Медь

    Содержание:

1. Распространение меди в природе. - 3
2. История открытия меди. - 3
3. Месторождений меди. - 4
4. Физические свойства меди. - 5
5. Химические свойства меди. - 6
6. Получение меди. - 10
7. Добыча и получение солей из природных месторождений. - 11
8. Медь и живые организмы. - 12
9. Применение меди. - 12
10. Использованная литература. - 13

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Распространение меди в природе.

    Металлы подгруппы меди обладают небольшой  химической активностью, поэтому они  находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном виде, особенно золото.

    Медь  в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде сернистых соединений – халькопирита (или ) и халькозина . Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы, например: .

    При температуре ниже 1000⁰C происходило образование окиси меди, которая в небольших количествах встречается в природе: .

    Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами: .

    Подобные  процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах. Такие природные “металлургические заводы” выплавляют громадные количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов.

    Некоторые другие минералы меди получились из окисных руд. Например, под действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и образование основных карбонатов: .

    В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В  “лаборатории” природы сроки в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности камня.

    Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III): .

    Растворы  сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе  и в настоящее время. [1, с.8-10]

    Медь  входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же – медный колчедан) CuFeS₂, халькозин (медный блеск) Cu₂S, ковеллин CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu₅FeS₄. Иногда встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10^-3 %  по массе (10¹⁵ - 10¹⁶ тонн). [3] 

    2. История открытия меди.

    Медь  стала известна человеку в каменном веке – некоторые самородки меди, относящиеся к этому времени, носят следы воздействия каменных орудий, в частности у них обрублены выступающие части. Очевидно, эти кусочки меди были использованы доисторическим человеком в качестве украшений, а затем и как орудия. Распространению медных изделий способствовало свойство меди подвергаться ковке в нагретом состоянии. Так обрабатывали медные самородки индейцы еще со времен Колумба.

    Где и когда был открыт метод выплавки меди из руд неизвестно. Скорее он был  открыт случайно. Самородная медь всегда встречалась совместно с рудой. И вот во время нагрева самородка в раскаленных углях костра кусочки медной руды, прилипшие к самородку, тоже превратились в медь – восстановились углеродом: .

    Возможно, первоначально медь выплавлялась в небольших ивовых корзинах, обмазанных толстым слоем глины. В такую своеобразную печь загружали руду вместе с углем и под ней разжигали большой костер.

    Руды  меди часто встречаются совместно  с рудами цинка, олова. Такие руды восстанавливаются легче и дают сплавы меди более твердые, чем сама медь. Эти сплавы называются бронзами, а время, в течение которого человек широко использовал бронзу, - бронзовым веком. Название “бронза” произошло от названия небольшого итальянского города Бриндизи, через который среди прочих товаров шла торговля изделиями из сплава меди с оловом. Этот сплав назвали медью из Бриндизи, а затем - бронзой.

    Изготовление  изделий из меди и ее сплавов производилось  еще при первых фараонах Египта (4 – 5 тыс. лет до н.э.). Известны древнейшие медные руды на острове Кипр. По-видимому, современное латинское название “купрум” произошло от латинского названия этого острова. [6]

    Когда же и где была впервые выплавлена медь?

    Считалось, что люди 9 – 8 тыс. лет назад не умели, как следует, делать керамическую посуду, но в 1950 г. археологами было сделано интересное открытие. В районе реки Конья на юго-западе Малой Азии в 1950 г. производились раскопки. Наряду с каменными орудиями были найдены медные проколки, украшения, колечки. По определениям физиков, использующих радиоуглеродный метод; культурный слой с остатками жизнедеятельности человека возник в VII-VI тысячелетиях до н.э. Этому открытию трудно поверить, но в 1963 г. при раскопках в верховьях реки Тигр были найдены простейшие медные изделия, относящиеся к тому же периоду. Там же нашли и медную руду. [1, с.27-28] 

    3. Месторождения меди.

    Соединения  элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно, что  объясняется различием в геологических  условиях, сложившихся в различных  местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго (Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.

    Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”, где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская газета “Ведомости”, которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: “Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству”. [2, с.27]

    В начале этого столетия главнейшими  месторождениями, которые разрабатывались, были: в районе Северного Урала  – Богословский завод, в районе Нижнего  Тагила – Выйский завод, а на Кавказе  – Калакентский и Кедабекский  заводы.

    В наше время известны месторождения меди на восточном склоне Урала, Средней Азии, Закавказье и т.д.

    Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов, которое  покрыто так называемыми конкрециями  – скоплениями в виде камней округлой неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам ученых запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн. [1, с.16-18] 

    4. Физические свойства меди.

    Таблица 1. Физические свойства меди. 

    Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.

    Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием “зазоров” между ион-атомами.

    Необходимо  отметить, что твердость и прочность  металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.

    Цвет  меди и её соединений.

    Чистая  медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

    При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl – белый, Cu₂O – красный, CuCl + H₂O – голубой, CuO – черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.

    Электропроводимость.

    Медь  обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено её применение в электронике.

    Кристаллическая решетка.

    Медь  кристаллизируется по типу централизованного  куба (рис 1).

    

    Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди. 

    5. Химические свойства меди.

    Строение  атома.

    

    Рисунок 2. Схема строения атома меди. 

    ₂₉Cu 1s¹ 2s² sp⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹

    E_{ионизации 1} = 7.72 эВ

    E_{ионизации 2} = 20.29 эВ

    E_{ионизации 3} = 36.83 эВ

    Отношение к кислороду.

    Медь  проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном воздухе постепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета, состоящей из основных карбонатов меди:

    В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется тончайший слой оксида меди:

    Внешне  медь при этом не меняется, так как  оксид меди (I) как и сама медь, розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет, т.е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например при 600-800 ⁰C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I), которая с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется двухслойное окисное покрытие.