Химия меди

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.

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):

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.

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:

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 SO_2. 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.

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: рК_1гидр = 7,5; рК_2гидр = 7,0; рК_3гидр = 12,7; рК_4гидр = 13,9. Обращает на себя внимание необычное соотно­шение pK_1гидр > рК_2гидр. 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 рК_1гндр = 7,5, очевидно, завышена. Гидролиз ионов меди(II) в водных растворах протекает по схеме:

Сu²⁺ + n Н₂0 = Cu(OH)_n^2-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 (δ>= 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 (δ 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 (σ 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:

·     высокой теплопpоводимости

·     высокой электpопpоводимости

·     ковкости

·     хороших литейных качеств

·     большого сопротивления на pазpыв

·     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.);