Основные свойства, элементы применения меди

Введение

     Медь  относится к числу металлов, известных  с глубокой древности. Раннему знакомству человека с Медью способствовало то, что она встречается в природе  в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают  значительных размеров. Медь и ее сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры. Благодаря легкой восстановимости оксидов и карбонатов Медь была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах. Латинское название Меди происходит от названия острова Кипр, где древние греки добывали медную руду. В древности для обработки скальной породы ее нагревали на костре и быстро охлаждали, причем порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется Медь, и шлака (сплава окислов).

     Медь  — один из первых металлов, широко освоенных  человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом — бронзы для изготовления оружия и т. п.

Медь  является необходимым элементом  для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина. Медь встречается в большом количестве ферментов, например, в цитохром-с-оксидазе, в содержащем медь и цинк ферменте супероксид дисмутазе, и в переносящем кислород белке гемоцианине. В крови большинства моллюсков и членистоногих медь используется вместо железа для транспорта кислорода. Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2•10-4%, известны организмы - концентраторы меди. В таежных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений Медь наблюдается ее избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.

     По  данным археологической науки медь была хорошо известна египтянам уже за 4000 лет до нашей эры. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Огромное значение медь имеет в электротехнической промышленности. Также она является почти отличным проводником, и стоит на втором месте, после серебра, по электропроводности.

     1 Основные свойства, элементы применения  меди

     Физические  свойства 

     Медь  — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается  оксидной плёнкой, которая придаёт  ей характерный интенсивный желтовато-красный  оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

     Медь  образует кубическую гранецентрированную  решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

     Медь  обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра, удельная проводимость при 20 °C 55,5-58 МСм/м[4]). Имеет два стабильных изотопа — 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.

     Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем, баббиты — со свинцом и другие. 

     Химические  свойства 

     Не  изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не реагирует с водой, разбавленной соляной кислотой. Переводится в раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Реагирует при нагревании с галогеноводородами.

     На  влажном воздухе медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II):

     Реагирует с концентрированной холодной серной кислотой:

     С концентрированной горячей серной кислотой:

     С безводной серной кислотой при 200 °C:

     C разбавленной серной кислотой  при нагревании в присутствии  кислорода воздуха:

     Реагирует с концентрированной азотной кислотой: 

     С разбавленной азотной кислотой: 

     C разбавленной хлороводородной кислотой  в присутствии кислорода: 

     С газообразным хлороводородом при 500—600 °C: 

     С бромоводородом: 

     Также медь реагирует с концентрированной  уксусной кислотой в присутствии кислорода: 

     Медь  растворяется в концентрированном  гидроксиде аммония, с образованием аммиакатов: 

     Окисляется  до оксида меди(I) при недостатке кислорода  и 200 °C и до оксида меди(II), при избытке  кислорода и температурах порядка 400—500 °C: 

     Медный порошок реагирует с хлором, серой (в жидком сероуглероде) и бромом (в эфире), при комнатной температуре: 

     При 300—400 °C реагирует с серой и  селеном: 

     C оксидами неметаллов: 

     Медь  реагирует с цианидом калия с  образованием дицианокупрата(I) калия, щелочи и водорода:

     С концентрированной соляной кислотой и хлоратом калия: 

     Соединения 

     Медный  купорос

     В соединениях медь бывает двух степеней окисления: менее стабильную степень Cu+ и намного более стабильную Cu2+, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23−, полученных в 1994 году.

     Карбонат  меди(II) имеет зелёную окраску, что  является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди. Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO4∙5H2O, используется как фунгицид. Также существует нестабильный сульфат меди(I) Существует два стабильных оксида меди — оксид меди(I) Cu2O и оксид меди(II) CuO. Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa2Cu3O7-δ), который является основой для получения сверхпроводников. Хлорид меди(I) — бесцветные кристаллы (в массе белый порошок) плотностью 4,11 г/см³. В сухом состоянии устойчив. В присутствии влаги легко окисляется кислородом воздуха, приобретая сине-зелёную окраску. Может быть синтезирован восстановлением хлорида меди(II) сульфитом натрия в водном растворе.

     Соединения  меди(I)

     Многие  соединения меди(I) имеют белую окраску либо бесцветны. Это объясняется тем, что в ионе меди(I) все пять Зd-орбиталей заполнены парами электронов. Однако оксид Cu2O имеет красновато-коричневую окраску. Ионы меди(I) в водном растворе неустойчивы и легко подвергаются диспропорционированию:

     2Cu+(водн.) → Cu2+(водн.) + Cu(тв.)

