Медь и её сплавы

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Тема, конечно, звучит несколько обыденно. Ну, медь, ну металл. Ну что нового, кроме кучки сухих цифр может предоставить такая работа для изучения? Это не о культуре разглагольствовать, не о высоких материях вспоминать – тут нужна чёткость, сухость…

    Примерно  такие мысли возникали у меня в голове, когда реферат только начинал создаваться. Но, как это часто случается в нашем нелепом мире, всё повернулось совсем по-другому. У металла, название которого мы слышим каждый день, к которому давно привыкли и не обращаем на него никакого внимания, оказалась богатая история, а где эта история берёт своё начало – про то не ведает ни один человек на нашей планете. В принципе, мы, обладая достаточно развитой фантазией, можем представить себе всё, что происходило в далёком прошлом. Мы мысленно можем увидеть, как совершенно дикий человек, закутанный, быть может, в звериные шкуры идёт по горам, сжимая в кулаке каменный топор. Как человек натыкается на странный для него камень красноватого оттенка и начинает стучать по нему своим топором. Мы можем увидеть, как из обрабатываемого куска меди постепенно появляется копия топора каменного, который затем будет выброшен за ненадобностью. Так медный век подошёл к колыбели человечества, так прогресс набирал свою скорость.

    Медь, использовавшаяся на заре человечества и сопровождавшая его на протяжении тысячелетий, используется и по сей день. В современном мире, она занимает видное место, равно как и её сплавы, речь о которых ещё зайдёт позже. В моём реферате была предпринята попытка предоставить исчерпывающие сведения по данной теме. Надеюсь, мне это удалось. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Распространение меди в природе. Месторождения

    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.

    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).

    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”.

    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.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  и химические свойства меди

Физические  свойства

    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.

    Медь  кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

    Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди. 

    Характеристики  основных физико-механических свойств меди

Химические  свойства

    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.

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

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

    Сплавы

    Латуни

    Латуни  — это двойные и многокомпонентные  медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни — наиболее дешевые медные сплавы.

    Двойные (простые) латуни относятся к системе Cu—Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образует кроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b , g и т. д.

    Фаза b — это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм—Розери) с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b -фаза переходит в упорядоченное состояние (b ® b ¢ ), причем b ¢ -фаза в отличие от

    b -фазы является более твердой  и хрупкой.

    Фаза g — твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu5Zn8 отличается очень высокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключается.

    Механические  свойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка  в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочности достигается  в двухфазной области (a  + b ) при  содержании цинка около 45 %. При большем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ¢ -фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a - и (a  + b )-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни.

    Все латуни, содержащие более 20 % Zn, склонны  к коррозионному растрескиванию. Это растрескивание проявляется  при хранении и эксплуатации изделий, в которых имеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной  атмосфере с небольшим количеством  аммиака или сернистого газа. Установлена определенная связь между данным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезонным растрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни является обесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка (Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаются обесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшое количество мышьяка (0,02–0,06 %). 

    В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначают основные компоненты сплава, числа  — их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы  «Л». В двойных (простых) латунях  число после буквы «Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латуней после буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующие обозначения: О — олово; А — алюминий; Н — никель; К — кремний; Ж — железо и т. д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди, последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu, 2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначается буквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu — основа.

    Бронзы

    Бронзами  называют медные сплавы, в которых  основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме  цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы.

    По  химическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и  в каждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся на обрабатываемые давлением и литейные.

    В марке обрабатываемых давлением  оловянных (ГОСТ 5017–74) и безоловянных бронз (18175–78) после букв «Бр» стоят  буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов (например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613–79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493–79) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например, БрА9Ж3Л).

    Свойства  бронз определяются содержанием  в них легирующих элементов. Для бронз, в которых легирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характерно твердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путем пластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе, упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которой упрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением.