Медь представляет собой элемент четвертого периода одиннадцатой группы соответствующей таблицы элементов. Медь в простом виде – это пластичный материал переходного типа розового или золотистого оттенка.
Медь является одним из самых первых, освоенных человеком материалов, благодаря малой температуре плавления и массовой доступности. Этот материал закрывает семерку металлов, освоенных еще в далекие времена. Встречается медь в виде самородков чаще, чем железо, серебро или золото. Химической название меди – Cuprum, произошедшие от названия острова Кипр.
Основная информация о меди
Медь является наиболее распространенным цветным металлом. Свое название на латинском языке – Cuprum – она получила в честь острова Кипр. Там ее добывали древние греки тысячи лет назад. Историки даже придумали Медный Век, который длился с IV по V столетие до н. э. В то время люди делали из популярного металла:
В таблице Д.И. Менделеева она занимает 29 место. Этот элемент имеет уникальные свойства -физические, химические и механические. В древние времена в естественной среде можно было найти медь в виде самородков, порой очень больших размеров. Люди нагревали породу на открытом огне, а затем резко охлаждали. В результате она растрескивалась, что позволяло выполнять восстановление металла. Такая нехитрая технология позволила начать освоение популярного элемента.
СТРУКТУРА
Кристаллическая структура меди
Кубическая сингония, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, кристаллическая структура – кубическая гранецентрированная решётка. Модель представляет собой куб из восьми атомов в углах и шести атомов , расположенных в центре граней (6 граней). Каждый атом данной кристаллической решетки имеет координационное число 12. Самородная медь встречается в виде пластинок, губчатых и сплошных масс, нитевидных и проволочных агрегатов, а также кристаллов, сложных двойников, скелетных кристаллов и дендритов. Поверхность часто покрыта плёнками “медной зелени” (малахит), “медной сини” (азурит), фосфатов меди и других продуктов её вторичного изменения.
Свойства
Медь — это цветной металл красноватого цвета с розовым отливом, наделенный высокой плотностью. В природе насчитывается более 170 видов минералов, имеющих в своем составе Cuprum. Только из 17 ведется промышленная добыча этого элемента. Основная масса этого химического элемента содержится в составе рудных металлов:
- халькозина — до 80%;
- бронита — до 65%;
- ковелина — до 64%.
Из этих минералов осуществляется обогащение меди и ее выплавка. Высокая теплопроводность и электропроводность являются отличительными свойствами цветного металла. Он начинает плавиться при температуре 1063 о С, а закипает при 2600 о С. Марка Cuprum будет зависеть от способа производства. Металл бывает:
Для каждого типа есть свои специальные параметрические расчеты, характеризующие степень сопротивления сдвигу, деформацию под воздействием нагрузок и сжатия, а также показатель упругости при растяжении материала.
Цветной металл активно окисляется в процессе нагревания. При температуре 385 о С формируется оксид меди. Ее содержание снижает теплопроводность и электропроводность других металлов. При взаимодействии с влагой металл образует куприт, с кислой средой – купорос.
Удельная плотность меди
Благодаря своим свойствам этот химический элемент активно используется в производстве электрических и электронных систем и многих других изделий другого назначения. Важнейшим свойством является его плотность в 1 кг на м 3 , поскольку с помощью этого показателя определяется вес производимого изделия. Плотность показывает отношение массы к общему объему.
Самой распространенной системой измерения единиц плотности является 1 килограмм на м 3 . Этот показатель для меди равняется 8,93 кг/м 3 . В жидком виде плотность будет на уровне 8,0 г/см 3 . Общий показатель плотности может меняться в зависимости от марки металла, имеющего различные примеси. Для этого используется удельный вес вещества. Он является очень важной характеристикой, когда речь идет о производстве материалов, в составе которых есть медь. Удельный вес характеризует отношение массы меди в общем объеме сплава.
Читать также: St 101e принцип работы
Удельный вес меди будет равняться 8,94 г/см 3 . Параметры удельной плотности и веса у меди совпадают, однако такое совпадение не характерно для других металлов. Удельная масса очень важна не только при производстве изделий с ее содержанием, но и при переработке лома. Существует много методик, с помощью которых можно рационально подобрать материалы для формирования изделий. В международных системах СИ параметр удельного веса выражается в ньютонах на 1 единицу объема.
Очень важно все расчеты производить в стадии проектирования устройств и механизмов. Удельная плотность и вес являются разными значениями, но они обязательно используются для определения массы заготовок для различных деталей, в составе которых есть Cuprum.
Если сравнить плотность меди и алюминия, мы увидим большую разницу. У алюминия этот показатель составляет 2698,72 кг/м 3 в состоянии при комнатной температуре. Однако с повышением температуры параметры становятся другими. При переходе алюминия в жидкое состояние при нагревании плотность у него будет в пределах 2,55−2,34 г/см 3 . Показатель всегда зависит от содержания легирующих элементов в алюминиевых сплавах.
Физико-химические параметры
Медь – металл с типичными внешними признаками (блеск, гладкость) и структурой кристаллической решетки. Наделена высокой электро- и теплопроводностью. По этим физическим свойствам вторая после серебра.
| Название, символ, номер | Медь/Cuprum (Cu), 29 |
| Атомная масса (молярная масса) | 63,546(3)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 (1083,4 °С) |
| Температура кипения | 2567 °С |
| Уд. теплота плавления | 13,01 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 304,6 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,44 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 |
Главное химическое свойство металла, оцененное человеком, – нулевая коррозийность. Медь химически малоактивна, при стандартных условиях не окисляется.
Технические показатели сплавов металлов
Наиболее распространенными сплавами на основе меди считаются латунь и бронза. Их состав формируется также из других элементов:
Все сплавы различаются между собой структурой. Наличие олова в составе позволяет делать бронзовые сплавы отменного качества. В более дешевые сплавы входит никель либо цинк. Производимые материалы на основе Cuprum обладают следующими характеристиками:
- высокая пластичность и износостойкость;
- электропроводность;
- устойчивость к агрессивной среде;
- низкий коэффициент трения.
Сплавы на основе меди находят широкое применение в промышленном производстве. Из них производят посуду, ювелирные украшения, электропровода и системы отопления. Материалы с Cuprum часто используют для декорирования фасадной части домов, изготовления композиций. Высокая устойчивость и пластичность являются основными качествами для применения материала.
Плотность материала – это физическая величина определяющая отношения массы материала к занимаемому объему. Единицей измерения плотности в системе СИ принята размерность кг/м 3 .
Величины усредненные, не являются эталонными, величины указанных плотностей варьируются от среды и условий измерения.
Одним из наиболее распространенных цветных металлов, используемых в промышленности, является медь, ее название на латинском Cuprum, в честь острова Кипра, где ее добывали греки много тысяч лет назад. Это один из семи металлов, которые были известны еще в глубокой древности, из него делали украшения, посуду, деньги, орудия. Историками даже назван период (с IV по III тысячелетие до нашей эры) Медным Веком. Д. И. Менделеев поставил этот металл на 29-е место в своей таблице, после водорода, поскольку медь не вытесняет его из кислотной среды. Медь — цветной металл, который имеет уникальные физические, механический, химические свойства. Плотность меди в кг м³ является одной из важнейших характеристик, с ее помощью определяется вес будущего изделия.
Читать также: Передаточное отношение цепных передач обычно не превышает
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Образец меди, 13,6 см. Полуостров Кинави, Мичиган, США
Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7-5,5)·10−3% (по массе). В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7% и 10−7% (по массе) соответственно. Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %. Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т — подтверждённые запасы, на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов. Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет. Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз. Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом.
Как определяется плотность
Плотность любого вещества — показатель отношения массы к общему объему. Наиболее распространенной системой измерения величины плотности является килограмм на кубический метр. Для меди этот показатель равен 8,93 кг/м³. Поскольку существуют различные марки металла, которые различаются в зависимости от примесей других веществ, общий показатель плотности может изменяться. В данном случае уместней использовать другую характеристику — удельный вес. В измерительных системах этот показатель выражается в разных величинах:
Формула определения плотности вещества
- система СГС — дин/см³;
- система СИ — н/м³;
- система МКСС — кг/м³
При этом для перевода величин можно использовать следующую формулу:
1 н/м³ = 1 дин/см³ = 0,102 кг/м³.
Удельный вес — важный показатель при производстве различных материалов, содержащих медь, особенно когда речь идет о ее сплавах. Это величина отношения массы меди в общем объеме сплава.
Рассмотреть как применяется этот показатель на практике, можно на примере расчета веса 25 медных листов, размером 2000*1000 мм, толщиной 5 мм. Для начала определим объем листа — 5 мм * 2000 мм * 1000 мм = 10000000 мм3 или 10 000 см³.
Удельный вес меди 8, 94 гр/см³
Рассчитываем вес меди в одном листе — 10 000 * 8,94 = 89 400 гр или 89, 40 кг.
Масса медного проката в общем количестве материала — 89, 40 * 25 = 2 235 кг.
Эта схема расчета применяется и при переработке лома металла.
Основные свойства
Выплавка меди из руды
Медь, как металл, получается при выплавке руды, в природе сложно найти чистые самородки в основном обогащение и добыча осуществляется из:
- халькозиновой руды, в которой содержание меди около 80%, этот вид часто называют медным блеском;
- бронитовой руды, здесь содержание металла до 65%
- ковеллиновой руды — до 64%.
По своим физическим свойствам медь представляет собой красного цвета металл, в разрезе может присутствовать розовый отлив, относится к тяжелым металлам, поскольку имеет высокую плотность.
Отличительной характеристикой является электропроводность. Благодаря этому металл широко применяется при изготовлении кабелей и электропроводов. По этому показателю медь уступает только серебру, кроме того, имеется ряд других физических характеристик:
- твердость — по шкале Бринделя равняется 35 кгс/мм²;
- упругость — 132000 Мн/м²;
- линейное термическое расширение — 0,00000017 единицы;
- относительное удлинение — 60%;
- температура плавления — 1083 ºС;
- температура кипения — 2600 ºС;
- коэффициент теплопроводности — 335 ккал/м*ч*град.
