Медь и её свойства

 
 

Московский технический университет

связи и информатики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 
 
 

«МЕДЬ

И ЕЁ СВОЙСТВА» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                    
 
 
 

Москва 

2010 
 

МЕДЬ (лат. Cuprum), Cu (читается «купрум»), химический элемент I группы периодической  системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546. 
 

1.Общая  характеристика меди. 

      Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов ⁶³Cu (69,09% по массе) и ⁶⁵Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди 3s²p⁶d¹⁰4s¹. Образует соединения в степенях окисления +2 (валентность II) и +1 (валентность I), очень редко проявляет степени окисления +3 и +4.

В периодической  системе Менделеева медь расположена  в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой относятся  такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au).

      Радиус  нейтрального атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu⁺ от 0,060 нм (координационное число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu²⁺ — от 0,071 нм (координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ. Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов.  Стандартный электродный потенциал Cu/Cu²⁺ 0,339 В. В ряду стандартных потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни из кислот водорода не вытесняет.

      Простое вещество медь — красивый розовато-красный  пластичный металл. 
 

Название: латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого слова в русском языке нет. 
 

2.Физические  и химические свойства: 

      Кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, параметр решетки а = 0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см³, температура плавления 1083,4°C, температура кипения 2567°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10–3 Ом·м).

      В сухой атмосфере медь практически  не изменяется. Во влажном воздухе  на поверхности меди в присутствии  углекислого газа образуется зеленоватая  пленка состава Cu(OH)2·CuCO3. Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Для создания на художественных предметах «налета старины» на них наносят слой меди, который затем специально патинируется.

      При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид CuO.

      Красновато-коричневый оксид меди (I) Cu2O при растворении в бромо- и иодоводородной кислотах образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При взаимодействии Cu2O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат меди:

Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O.

      При нагревании на воздухе или в кислороде Cu2O окисляется до CuO, при нагревании в токе водорода - восстанавливается до свободного металла.

      Черный  оксид меди (II) CuO, как и Cu2O, c водой не реагирует. При взаимодействии CuO с кислотами образуются соли меди (II):

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

      При сплавлении со щелочами CuO образуются купраты, например:

CuO + 2NaOH = Na2CuO2 + H2O

      Нагревание Cu2O в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:

Cu2O = CuO + Cu

      Такие восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие восстанавливают CuO до свободной меди, например:

CuO + СО = Cu + СО2 

      Кроме оксидов меди Cu2O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu2O3, обладающий сильными окислительными свойствами. 

      Медь  реагирует с галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с  медью с образованием темно-коричневого  дихлорида CuCl2. Существуют также дифторид меди CuF2 и дибромид меди CuBr2, но дииодида меди нет. И CuCl2, и CuBr2 хорошо растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и образуют голубые растворы.

      При реакции CuCl2 с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый в воде хлорид меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной соляной кислоте, причем образуются комплексные анионы [CuCl2]^–, [CuCl3]^2– и [СuCl4]^3–, например за счет процесса:

CuCl + НCl = H[CuCl2]

      При сплавлении меди с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu2S. Сульфид меди (II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через раствор соли меди (II):

H2S + CuSO4 = CuS + H2SO4

      C водородом, азотом, графитом, кремнием  медь не реагирует. При контакте  с водородом медь становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди) из-за растворения водорода в этом металле.

      В присутствии окислителей, прежде всего  кислорода, медь может реагировать  с соляной кислотой и разбавленной серной кислотой, но водород при  этом не выделяется:

2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O

      С азотной кислотой различных концентраций медь реагирует довольно активно, при  этом образуется нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например, с 30%-й азотной кислотой реакция  меди протекает так:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

      С концентрированной серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O

      Практическое  значение имеет способность меди реагировать с растворами солей  железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):

2FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2FeCl2

      Этот  процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в  определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.

      Ионы  меди Cu²⁺ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)]^2+. При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.

      Гидроксид меди Cu(OH)2 характеризуется преобладанием основных свойств.  Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, например:

Сu(OH)2 + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O.

      Но  Сu(OH)2 реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом образуются соответствующие купраты, например:

Сu(OH)2 + 2NaOH = Na2[Cu(OH)4]

      Если  в медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH)2 или основного сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается растворение целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы. Из этого раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят применение при производстве бельевого трикотажа и различных тканей. 

3.Нахождение  в природе 

      В земной коре содержание меди составляет около 5·10–3% по массе. Очень редко  медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит, или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4 (52-65% меди).

      Существует  также много и оксидных руд  меди, например: куприт Cu2O, (81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.

      Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо (Fe), цинк (Zn), свинец (Pb), и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10–8 % меди. 

4.Получение 

      Промышленное  получение меди — сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для  отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18-45% меди по массе) подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок - твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до 40-50%. Далее штейн подвергают конвертированию — через расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый флюс (песок SiO2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа SO2:

2FeS + 3O2 + 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2

      Одновременно  сульфид меди (I) Cu2S окисляется:

2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SO2

      Образовавшийся  на этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S:

2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2

      В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки.

      На  заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию  в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная  медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более. 

5.Применение 

      Медь, как полагают, — первый металл, который  человек научился обрабатывать и  использовать для своих нужд. Найденные  в верховьях реки Тигр изделия  из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое  применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.

      С 20 века главное применение меди обусловлено  ее высокой электропроводимостью. Более  половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры.  Широко применяется медь в гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.

      Большое значение имеют медные сплавы —  латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы (сплавы с разными элементами, главным  образом металлами — оловом (Sn), алюминием (Al), бериллием (Be), свинцом (Pb), кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и никеля (Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер.