Химия меди
Работа из раздела: «
Химия»
Министерство Образования Республики Беларусь
Белорусский Национальный Технический Университет
Кафедра Химии
Реферат на тему:
Химия меди
Исполнитель: Кузьмич А.Н. гр. 104312
______________________
Руководитель: Медведев Д.И.
______________________
Минск - 2003
Содержание.
| | |стр. |
| |Введение |2 |
|1. |Историческая справка |4 |
|2. |Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева |5 |
|3. |Распространение в природе |6 |
|4. |Получение |8 |
|5. |Физические свойства |10 |
|6. |Химические свойства |11 |
|7. |Применение |16 |
|8. |Сплавы меди |18 |
|8.1 |Латуни |18 |
|8.2 |Оловянные бронзы |19 |
|8.3 |Алюминиевые бронзы |19 |
|8.4 |Кремнистые бронзы |20 |
|8.5 |Бериллиевые бронзы |21 |
|8.6 |Сплавы меди с никелем |21 |
| |Заключение |22 |
| |Литература |24 |
Введение.
Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов,
известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным -
медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до н. э. 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. Особенно важна медь для электротехники. По
электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после
серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые
раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из
алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и
многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в.
медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-
ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран
перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.
Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная
биохимическая функция меди – это участие в ферментативных реакциях в
качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов. Количество меди
в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05 % (на сухое вещество) и зависит от
вида растения и содержания меди в почве. В растениях медь входит в состав
ферментов-оксидаз и белка пластоцианина. В оптимальных концентрациях медь
повышает холодостойкость растений, способствует их росту и развитию. Среди
животных наиболее богаты медью некоторые беспозвоночные (у моллюсков и
ракообразных в гемоцианине содержится 0,15-0,26 % меди). Поступая с пищей,
медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови -
альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка
церулоплазмина возвращается в кровь и доставляется к органам и тканям.
Содержание меди у человека колеблется (на 100 г сухой массы) от 5 мг в
печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела - от 100 мкг (на 100 мл) в
крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего меди в организме взрослого
человека около 100 мг. Медь входит в состав ряда ферментов (например,
тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного
мозга. Малые дозы меди влияют на обмен углеводов (снижение содержания
сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества
фосфора) и др. Увеличение содержания меди в крови приводит к превращению
минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование
накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.
При недостатке меди злаковые растения поражаются так называемой болезнью
обработки, плодовые - экзантемой; у животных уменьшаются всасывание и
использование железа, что приводит к анемии, сопровождающейся поносом и
истощением. Применяются медные микроудобрения и подкормка животных солями
меди. Отравление медью приводит к анемии, заболеванию печени, болезни
Вильсона. У человека отравление возникает редко благодаря тонким механизмам
всасывания и выведения меди. Однако в больших дозах медь вызывает рвоту;
при всасывании меди может наступить общее отравление (понос, ослабление
дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).
1. Историческая справка.
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 её сплавы сыграли большую роль в развитии
материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и
карбонатов, медь была, по-видимому, первым металлом, который человек
научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах.
Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и
название ее Сuprum.
В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и
быстро охлаждали, причём 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).
2. Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева.
Медь (Cuprum), Сu — химический элемент побочной подгруппы первой группы
периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 29,
атомная масса 63,54. Распределение электронов в атоме меди —
Is22s22p63s23p63d104s1.
Природная медь состоит из смеси 2-х стабильных изотопов с массовыми
числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Сечение захвата тепловых нейтронов атомов
меди 3,59-10-28 м-2. Путем бомбардировки никеля протонами или дейтронами
искусственно получают радиоактивные изотопы меди 61Сu и 64Сu с периодами
полураспада 3,3 и 12,8 ч соответственно. Эти изотопы обладают высокой
удельной активностью и используются в качестве меченых атомов.
В химическом отношении медь занимает промежуточное положение между
элементами первой плеяды VIII группы и щелочными элементами I группы
периодической системы. Ниже приведены значения потенциалов ионизации атомов
меди (в эВ):
|1-й |
|2-й |
|3-й |
|4-й |
|5-й |
|6-й |
|7-й |
|8-й |
| |
|7,72 |
|20,29 |
|36,83 |
|58,9 |
|82 |
|106 |
|140 |
|169 |
| |
Заполненная d-оболочка меди менее эффективно экранирует s-электрон от
ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди
выше, чем у щелочных металлов. Так как в образовании металлической связи
принимают участие и электроны d-оболочки, теплота испарения и температура
плавления меди значительно выше, чем у щелочных металлов, что обусловливает
более «благородный» характер меди по сравнению с последними. Второй и
третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных металлов, что в
значительной степени объясняет проявление свойств меди как переходного
элемента, который в степени окисления II и III имеет парамагнитные свойства
окрашенных ионов и комплексов. Медь(I) также образует многочисленные
соединения по типу комплексов переходных металлов (табл. 1).
Таблица 1
Состояние окисления и стереохимия соединений меди.
|Состояние |Координационное |Геометрия |Примеры |
|окисления |число | |соединений |
|Cu(I) d10 |2 |Линейная |Cu2O |
| |3 |Плоская |K[Cu(CN)2] |
| |4 |Тетраэдр |Cu(I) |
|Cu(II) d9 |4 |Тетраэдр (искажённый) |Cs[CuCl4] |
| |5 |Тригональная бипирамида|[Cu(Dipy)2I]+ |
| |5 |Квадратная пирамида |[Cu(ДМГ)2]2(тв)|
| |4 |Квадрат |CuO |
| |6 |Октаэдр (искажённый) |K2CuF4, CuCl2 |
|Cu(III) d8 |4 |Квадрат |KCuO2 |
| |6 |Октаэдр |K3CuF6 |
П р и м е ч а н и е. Dipy – дипиридил; ДМГ – диметилглиоксим.
3. Распространение в природе.
Среднее содержание меди в земной коре 4,7-10-3 % (по массе), в нижней
части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10-2 %), чем
в верхней (2-10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные
породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в
холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод
различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди
многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты,
хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.
Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических
процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2-10-4 %, известны
организмы - концентраторы меди. В таёжных 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 меди наблюдается её избыток в почвах и растениях,
отчего болеют домашние животные.
В речной воде очень мало меди, 1-10-7 %. Приносимая в океан со стоком
медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы
несколько обогащены медью (5,7-10-3 %), а морская вода резко недосыщена
медью (3-10-7 %).
В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное
накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например,
Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах
биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.
Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное
значение.
Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное значение
имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется медный
колчедан (халькопирит) CuFeS2. В природе он встречается главным образом в
смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si,
Al, Ca и др. Часто сульфидные руды содержат примеси благородных металлов
(Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных
элементов (Ge и др.).
Содержание меди в руде обычно составляет 1—5%, но благодаря легкой
флотируемости халькопирита его можно обогащать, получая концентрат,
содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее крупные запасы медных руд
сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане, Средней Азии, Африке
(Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).
4. Получение.
Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед
плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при
этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в
результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый,
пиритный).
В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов
пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы
материала. В процессе плавки, вследствие большего родства меди к сере, а
компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в
сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от
шлака отстаиванием.
На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в
электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в
горизонтальном направлении; площадь подачи 300 м2 и более (30 м; 10 м),
необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива
(естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над
поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через
расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через
погруженные в него графитовые электроды).
Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних
источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие
основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной
способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых
используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух,
воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие,
предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода
или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во
взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять
сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и
за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в
развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.
Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы
(35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных
печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из
разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют
мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной
серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.
Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в
конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри
магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и
устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают
сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала
окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер
добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид
меди с образованием металлической меди и SO2. Эту черновую медь разливают в
формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с
целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления
вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на
большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и
частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2)
удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления
растворённой в ней Cu2O 'дразнят', погружая в жидкий металл концы сырых
берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для
электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором
CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды
растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах,
также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения
плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки
(столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают
водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники
меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной
переработкой.
Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллурги-ческие
методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных
руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих
минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора меди,
либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами.
Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные
гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди
растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией.
Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы,
идущие при повышенных температурах и давлении.
5. Физические свойства.
Техническая медь — металл красного, в изломе розового цвета, при
просвечивании в тонких слоях — зеленовато-голубой. Имеет
гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,36074 нм,
плотность 8,96 кг/м3 (20° С). Ионные радиусы меди (в нм) приведены ниже:
| |По Белову и Бокию|По Гольдшмидту |По Полингу |
|Cu+ |0,098 |0,095 |0,096 |
|Cu2+ |0,080 |0,070 |— |
Основные физические свойства меди
Температура плавления, °С
1083
Температура кипения, °С
2600
Теплота плавления, кДж/г-ат.
0,7427
Теплота испарения, кДж/г-ат.
17,38
Удельная теплоемкость, Дж/(г.град) (20°С)
0,022
Теплопроводность, Дж/(м.град.с) (20°С)
2,25-10-3
Электрическое сопротивление, Ом.м (20°С)
1,68-Ю-4
Удельная магнитная восприимчивость,
0,086.10-6
абс. эл.-магн. ед./г (18 °С)
Медь — вязкий, мягкий и ковкий металл, уступающий только серебру высокой
теплопроводностью и электропроводностью. Эти качества, а также пластичность
и сопротивление коррозии обусловили широкое применение меди в
промышленности.
6. Химические свойства.
Медь — электроположительный металл. Относительную устойчивость ее ионов
можно оценить на основании следующих данных:
Cu2+ + e > Cu+ E0 = 0,153 B,
Сu+ + е > Сu0 E0 = 0,52 В,
Сu2+ + 2е > Сu0 E0 = 0,337 В.
Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами и
не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь растворяется в
азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц.
H2SO4 — с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь
растворяется только при продувании через раствор воздуха.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди в водных
растворах по отношению к водородному электроду при 25° С приведены в табл.
2.
Таблица 2.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди.
|Уравнение полуреакции |EL В |
|HCuO2- + ЗН+ + е = Сu+ + 2Н2О |1,73 |
|CuO22- + 4Н+ + е = Сu+ + 2Н2О |2,51 |
|HCuO2- + ЗН+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,13 |
|СuО22- + 4Н+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,52 |
|2Сu2+ + Н2О + 2е = Сu2О + 2Н+ |0,20 |
|2НСuО2- + 4Н+ + 2е = Сu2О + ЗН2О |1,78 |
|2CuO22- + 6Н+ +2е = Сu2О + ЗН2О |2,56 |
|СuО + 2Н+ + е = Сu+ + Н20 |0,62 |
|Сu2+ + Вr - + е = СuВr |0,64 |
|Сu2+ + Сl- + е = CuCl |0,54 |
|Сu2+ + I- + е = CuI |0,86 |
|Cu(NH3)42+ + е = Cu(NH3)2+ + 2NH3 |-0,01 |
|Cu(NH3)2+ + е = Сu0 + 2NH3 |-0,12 |
|Cu(NH3)42+ + 2e = Cu0 + 4NH3 |-0,07 |
Химическая активность меди невелика, при температурах ниже 185°С с сухим
воздухом и кислородом не реагирует. В присутствии влаги и СО2 на
поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При
нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление; ниже 375°С
образуется СuО, а в интервале 375—1100°С при неполном окислении меди —
двухслойная окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с медью уже
при комнатной температуре, образуя хлорид меди(II), хорошо растворимый в
воде. Медь реагирует и с другими галогенами.
Особое сродство проявляет медь к сере: в парах серы она горит. С
водородом, азотом, углеродом медь не реагирует даже при высоких
температурах. Растворимость водорода в твердой меди незначительна и при
400°С составляет 0,06 г в 100 г меди. Присутствие водорода в меди резко
ухудшает ее механические свойства (так называемая 'водородная болезнь').
При пропускании аммиака над раскаленной медью образуется Cu2N. Уже при
температуре каления медь подвергается воздействию оксидов азота: N2O и NO
взаимодействуют с образованием Сu2О, a NO2 — с образованием СuО. Карбиды
Сu2С2 и СuС2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы
солей меди. Окислительно-восстановительные равновесия в растворах солей
меди в обеих степенях окисления осложняются легкостью диспропорционирования
меди(I) в медь(0) и медь(II), поэтому комплексы меди(I) обычно образуются
только в том случае, если они нерастворимы (например, CuCN и Cul) или если
связь металл—лиганд имеет ковалентный характер, а пространственные факторы
благоприятны.
Исследование комплексных соединений меди(П) может быть проведено методами
протонного резонанса и ЭПР. Большое число работ по ЭПР комплексных
соединений меди(II) обусловлено устойчивостью этого состояния окисления
меди и относительно узкими линиями спектра ЭПР меди(П) в широком интервале
температур.
Спектры ЭПР комплексов меди(II) в растворах часто имеют хорошо
разрешенную сверхтонкую структуру из четырех линий от ядер 63 Сu и 65Сu,
ядерный спин которых 3/2.Так как магнитные моменты ядер 63Сu и 65Сu
несколько различаются, то в случае узких линий сверхтонкой структуры,
например для серосодержащих комплексов, в спектрах ЭПР видны разрешенные
линии от ядер 63Сu и 65Сu. При интерпретации спектров ЭПР необходимо
учитывать сосуществование в растворах, как правило, нескольких комплексов.
Ниже кратко рассматриваются химические свойства меди в различных степенях
окисления.
Медь(I). Комплексы меди(I) обычно имеют (в зависимости от природы
лиганда) линейное или тетраэдрическое строение. Ионы меди(I) содержат
десять 3d-электронов и обычно образуют четырех координированные
тетраэдрические структуры типа [CuCl4]3-. Однако с сильноосновными
высокополяризованными или легко поляризующимися лигандами медь(I) образует
двухкоординированные линейные комплексы.
В соединениях меди(I) ион имеет конфигурацию 3d'°, поэтому они
диамагнитны и бесцветны. Исключение составляют случаи, когда окраска
обусловлена анионом или поглощением в связи с переносом заряда.
Относительная устойчивость ионов Сu+ и Сu2+ определяется природой анионов
или других лигандов. Примерами устойчивого в воде соединения меди(I)
являются малорастворимые CuCl и CuCN, соли Cu2SO4 и других оксоанионов
можно получить в неводной среде. В воде они быстро разлагаются, образуя
медь металлическую и соли меди(I). Неустойчивость солей меди(I) в воде
обусловлена отчасти повышенными значениями энергии решетки и энергии
сольватации для иона меди(П), вследствие чего соединения меди(I)
неустойчивы.
Оксид меди(I) Сu2О красного цвета, незначительно растворяется в воде. При
взаимодействии сильных щелочей с солями меди(I) выпадает желтый осадок,
переходящий при нагревании в осадок красного цвета, по-видимому, Cu2O.
Гидроксид меди(I) обладает слабыми основными свойствами, он несколько
растворим в концентрированных растворах щелочей.
Медь(II). Двухзарядный положительный ион меди является ее наиболее
распространенным состоянием. Большинство соединений меди(I) очень легко
окисляется в соединения двухвалентной меди, но дальнейшее окисление до
меди(Ш) затруднено.
Конфигурация 3d9 делает ион меди(II) легко деформирующимся, благодаря
чему он образует прочные связи с серосодержащими реагентами (ДДТК,
этилксантогенатом, рубеановодородной кислотой, дитизоном). Основным
координационным полиэдром для двухвалентной меди является симметрично
удлиненная квадратная бипирамида. Тетраэдрическая координация для меди(П)
встречается довольно редко и в соединениях с тиолами, по-видимому, не
реализуется.
Большинство комплексов меди(II) имеет октаэдрическую структуру, в которой
четыре координационных места заняты лигандами, расположенными к металлу
ближе, чем два других лиганда, находящихся выше и ниже металла. Устойчивые
комплексы меди(II) характеризуются, как правило, плоскоквадратной или
октаэдрической конфигурацией. В предельных случаях деформации
октаэдрическая конфигурация превращается в плоскоквадратную. Большое
аналитическое применение имеют внешнесферные комплексы меди.
СuО встречается в природе и может быть получен при накаливании
металлической меди на воздухе, хорошо растворяется в кислотах, образуя
соответствующие соли.
Гидроксид меди(II) Сu(ОН)2 в виде объемистого осадка голубого цвета может
быть получен при действии избытка водного раствора щелочи на растворы солей
меди(II). ПР(Сu(ОН)-) = 1,31.10-20. В воде этот осадок малорастворим, а при
нагревании переходит в СuО, отщепляя молекулу воды. Гидроксид меди(II)
обладает слабо выраженными амфотерными свойствами и легко растворяется в
водном растворе аммиака с образованием осадка темно-синего цвета. Осаждение
гидроксида меди происходит при рН 5,5.
Последовательные значения констант гидролиза для ионов меди(II) равны:
рК1гидр = 7,5; рК2гидр = 7,0; рК3гидр = 12,7; рК4гидр = 13,9. Обращает на
себя внимание необычное соотношение pK1гидр > рК2гидр. Значение рК = 7,0
вполне реально, так как рН полного осаждения Сu(ОН)2 равно 8—10. Однако рН
начала осаждения Сu(ОН)2 равно 5,5, поэтому величина рК1гндр = 7,5,
очевидно, завышена. Гидролиз ионов меди(II) в водных растворах протекает по
схеме:
Сu2+ + n Н20 = Cu(OH)n2-n + n Н+; (n = 1; 2).
1-я и 2-я константы гидролиза равны 109 и 1017 соответственно и не
зависят от концентрации меди в пределах 4-1 0'4 — 1 М.
Медь(III). Доказано, что медь(III) с конфигурацией 3d8 может существовать
в кристаллических соединениях и в комплексах, образуя анионы — купраты.
Купраты некоторых щелочных и щелочноземельных металлов можно получить,
например, нагреванием смеси оксидов в атмосфере кислорода. КСuО2 — это
диамагнитное соединение голубовато-стального цвета.
При действии фтора на смесь КСl и СuСl2 образуются светло-зеленые
кристаллы парамагнитного соединения К3СuF6.
При окислении щелочных растворов меди(II), содержащих периодаты или
теллураты, гипохлоритом или другими окислителями образуются диамагнитные
комплексные соли состава K7[Cu(IO6)2].7H2O. Эти соли являются сильными
окислителями и при подкислении выделяют кислород.
Соединения меди(Ш). При действии спиртового раствора щелочи и пероксида
водорода на охлажденный до 50° спиртовой раствор хлорида меди(II) выпадает
коричнево-черный осадок пероксида меди СuО2. Это соединение в
гидратированной форме можно получить при действии пероксида водорода на
раствор соли сульфата меди, содержащего в небольших количествах Na2CO3.
Суспензия Сu(ОН)2 в растворе КОН взаимодействует с хлором, образуя осадок
Сu2О3 красного цвета, частично переходящий в раствор.
7. Применение.
Большая роль меди в технике обусловлена рядом её ценных свойств и,
прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью.
Благодаря этим свойствам медь - это основной материал для проводов; свыше
50 % добываемой меди применяют в электротехнической промышленности. Все
примеси понижают электропроводность меди, а потому в электротехнике
используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % Cu. Высокие
теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из меди
ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и
т. п. Около 30-40 % меди используют в виде различных сплавов, среди которых
наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 % Zn) и различные виды бронз;
оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. (подробнее см.
Сплавы меди). Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта,
некоторое количество меди (главным образом в виде солей) потребляется для
приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями
растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов,
а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве
искусственного шёлка.
Медь как художественный материал используется с медного века (украшения,
скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из меди и сплавов
украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки меди
(обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия
фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия
из меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также
свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют,
тонируют, украшают эмалью. С 15 века медь применяется также для
изготовления печатных форм.
В медицине сульфат меди применяют как антисептическое и вяжущее средство
в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей для лечения
трахомы. Раствор сульфата меди используют также при ожогах кожи фосфором.
Иногда сульфат меди применяют как рвотное средство. Нитрат меди употребляют
в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.
8. Сплавы меди.
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.
8.1 Латуни.
Латунями называют сплавы меди и цинка. Медь может растворять цинк в любом
количестве. По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по
структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним
компонентом: цинком.
Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у
латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким
содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в
пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они
поставляются в прокате и поковках.
Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при
нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде
проката, но и в отливках. Пластичность их ниже, чем у однофазных латуней,
а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц
второй фазы.
Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной структуре и 40-45
кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно
повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную
стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений,
создаваемых холодной деформацией).
8.2 Оловянные бронзы.
Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и
сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).
Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной
холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие
свойства (?>= 40 кгс/мм2).
Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость.
Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные
свойства; они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по
сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы
применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и
подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара.
Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость.
Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются
алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова чаще используют
бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).
8.3 Алюминиевые бронзы.
Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и
оловянные бронзы.
Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность
(? до 60%). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и
штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической
деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы
подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых
бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент
усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение
более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные
бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в
частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей
при повышенных напряжениях.
Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие
прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых
бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2.
Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии
в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде
лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для
токоведущих пружин.
8.4 Кремнистые бронзы.
Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы
как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в
прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.
Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.
Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате
сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и
в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.
8.5 Бериллиевые бронзы.
Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (? до 120 кгс/мм2) и
коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.
Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для
особо ответственных в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки
для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах,
аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы после закалки и
старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением
температуры.
Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает
прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.
8.6 Сплавы меди с никелем.
Никель сильно повышает твердость меди. Сплав 50% Сu и 50% Ni обладает
наибольшей твердостью. Кроме высокой твердости, эти сплавы обладают
пониженной электропроводностью, вследствие чего употребляются в
электротехнике.
Хорошие механические свойства, высокая стойкость против коррозии во
многих средах, ценные физические свойства в сочетании с простотой плавки,
литья и обработки давлением обусловили широкое применение медных сплавов в
многочисленных отраслях техники: в авиа-, авто-, судостроении, химической
промышленности, станкостроении, электротехнике, приборостроении, в
производстве паровой и водяной арматуры, посуды, художественных и других
изделий.
Заключение.
Медь является одним из металлов, известных с древнейших времён, и в
настоящее время занимает второе место (после алюминия) по объёму
промышленного производства.
Медь применяется для изготовления кабелей, токопроводящих частей
электрических установок, теплообменников. Она является основным компонентом
латуней бронз, медно-никелевых и других сплавов, обладающих высокими
антифрикционными свойствами, сочетающимися с хорошей коррозионной
стойкостью на воздухе. Эти сплавы характеризуются, кроме того, хорошей
электрической проводимостью.
Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при
нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в
реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом
медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не
обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.
Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в
очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же
цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии,
так и в растворах.
Медь широко используется в промышленности из-за:
1. высокой теплопpоводимости
2. высокой электpопpоводимости
3. ковкости
4. хороших литейных качеств
5. большого сопротивления на pазpыв
6. химической стойкости
Физические и химические свойства меди зависят от степени ее чистоты.
Примеси меди в продуктах различных производств также влияют на свойства
этих материалов. Поэтому во многих производственных лабораториях проводится
контроль содержания меди. Большое число публикаций посвящено определению
меди в биологических объектах, особенно в крови, так как медь играет
большую роль в биохимических процессах, протекающих в организме, и является
индикатором некоторых заболеваний. При аналитическом контроле используют
как классические химические методы, так и физические, требующие совершенной
инструментальной техники и позволяющие с высокой чувствительностью
определять медь в присутствии многих других элементов часто без разрушения
образца. Переработка медных руд невозможна без предварительного фазового
анализа.
Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в
процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу
сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в
виде пятиводного сульфата - медного купороса. В значительных количествах
он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших
организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.
Литература.
1. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. – 249с.);
2. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. –
234с.);
3. Газарян Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. – 189с.);
4. Справочник металлурга по цветным металлам, под редакцией Н. Н. Мурача,
(2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2, М., 1947. – 211с.);