К основным свойствам меди относят показатель модулей упругости, которые рассчитываются различными методами:
| Марка меди | Модуль сдвига | Модуль Юнга | Коэффициент Пуассона |
| Медь холоднотянутая | 4900 кг/мм² | 13000 кг/мм² | — |
| Медь прокатная | 4000 | 11000 кг/мм² | 0,31 — 0,34 |
| Медь литая | — | 8400 | — |
Модуль сдвига полезно знать при производстве материалов для строительной отрасли — это величина, которая характеризует степень сопротивление сдвигу и деформации под воздействием различных нагрузок. Модуль, рассчитанный по методике Юнга, показывает как будет вести себя металл при одноосном растяжении. Модуль сдвига характеризует отклик металла на сдвиговую нагрузку. Коэффициент Пуассона показывает как ведет себя материал при всестороннем сжатии.
Читать также: Температура плавления алюминиевого сплава
Разработка рудников по добычи меди и других металлов
Химические свойства меди описывают соединение с другими веществами в сплавы, возможные реакции на кислотную среду. Наиболее значимой характеристикой является окисление. Этот процесс активно проявляется во время нагревания, уже при температуре 375 ºС начинает формироваться оксид меди, или как его называют окалина, которая может влиять на проводниковые функции металла, снижать их.
При взаимодействии меди с раствором соли железа она переходит в жидкое состояние. Этот метод используют для того чтобы снять медное напыление на различных изделиях.
Долгое пребывание в воде вызывает куприт
При длительном воздействии на медь влажной среды на ее поверхности образуется куприт — зеленоватый налет. Это свойство меди учитывают при использовании метала для покрытия крыш. Примечательно, что куприт выполняет защитную функцию, металл под ним совершенно не портится, даже на протяжении ста лет. Единственными противниками крыш из медного материала являются экологи. Свою позицию они объясняют тем, что при смыве куприта меди дождевыми водами в почву или водоемы, он загрязняет ее своими токсинами, особенно это пагубно влияет на микроорганизмы, живущие в реках и озерах. Но для решения этой проблемы строители используют водосточные трубы из специального металла, который поглощает медные частицы в себя и накапливает, при этом вода стекает очищенной от токсинов.
Медный купорос — еще один результат химического воздействия на металл. Это вещество активно используют агрономы для удобрения почвы и стимулирования роста различных сельскохозяйственных культур. Однако бесконтрольное использование купороса может также пагубно влиять на экологию. Токсины проникают глубоко в слои земли и накапливаются в подземных водах.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Небольшой самородок меди
Обычно самородная медь образуется в зоне окисления некоторых медносульфидных месторождений в ассоциации с кальцитом, самородным серебром, купритом, малахитом, азуритом, брошантитом и другими минералами. Массы отдельных скоплений самородной меди достигают 400 тонн. Крупные промышленные месторождения самородной меди вместе с другими медьсодержащими минералами формируются при воздействии на вулканические породы (диабазы, мелафиры) гидротермальных растворов, вулканических паров и газов, обогащенных летучими соединениями меди (например, месторождение озера Верхнее, США). Самородная медь встречается также в осадочных породах, преимущественно в медистых песчаниках и сланцах. Наиболее известные месторождения самородной меди – Туринские рудники (Урал), Джезказганское (Казахстан), в США (на полуострове Кивино, в штатах Аризона и Юта).
Области использования меди
Благодаря своим механическим свойствам медь нашла широкое применение в разных отраслях промышленности, но наиболее часто ее можно встретить как составную часть электропровода, в системах отопления, а также охлаждения воздуха, в производстве компьютерной техники, теплообменниках.
В промышленности используют тысячи тонн меди ежегодно
В строительстве этот металл применяется при изготовлении различных конструкций, основным преимуществом здесь является небольшой объемный вес меди. Как уже было отмечено выше, широкое применение цветной металл нашел при кровельных работах, а также в изготовлении тр. Трубы получаются легковесные, поддающиеся трансформации, что особенно актуально при проектировании водопровода и канализации.
Основная доля производства изделий из меди — проволока, используемая как жила для электрического или коммуникационного кабеля. Благодаря основной характеристике меди — электропроводности, она оказывает высокое сопротивление току, а также обладает уникальными магнитными качествами — в отличие от других металлов ее частицы не реагируют на магнит, что иногда затрудняет процесс ее очистки. Стоит отметить, что практически все производство изделий базируется на переработке вторичного сырья, руду используют крайне редко.
Значение для человека
Медь заложена в организм человека изначально:
- Участвует в образовании красных кровяных телец, коллагена, эластина.
- Активирует работу эндокринной системы, замедляет старение организма.
- Ее дефицит чреват замедлением белкового обмена. Это влечет патологии в развитии скелета и составе крови.
Она есть во многих продуктах питания. Медью богаты говяжья печень, устрицы, кунжут, какао-порошок, черный перец, гречневая крупа. А также орехи (лесной, грецкий, кешью, арахис, миндаль).
