит окисление с образованием карбоната меди (II) – верхнего слоя платины. Медь обладает амфотерностью, то есть в земной коре образует катионы и анионы. В зависимости от условий, соединения меди проявляют кислотные или основные свойства.
Что такое растворимость?
Это процесс образования однородных систем в виде растворов при взаимодействии одного соединения с другими веществами. Их составляющими являются отдельные молекулы, атомы, ионы и другие частицы. Степень растворимости определяется по концентрации вещества, которое растворили при получении насыщенного раствора.
Единицей измерения чаще всего являются проценты, объёмные или весовые доли. Растворимость меди в воде, как и других соединений твёрдого вида, подчиняется лишь изменениям температурных условий. Эту зависимость выражают с помощью кривых. Если показатель очень маленький, то вещество считается нерастворимым.
Способы получения меди
В природе медь существует в соединениях и в виде самородков. Соединения представлены оксидами, гидрокарбонатами, сернистыми и углекислыми комплексами, а также сульфидными рудами. Самые распространённые руды — это медный колчедан и медный блеск. Содержание меди в них составляет 1-2%. 90% первичной меди добывают пирометаллургическим способом и 10% гидрометаллургическим.
1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование. Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига. Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность. Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.
Окислительному обжигу подлежат медные руды и концентраты со значительным содержанием серы. При нагреве в присутствии кислорода происходит окисление сульфидов, и количество серы снижается почти в два раза. Обжигу подвергаются бедные концентраты, в которых содержится 8-25% меди. Богатые концентраты, содержащие 25-35% меди, плавят, не прибегая к обжигу.
Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая медная руда с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.
В горизонтальных конвертерах с боковым дутьём медный штейн продувается сжатым воздухом для того, чтобы произошли процессы окисления сульфидов и феррума. Далее образовавшиеся окислы переводят в шлак, а серу в оксид. В конвертере образуется черновая медь, которая содержит 98,4-99,4% меди, железо, серу, а также незначительное количество никеля, олова, серебра и золота.
Черновая медь подлежит огневому, а далее электролитическому рафинированию. Примеси удаляют с газами и переводят в шлак. В результате огневого рафинирования образуется медь с чистотой до 99,5%. А после электролитического рафинирования чистота составляет 99,95%.
2. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании меди слабым раствором серной кислоты, а затем выделении металлической меди непосредственно из раствора. Такой способ применяется для переработки бедных руд и не допускает попутного извлечения драгоценных металлов вместе с медью.
Обычно растворы солей меди окрашены в голубой (или синий) цвет, почему же наш раствор желто-коричневый? Дело в том, что голубая окраска обусловлена присутствием гидратированных катионов [Cu(H2O)n]2+. Разбавленные растворы хлорида меди CuCl2 голубые. Но в крепких растворах соляной кислоты хлорид меди (II) образует комплекс коричневого цвета:
CuCl2 + 2HCl <= > H2[CuCl4]
Другими словами, хлорид ионы вытесняют молекулы воды из внутренней координационной сферы. Если раствор H2[CuCl4] разбавить водой, произойдет обратный процесс – молекулы воды вернутся во внутреннюю координационную сферу катионов меди, и раствор станет сначала зеленым, а затем голубым.
В отсутствие соляной кислоты в крепких растворах CuCl2 также образуется комплекс [CuCl4]2-, причем в его внешней координационной сфере находятся ионы меди:
2CuCl2 <=> Cu[CuCl4]
Многие переходные металлы ведут себя аналогично: железо, кобальт, никель, цинк, серебро, золото, платиновые металлы способны давать хлоридные комплексы. Вспомните, что при растворении золота в царской водке образуется золотохлороводородная кислота H[AuCl4].
Какие можно сделать выводы? В присутствии воздуха медь растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида меди (II), водород при этом не выделяется. В отсутствии воздуха реакция не идет. Не трудно догадаться, что кислород воздуха играет роль окислителя:
2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O
Формально эту реакцию можно рассматривать как совокупность двух стадий:
2Cu + O2 = 2CuO
CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O
однако, реальный механизм этого процесса совсем другой. Кроме того, в крепких растворах HCl хлорид меди переходит в комплекс [CuCl4]2-.
Таким образом, медь действительно не реагирует с соляной кислотой в отсутствии окислителей, но чего стоит это утверждение на практике? Ведь мы окружены атмосферой, а роль окислителя вполне успешно играет кислород воздуха – даже при комнатной температуре.
А что будет, если использовать более сильный окислитель? Чтобы ответить на этот вопрос, автор взял первую бутылочку с медной проволокой (в которой реакция не пошла), вылил из нее две трети соляной кислоты, чуть разбавил оставшуюся кислоту водой и добавил 5 мл 30%-й перекиси. Раствор сразу же стал желто-зеленым, начал выделятся газ. Через несколько секунд реакция резко ускорилась, а через минуту почти все содержимое выплеснулось наружу — внутри бутылочки осталось немного почти черного раствора хлорида меди (II):
Cu + 2HCl + H2O2 = CuCl2 + 2H2O
Поняв свою ошибку, автор стал добавлять перекись водорода и соляную кислоту небольшими порциями. В результате вся медная проволока быстро растворилась. Образовался зеленовато-коричневый раствор CuCl2 (вернее — H2[CuCl4]). Приведенным способом можно легко растворить медь не имея азотной или концентрированной серной кислоты.
Применение меди
Благодаря ценным качествам медь и медные сплавы используются в электротехнической и электромашиностроительной отрасли, в радиоэлектронике и приборостроении. Существуют сплавы меди с такими металлами, как цинк, олово, алюминий, никель, титан, серебро, золото. Реже применяются сплавы с неметаллами: фосфором, серой, кислородом. Выделяют две группы медных сплавов: латуни (сплавы с цинком) и бронзы (сплавы с другими элементами).
Медь обладает высокой экологичностью, что допускает её использование в строительстве жилых домов. К примеру, медная кровля за счёт антикоррозионных свойств, может прослужить больше ста лет без специального ухода и покраски.
Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле. Такой сплав увеличивает прочность изделия, повышает стойкость к деформированию и истиранию.
Для соединений меди характерна высокая биологическая активность. В растениях медь принимает участие в синтезе хлорофилла. Поэтому её можно увидеть в составе минеральных удобрений. Недостаток меди в организме человека может вызвать ухудшение состава крови. Она есть в составе многих продуктов питания. К примеру, этот металл содержится в молоке. Однако важно помнить, что избыток соединений меди может вызвать отравление. Именно поэтому нельзя готовить пищу в медной посуде. Во время кипячения в пищу может попасть большое количество меди. Если же посуда внутри покрыта слоем олова, то опасности отравления нет.
В медицине медь используют, как антисептическое и вяжущее средство. Она является компонентом глазных капель от конъюнктивита и растворов от ожогов.
Растворимость меди в азотной кислоте
Такая реакция возможна ввиду того, что происходит процесс окисления металла сильным реагентом. Кислота азотная в разбавленном и концентрированном виде проявляет окислительные свойства с растворением меди.
В первом варианте во время реакции получается меди нитрат и азота двухвалентный оксид в соотношении 75 % к 25 %. Процесс с разбавленной кислотой азотной можно описать следующим уравнением:
8HNO3 + 3Cu → 3Cu(NO3)2 + NO + NO + 4H2O.
Во втором случае получается меди нитрат и азота оксиды двухвалентные и четырёхвалентные, соотношение которых 1 к 1. В этом процессе участвует 1 моль металла и 3 моля кислоты азотной концентрированной. При растворении меди происходит сильный разогрев раствора, в результате чего наблюдается термическое разложение окислителя и выделение дополнительного объёма азотных оксидов:
4HNO3 + Cu → Cu(NO3)2 + NO2 + NO2 + 2H2O.
Реакцию используют в малотоннажном производстве, связанном с переработкой лома или удалением покрытия с отходов. Однако такой способ растворения меди имеет ряд недостатков, связанных с выделением большого количества азотных оксидов. Для их улавливания или нейтрализации необходимо специальное оборудование. Процессы эти весьма затратные.
Растворение меди считается завершённым, когда происходит полное прекращение выработки летучих азотистых оксидов. Температура реакции колеблется от 60 до 70 °C. Следующим этапом является спуск раствора из химического реактора. На его дне остаются небольшие куски металла, который не прореагировал. К полученной жидкости добавляют воду и проводят фильтрацию.
Растворение в аммиаке
Процесс часто протекает при пропускании NH3 в газообразной форме над раскалённым металлом. Результатом является растворение меди в аммиаке, выделение Cu3N. Это соединение называют нитридом одновалентным.
Соли её подвергаются воздействию раствора аммиачного. Прибавление такого реактива к медному хлориду приводит к выпадению осадка в виде гидроксида:
CuCl2 + NH3 + NH3 + 2H2O → 2NH4Cl + Cu(OH)2↓.
Аммиачный избыток способствует формированию соединения комплексного типа, имеющего окраску тёмно-синюю:
Cu(OH)2↓+ 4NH3 → [Cu(NH3)4] (OH)2.
Этот процесс используют для определения ионов двухвалентной меди.
Растворимость меди в железе
В результате этого процесса образуются псевдосплавы из Fe и Cu. Для металлического железа и меди возможна ограниченная взаимная растворимость. Максимальные её значения наблюдаются при температурном показателе 1099,85 °C. Степень растворимости меди в твёрдой форме железа равняется 8,5 %. Это небольшие показатели. Растворение металлического железа в твёрдой форме меди составляет около 4,2 %.
Снижение температуры до комнатных значений делает взаимные процессы незначительными. При расплавлении металлической меди, она способна хорошо смачивать железо в твёрдой форме. При получении псевдосплавов Fe и Cu используют особые заготовки. Их создают путём прессования или печения железного порошка, находящегося в чистой или легированной форме. Такие заготовки пропитывают жидкой медью, образуя псевдосплавы.
Примечание:
205* Эмпирический радиус атома меди согласно [1] и [3] составляет 128 пм.
206* Ковалентный радиус меди согласно [1] и [3] составляет 132±4 пм и 117 пм соответственно.
401* Плотность меди согласно [3] составляет 8,92 г/см3 (при 0 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело).
402* Температура плавления меди согласно [3] и [4] составляет 1083,4 °С (1356,55 K, 1982,12 °F) и 1083 °С (1356,15 K, 1981,4 °F) соответственно.
403* Температура кипения меди согласно [3] и [4] составляет 2567 °С (2840,15 K, 4652,6 °F) и 2543 °C (2816,15 К, 4609,4 °F) соответственно.
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) меди согласно [3] и [4] составляет 13,01 кДж/моль и 13 кДж/моль соответственно.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) меди согласно [3] и [4] составляет 304,6 кДж/моль и 302 кДж/моль соответственно.
Растворимость в кислоте серной
В обычном состоянии такая реакция не протекает. Фактором, определяющим растворение меди в серной кислоте, является её сильная концентрация. Разбавленная среда не может окислить металл. Растворение меди в серной кислоте концентрированной протекает с выделением сульфата.
Процесс выражается следующим уравнением:
Cu + H2SO4 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2.