     В то же время медь(I) встречается в  форме соединений, которые не растворяются в воде, либо в составе комплексов. Например, дихлорокупрат(I)-ион [CuCl2]−  устойчив. Его можно получить, добавляя концентрированную соляную кислоту к хлориду меди(I):

     CuCl(тв.) + Cl−(водн.) → [CuCl2]− (водн.)

     Хлорид  меди(I) — белое нерастворимое  твёрдое вещество. Как и другие галогениды меди(I), он имеет ковалентный  характер и более устойчив, чем  галогенид меди (II). Хлорид меди(I) можно получить при сильном нагревании хлорида меди(II):

     2CuCl2(тв.) → 2CuCl(тв.) + Cl2(г.)

       Ионы меди окрашивают пламя  в зелёный цвет

     Образует  неустойчивый комплекс с CO

     CuCl+CO → Cu(CO)Cl разлагающийся при нагревании

     Другой  способ его получения заключается в кипячении смеси хлорида меди(II) с медью в концентрированной соляной кислоте. В этом случае сначала образуется промежуточное соединение — комплексный дихлорокупрат(I)-ион [CuCl2]−. При выливании раствора, содержащего этот ион, в воду происходит осаждение хлорида меди(I). Хлорид меди(I) реагирует с концентрированным раствором аммиака, образуя комплекс диамминмеди(I) [Cu(NH3)2]+. Этот комплекс не имеет окраски в отсутствие кислорода, но в результате реакции с кислородом превращается в синее соединение.

     Соединения  меди(II)

     Степень окисления II — наиболее стабильная степень окисления меди. Соли меди(II) образуются при растворении меди в кислотах-окислителях (азотной, конц. серной). Большинство солей в этой степени окисления имеют синюю или зелёную окраску.

     Соединения  меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе (напр., использование реактива Фелинга).

     Соединения  меди(III) и меди(IV)

     Степени окисления III и IV являются малоустойчивыми  степенями окисления и представлены только соединениями с кислородом, фтором или в виде комплексов.

     Аналитическая химия меди:

     Традиционно количественное выделение меди из слабокислых  растворов проводилось с помощью  сероводорода.

     В растворах, при отсутствии мешающих ионов медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически, ионометрически.

     Микроколичества меди в растворах определяют кинетическими  методами. 

     Применение 

     В электротехнике 

     Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C 0,01724-0,0180 мкОм·м[4]), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 %[5].

     Теплообмен

     Другое  полезное качество меди — высокая  теплопроводность. Это позволяет  применять её в различных теплоотводных  устройствах, теплообменниках, к числу  которых относятся и широко известные  радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

     Для производства труб

     В связи с высокой механической прочностью, но одновременно пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения  получили широкое применение для  транспортировки жидкостей и  газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

     В России производство водогазопроводных  труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005 [6], а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.

     Сплавы

     Сплавы  на основе меди 

     В разнообразных областях техники  широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. В наше время находит применение в военном деле в кумулятивных боеприпасах благодаря высокой пластичности, большое количество латуни идёт на изготовление оружейных гильз.

     Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм² у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм² ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью. Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевые сплавы используются для чеканки разменной монеты.

     Медноникелевые  сплавы, в том числе и так  называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской  воды из-за образцовой коррозионной устойчивости.

     Медь  является важным компонентом твёрдых  припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 градусов Цельсия, обладающих хорошей адгезией к большинству  металлов, и применяющихся для  прочного соединения разнообразных  металлических деталей, особенно, из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей

     Сплавы, в которых медь значима

     Дюраль (дюралюминий) определяют, как сплав  алюминия и меди (меди в дюрали 4,4 %).

     Ювелирные сплавы

     В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.

     Соединения  меди 

     Оксиды  меди используются для получения  оксида иттрия бария меди YBa2Cu3O7-δ, который является основой для получения высокотемпературных сверхпроводников. Медь применяется для производства медно-окисных гальванических элементов, и батарей.

     Другие  сферы применения

     Медь  — самый широко употребляемый  катализатор полимеризации ацетилена. Из-за этого трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

     Широко  применяется медь в архитектуре. Кровли и фасады из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006 .

     Прогнозируемым  новым массовым применением меди обещает стать её применение в  качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.