Медь

Q_{образования} (Cu₂O) = 84935 кДж.

Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди. 

    Взаимодействие  с водой.

    Металлы подгруппы меди стоят в конце  электрохимического ряда напряжений, после иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В то же время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди из растворов их солей, например: . Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход электронов:

    Молекулярный  водород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом. Объясняется это тем, что связь между атомами водорода прочная и на ее разрыв затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами водорода.

    

    Медь  при отсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната:

    Взаимодействие  с кислотами.

    Находясь  в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей: .

    Отношение к галогенам и  некоторым другим неметаллам.

    Q_{образования} (CuCl) = 134300 кДж

    Q_{образования} (CuCl₂) = 111700 кДж

    

    Медь  хорошо реагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX₂.. При действии галогенов при комнатной температуре видимых изменений не происходит, но на поверхности вначале образуется слой адсорбированных молекул, а затем и тончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с медью происходит очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим ее в горячем виде в банку с хлором – около меди появятся бурые пары, состоящие из хлорида меди (II) CuCl₂ с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты.

    Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической меди с раствором  галогенида двухвалентной меди, например: . Монохлорид выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.

    Оксид меди.

    При прокаливании меди на воздухе она  покрывается черным налетом, состоящим  из оксида меди . Его также легко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)₂CO₃ или нитрата меди (II) Cu(NO₃)₂. При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород – в воду  восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

    Под слоем меди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu₂O. Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных количеств меди и окиси меди, взятых в виде порошков: .

    Закись  меди используют при устройстве выпрямителей переменного тока, называемых купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до 1020-1050 ⁰C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из закиси меди и окиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое время в азотной кислоте: .

    Пластинку промывают, высушивают и прокаливают  при невысокой температуре – и выпрямитель готов. Электроны могут проходить только от меди через закись меди. В обратном направлении электроны проходить не могут. Это объясняется тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое закиси меди, который примыкает непосредственно к меди, имеется избыток электронов, и электрический ток проходит за счет электронов, т.е. существует электронная проводимость. В наружном слое закиси меди наблюдается нехватка электронов, что равноценно появлению положительных зарядов. Поэтому, когда к меди подводят положительный плюс источника тока, а к закиси меди – отрицательный, то электроны через систему не проходят. Электроны при таком положении полюсов движутся к положительному электроду, а положительные заряды – к отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайший слой, лишенный носителей электрического тока, - запирающий слой. Когда же медь подключена к отрицательному полюсу, а закись меди к положительному, то движение электронов и положительных зарядов изменяется на обратное, и через систему проходит электрический ток. Так работает купроксный выпрямитель. [6, с.63]

    Гидроксиды меди.

    Гидроксид меди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при действии щелочи на раствор соли: . Это ионная реакция и протекает она потому, что образуется плохо диссоциированное соединение, выпадающее в осадок:

    Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид меди (I) белого цвета: . Это нестойкое соединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II): .

    Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди (II) хорошо растворим не только в кислотах, но и в концентрированных растворах щелочей: ,   .

    Таким образом, гидроксид меди (II) может диссоциировать и как основание: и как кислота. Этот тип диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных групп воды:

Сульфаты.

    Наибольшее  практическое значение имеет CuSO₄*5H₂O, называемый медным купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной серной кислоте. Поскольку медь относится к малоактивным металлам и расположена в ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется: .

    Медный  купорос применяют при электролитическом  получении меди, в сельском хозяйстве  для борьбы с вредителями и  болезнями растений, для получения  других соединений меди.

    Карбонаты.

    Карбонаты для металлов подгруппы меди не характерны и в практике почти не применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной карбонат меди, который встречается в природе.

    Комплексообразование.

    Характерное свойство двухзарядных ионов меди – их способность соединятся с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.

    Качественные  реакции на ионы меди.

    Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появление интенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием комплексного иона меди [Cu(NH₃)₄]²⁺:

    Медь  интенсивно окрашивает пламя в зеленый  цвет.

    Пример  качественного анализа сплава меди.

Выводы:

    Проведённый качественный анализ даёт основания  считать, что в сплаве содержится медь, цинк, кадмий, железо, свинец. Таким  образом этот сплав является латунью. [8] 

    6. Получение меди.

    История получения меди.

    Интересна история получения меди. Уже 5-6 тысяч лет до н.э. медная руда добывалась египетскими рабами в Нубии, на Синайском полуострове. Рудники, как пишет греческий историк Диодор Сицилийский (I век до н.э.), являлись собственностью фараонов. На каторжный труд в рудниках отправляли рабов и осужденных, зачастую вместе с семьями. В наиболее узкие штольни на обивку руды и ее вынос направляли детей. На поверхность руду доставляли в плетеных корзинках или кожаных мешках. Древнейшая медеплавильная печь найдена на Синайском полуострове. Она представляла яму, обнесенную круглой стеной толщиной в 1 метр. Печь имела внизу два поддувала. По составу шлака установили, что в этой печи выплавлялась медь. Изображение более совершенной печи было обнаружено на греческой вазе, которая датируется VI веком до н.э. Для улучшения литейных свойств меди греки добавляли в руду оловянный камень (двуокись олова) и получали оловянную бронзу.

    Искусство получения меди и ее сплавов затем  перешло к римлянам. Оловянную  руду римляне доставали из Англии, которая в то время называлась Касситеридскими островами. Интересно отметить, что минерал – двуокись олова и по настоящее время называется касситеритом.

    О методах получения меди в России дает представление небольшой, но обстоятельный  труд М.В.Ломоносова “Основание металлургии” (1763 год), который сыграл исключительную роль в развитии металлургического производства. В этой же книги дано описание “сульфатизирующего обжига”. Он заключался в медленном окислении медной сульфидной руды до сульфата меди кислородом воздуха: с последующим выщелачиванием соли водой с целью получения медного купороса.

    В книге даются указания, как использовать теплоту отходящих газов, как  контролировать процесс плавки и  даже как вентилировать шахты  от пыли и газов, которые “для человеческого здоровья вредительны”. [1, с.76-77]

    Получение меди методом электролиза.

    Электролиз широко применяют для очистки (рафинирования) меди. Для очистки меди из черновой меди отливают аноды – толстые пластины. Их подвешивают в ванну, содержащую раствор медного купороса. В качестве катодов используют тонкие листы чистой меди, на которые во время электролиза осаждается чистая медь. На аноде происходит растворение меди. Ионы меди передвигаются к катоду, принимают от катода электроны и переходят в атомы: . Чистая медь оседает на катоде.

    Примеси, входящие в состав черновой меди ведут  себя по-разному. Более электроотрицательные элементы – цинк, железо, кадмий и  другие растворяются на аноде. Но на катоде эти металлы не выделяются, так как электрохимическом ряду напряжений они находятся левее меди и имеют более отрицательные потенциалы. [1, с.70]

    Металлотермический  метод получения.

    

    

    Пирометаллургический  способ получения  меди.

    Поскольку содержание меди не превышает 1.5-2%, их подвергают обогащению, т.е. отделяют соединения меди от пустой породы, применяя флотационный метод. Для этого руду размалывают до тончайшего порошка и смешивают его с водой, добавив в неё предварительно флоторагенты – сложные органические вещества. Они покрывают мельчайшие крупинки соединений меди и сообщают им несмачиваемость. В воду добавляют ещё вещества, создающие пену. Затем через взвесь пропускают сильный поток воздуха. Поскольку частички (крупинки соединений меди) водой не смачиваются, они прилипают к пузырькам воздуха и всплывают наверх. Всё это происходит во флотационных аппаратах. Пену, которая содержит крупинки соединений меди, собирают, отфильтровывают, отжимают от воды и высушивают. Так получают концентрат, из которого выделяется медь. В зависимости от состава руды существует несколько методов её переработки.

    Сульфидную руду сначала обжигают при свободном токе воздуха для удаления части серы: . Этот обжиг проводят в механических печах, похожих на устройства для обжига серного колчедана. В последнее время начали применять обжиг в кипящем слое. Продукты обжига затем переплавляют совместно с флюсами в отражательной печи. При этом протекает множество химических процессов, например .

    Пустая  порода, часть сульфидов и окислов железа переходит в шлак, а на дне печи скапливается штейн – расплав сульфида меди Cu₂S и сульфида железа FeS. Штейн сливают из печи и перерабатывают в конвекторе, который по устройству похож на конвектор для переработки стали. Частичное удаление серы происходит за счет продувки воздуха через расплавленный штейн: .

    Сульфид меди и закись меди дают металлическую  черновую медь:

    Она содержит около 95-98% меди. При последующей переплавке на поду отражательной печи содержание меди может быть повышено до 99,7%. Дальнейшая очистка меди проводится электролизом.