Медь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Медь (Cu от лат. Шаблон:Langi) — элемент одиннадцатой группы четвёртого периода (побочной подгруппы первой группы) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко используется человеком.

Шаблон:-

Содержание

История

Медь — один из первых металлов, хорошо освоенных человеком из-за доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Этот металл встречается в природе в самородном виде чаще, чем золото, серебро и железо. Одни из самых древних изделий из меди, а также шлак — свидетельство выплавки её из руд — найдены на территории Турции, при раскопках поселения Чатал-ГююкШаблон:Sfn. Медный век, когда значительное распространение получили медные предметы, следует во всемирной истории за каменным веком. Экспериментальные исследования С. А. Семёнова с сотрудниками показали, что, несмотря на мягкость меди, медные орудия труда по сравнению с каменными дают значительный выигрыш в скорости рубки, строгания, сверления и распилки древесины, а на обработку кости затрачивается примерно такое же время, как для каменных орудийШаблон:Sfn.

В древности медь применялась также в виде сплава с оловом — бронзы — для изготовления оружия и т. п., бронзовый век пришёл на смену медному. Сплав меди с оловом (бронзу) получили впервые за 3000 лет до н. э. на Ближнем Востоке. Бронза привлекала людей прочностью и хорошей ковкостью, что делало её пригодной для изготовления орудий труда и охоты, посуды, украшений. Все эти предметы находят в археологических раскопках. На смену бронзовому веку относительно орудий труда пришёл железный век.

Первоначально медь добывали из малахитовой руды, а не из сульфидной, так как она не требует предварительного обжига. Для этого смесь руды и угля помещали в глиняный сосуд, сосуд ставили в небольшую яму, а смесь поджигали. Выделяющийся угарный газ восстанавливал малахит до свободной меди:

<math>\mathsf{2CO + (CuOH)_2CO_3 \rightarrow 2Cu + 3CO_2 + H_2O}</math>

На Кипре уже в 3 тысячелетии до нашей эры существовали медные рудники и производилась выплавка меди.

На территории России и сопредельных стран медные рудники появились за два тысячелетия до н. э. Остатки их находят на Урале (наиболее известное месторождение — Каргалы), в Закавказье, в Сибири, на Алтае, на территории Украины.

В XIII—XIV вв. освоили промышленную выплавку меди. В Москве в XV в. был основан Пушечный двор, где отливали из бронзы орудия разных калибров. Много меди шло на изготовление колоколов. Из бронзы были отлиты такие произведения литейного искусства, как Царь-пушка (1586 г.), Царь-колокол (1735 г.), Медный всадник (1782 г.), в Японии была отлита статуя Большого Будды (храм Тодай-дзи) (752 г.).

С открытием электричества в XVIII—XIX вв. большие объёмы меди стали идти на производство проводов и других связанных с ним изделий. И хотя в XX в. провода часто стали делать из алюминия, медь не потеряла значения в электротехникеШаблон:Sfn.

Происхождение названия

Латинское название меди Cuprum (древнелат. Шаблон:Langi) произошло от названия острова Кипр, где было богатое месторождение.

У Страбона медь именуется Шаблон:Lang-grc2, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Шаблон:Langi (санскр. ayas, Шаблон:Lang-got, нем. Шаблон:Langi, англ. Шаблон:Langi-en2) означает руда или рудник.

Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках: Шаблон:Lang-cu «медь» не имеет чёткой этимологии, возможно, исконное слово[1][2]. В. И. Абаев предполагал происхождение слова от названия страны Мидия: *Мѣдь из ир. Мādа — через посредство греч. Μηδία[3]. Согласно этимологии М. Фасмера, слово «медь» родственно др-герм. smid «кузнец», smîdа «металл»[3].

Медь обозначалась алхимическим символом «» — «зеркало Венеры», и иногда сама медь именовалась алхимиками тоже как «венера». Это связано с тем, что богиня красоты Венера (Афродита), являлась богиней Кипра[4], и из меди делались зеркала. Этот символ Венеры также был изображён на брэнде Полевского медеплавильного завода, им с 1735 по 1759 годы клеймилась полевская медь, и изображён на современном гербе города Полевской[4][5]. С Гумёшевским рудником Полевского, — крупнейшим в XVIII−XIX веках месторождением медных руд Российской империи на Среднем Урале, — связан известный персонаж сказов П. П. Бажова — Хозяйка медной горы, покровительница добычи малахита и меди. По одной из гипотез, она является преломлённым народным сознанием образом богини Венеры[4].

Нахождение в природе

Файл:Cuivre Michigan.jpg
Самородная медь

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7—5,5)·10−3% (по массе)[6]. В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7 % и 10−7 % (по массе) соответственно[6].

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS2, также известный как медный колчедан, халькозин Cu2S и борнит Cu5FeS4. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн[7]. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и сланцы. Наиболее известные из месторождений такого типа — Удокан в Забайкальском крае, Жезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси)[8].

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.

Физические свойства

Файл:Copper crystals.jpg
Кристаллы меди

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.

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

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

Медь обладает высокой тепло-[9] и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5—58 МСм[10]. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком.

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

Атомная плотность меди (N0) = <math>8,52\cdot10^{28}</math> (атом/м³).

Изотопы меди

Шаблон:Main Природная медь состоит из двух стабильных изотопов — 63Cu (изотопная распространённость 69,1 %) и 65Cu (30,9 %). Известны более двух десятков нестабильных изотопов, самый долгоживущий из которых 67Cu с периодом полураспада 62 часа[11].

Получение

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз.

Пирометаллургический метод

  • Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Халькопиритное сырьё содержит 0,5—2,0 % Cu. После флотационного обогащения исходной руды концентрат подвергают окислительному обжигу при температуре 1400 °C :
<math>\mathsf{ 2CuFeS_2 + O_2 \longrightarrow Cu_2S + 2FeS + SO_2\uparrow }</math>
<math>\mathsf{ 2FeS + 3O_2 \longrightarrow 2FeO + 2SO_2\uparrow }</math>

Затем обожжённый концентрат подвергают плавке на штейн. В расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезём:

<math>\mathsf{ FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3 }</math>

Образующийся силикат в виде шлака всплывает, и его отделяют. Оставшийся на дне штейн — сплав сульфидов FeS и Cu2S — подвергают бессемеровской плавке. Для этого расплавленный штейн переливают в конвертер, в который продувают кислород. При этом оставшийся сульфид железа окисляется до оксида и с помощью кремнезёма выводится из процесса в виде силиката. Сульфид меди частично окисляется до оксида и затем восстанавливается до металлической (черновой) меди:

<math>\mathsf{ 2Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 2Cu_2O + 2SO_2 }</math>
<math>\mathsf{ 2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2 }</math>

Получаемая металлическая (черновая) медь содержит 90,95 % металла и подвергается дальнейшей электролитической очистке с использованием в качестве электролита подкислённого раствора медного купороса. Образующаяся на катоде электролитическая медь имеет высокую чистоту до 99,99 % и используется для изготовления проводов, электротехнического оборудования, а также сплавов.

<math>\mathsf{ CuO + H_2 \uparrow \longrightarrow Cu + H_2O + Q\uparrow}</math>

Гидрометаллургический метод

Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:

<math>\mathsf{ CuSO_4 + Fe \longrightarrow Cu\downarrow + FeSO_4 }</math>

Электролизный метод

Электролиз раствора сульфата меди:

<math>\mathsf{ CuSO_4 \rightleftarrows Cu^{2+}+ SO_4^{2-} }</math>
<math>\mathsf{ K^{-}: Cu^{2+}+ 2e \longrightarrow Cu^{0} }</math>
<math>\mathsf{ A^{+}: 2H_2O - 4e \longrightarrow O_2 + 4H^{+} }</math>
<math>\mathsf{ 2CuSO_4 + 2H_2O \longrightarrow 2Cu\downarrow + O_2\uparrow +2H_2SO_4 }</math>

Химические свойства

Возможные степени окисления

В соединениях медь проявляет две степени окисления: +1 и +2. Первая из них склонна к диспропорционированию и устойчива только в нерастворимых соединениях (Cu2O, CuCl, CuI и т. п.) или комплексах (например, [Cu(NH3)2]+). Её соединения бесцветны. Более устойчива степень окисления +2, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях и комплексах можно получить соединения со степенью окисления +3, +4 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23−, полученных в 1994 году.

Простое вещество

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не вступает в реакцию с водой и разбавленной соляной кислотой. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Вступает в реакцию при нагревании с галогеноводородами.

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

<math>\mathsf{ 2Cu + H_2O + CO_2 + O_2 \longrightarrow \ (CuOH)_2CO_3\downarrow }</math>

Реагирует с концентрированной холодной серной кислотой:

<math>\mathsf{ Cu + H_2SO_4 \longrightarrow \ CuO + SO_2\uparrow\ + H_2O }</math>

С концентрированной горячей серной кислотой:

<math>\mathsf{ Cu + 2H_2SO_4 \longrightarrow \ CuSO_4 + SO_2\uparrow\ + 2H_2O }</math>

С безводной горячей серной кислотой:

<math>\mathsf{ 2Cu + 2H_2SO_4 \ \xrightarrow{200^oC} \ Cu_2SO_4\downarrow + SO_2\uparrow\ + 2H_2O}</math>

C разбавленной серной кислотой при нагревании в присутствии кислорода воздуха:

<math>\mathsf{ 2Cu + 2H_2SO_4 + O_2 \xrightarrow{t^\circ }\ 2CuSO_4 + 2H_2O}</math>

С концентрированной азотной кислотой:

<math>\mathsf{ Cu + 4HNO_3 \longrightarrow \ Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}</math>

С разбавленной азотной кислотой:

<math>\mathsf{ 3Cu + 8HNO_3 \longrightarrow \ 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}</math>

С «царской водкой»:

<math>\mathsf{ 3Cu + 2HNO_3 + 6HCl \longrightarrow \ 3CuCl_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O}</math>

С концентрированной горячей соляной кислотой:

<math>\mathsf{ 2Cu + 4HCl \longrightarrow\ 2H[CuCl_2] + H_2\uparrow}</math>

C разбавленной соляной кислотой в присутствии кислорода:

<math>\mathsf{ 2Cu + 4HCl + O_2\longrightarrow \ 2CuCl_2 + 2H_2O}</math>

С газообразным хлороводородом при 500—600 °C:

<math>\mathsf{ 2Cu + 4HCl + O_2\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 2CuCl_2 + 2H_2O }</math>

С бромоводородом:

<math>\mathsf{ 2Cu + 4HBr \longrightarrow \ 2H[CuBr_2] + H_2\uparrow}</math>

Также медь реагирует с концентрированной уксусной кислотой в присутствии кислорода:

<math>\mathsf{ 2Cu + 4CH_3COOH + O_2\longrightarrow \ [Cu_2(H_2O)_2(CH_3COO)_4]}</math>

Медь растворяется в концентрированном гидроксиде аммония, с образованием аммиакатов:

<math>\mathsf{ Cu \xrightarrow{NH_3\cdot H_2O, O_2}\ [Cu(NH_3)_2]OH\rightleftarrows \ [Cu(NH_3)_4](OH)_2}</math>

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

<math>\mathsf{ 4Cu + O_2 \ \xrightarrow{200^oC} \ 2Cu_2O}</math>
<math>\mathsf{ 2Cu + O_2 \ \xrightarrow{400-500^oC} \ 2CuO}</math>

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

<math>\mathsf{ Cu + Cl_2\longrightarrow \ CuCl_2}</math>
<math>\mathsf{ Cu + Br_2\longrightarrow \ CuBr_2}</math>
<math>\mathsf{ Cu + S\ \xrightarrow{CS_2} \ CuS}</math>

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

<math>\mathsf{ 2Cu + S\ \xrightarrow{300-400^oC} \ Cu_2S}</math>
<math>\mathsf{ 2Cu + Se\ \xrightarrow{300-400^oC} \ Cu_2Se}</math>

C оксидами неметаллов:

<math>\mathsf{ 4Cu + SO_2\ \xrightarrow{600-800^oC} \ Cu_2S + 2CuO}</math>
<math>\mathsf{ 2Cu + 2NO\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 2CuO + N_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{ 4Cu + 2NO_2\ \xrightarrow{500-600^oC} \ 4CuO + N_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{ Cu + 2N_2O_4\ \xrightarrow{80^oC, CH_3-COO-CH_2-CH_3} \ Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow}</math>

С концентрированной соляной кислотой и хлоратом калия:

<math>\mathsf{ 6Cu + 12HCl + KClO_3\longrightarrow \ 6H[CuCl_2] + KCl + 3H_2O}</math>

Соединения меди(I)

Степени окисления +1 соответствует оксид Cu2O красно-оранжевого цвета. Соответствующий гидроксид CuOH (жёлтого цвета) быстро разлагается с образованием оксида. Гидроксид CuOH проявляет основные свойства.

Многие соединения меди +1 имеют белую окраску либо бесцветны. Это объясняется тем, что в ионе Сu+ все пять Зd-орбиталей заполнены парами электронов.

Ионы меди(I) в водном растворе неустойчивы и легко диспропорционируют:

<math>\mathsf{2Cu^+ \rightarrow Cu^{2+} + Cu\downarrow}</math>

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):

<math>\mathsf{CuCl + Cl^- \rightarrow [CuCl_2]^-}</math>

Свойства соединений меди (I) похожи на свойства соединений серебра (I). В частности, CuCl, CuBr и CuI нерастворимы. Также существует нестабильный сульфат меди(I).

Соединения меди(II)

Степень окисления II — наиболее стабильная степень окисления меди. Ей соответствует чёрный оксид CuO и голубой гидроксид Cu(OH)2, который при стоянии легко отщепляет воду и при этом чернеет:

<math>\mathsf{Cu(OH)_2 \rightarrow CuO + H_2O}</math>

Гидроксид меди(II) носит преимущественно основный характер и только в концентрированной щелочи частично растворяется с образованием синего гидроксокомплекса. Наибольшее значение имеет реакция гидроксида меди(II) с водным раствором аммиака, при которой образуется так называемый реактив Швейцера (растворитель целлюлозы):

<math>\mathsf{Cu(OH)_2 + 4NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4](OH)_2}</math>

Соли меди(II) образуются при растворении меди в кислотах-окислителях (азотной, концентрированной серной). Большинство солей в этой степени окисления имеют синюю или зелёную окраску. При растворении солей меди(II) в воде или при взаимодействии оксида меди(II) с кислотами образуются голубые аквакомплексы [Cu(HШаблон:SubO)Шаблон:Sub]2+.

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

Карбонат меди(II) имеет зелёную окраску, что является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди и медных сплавов при взаимодействии оксидной плёнки с углекислым газом воздуха в присутствии воды. Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO4∙5H2O, используется как фунгицид.

Оксид меди(II) используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa2Cu3O7-δ), который является основой для получения сверхпроводников.

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.

Оксид меди(III) не получен. Под этим названием описаны различные купраты(III).

Гексафторкупраты(III) и (IV) получают действием фтора на соли меди и щелочных металлов при нагревании под давлением. Они бурно реагируют с водой и являются сильными окислителями.

Комплексы меди(III) с ортопериодатами и теллуратами относительно стабильны и предложены как окислители в аналитической химии. Описано много комплексов меди(III) с аминокислотами и пептидами.

Аналитическая химия меди

Файл:Flametest--Cu.swn.jpg
Возбуждённые атомы меди окрашивают пламя в голубовато-зелёный цвет

Медь можно обнаружить в растворе по зелёно-голубой окраске пламени бунзеновской горелки, при внесении в него платиновой проволочки, смоченной исследуемым раствором.

  • Традиционно количественное определение меди в слабокислых растворах проводилось с помощью пропускания через него сероводорода, при этом сульфид меди выпадает в далее взвешиваемый осадок.
  • В растворах, при отсутствии мешающих ионов, медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически, ионометрически.
  • Микроколичества меди в растворах определяют кинетическими и спектральными методами.

Применение

В электротехнике

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C: 0,01724—0,0180 мкОм·м/[10]), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых и других кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках 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 %[12].

Файл:Провод, зажатый в третьей руке.jpg
Самое частое применение меди — электротехника

Теплообмен

Файл:Laptop Heat Pipe.JPG
Система охлаждения из меди на тепловых трубках в ноутбуке

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, компьютерных кулерах, тепловых трубках.

Для производства труб

В связи с высокой механической прочностью и 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[13], 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

Файл:Brass.jpg
Латунная игральная кость, рядом цинк и слиток меди
Файл:Statue of Sir Matthew Baillie Begbie.jpg
Статуэтка, отлитая из бронзы

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 пушечной бронзы, использовавшейся для изготовления артиллерийских орудий вплоть до XIX века, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллерийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой пластичности. 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 изменяют механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость определяются только 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 (медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) 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. Медноникелевый сплав (мельхиор) используются для чеканки разменной монеты[14].

Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости. Медь является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 °C , 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

Файл:DLZ129 spar.jpg
Повреждённая пожаром дюралевая деталь дирижабля Гинденбург (LZ 129)

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 механическим воздействиям.

Соединения меди

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия-бария-меди (купрата) 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 того, что медь является катализатором полимеризации ацетилена (образует соединения меди с ацетиленом), 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 авто-затухания 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[15].

Медь может быть использована для снижения переноса инфекции в лечебных учреждениях через поверхности, к которым прикасается рука человека. Из меди могут быть изготовлены ручки дверей, водозапорной арматуры, перила, поручни кроватей, столешницы.[16]

Пары меди используются в качестве рабочего тела в лазерах на парах меди, на длинах волн генерации 510 и 578 нм[17].

Также медь применяется в пиротехнике для окрашивания в синий цвет.Шаблон:Нет АИ

Стоимость

В январе 2008 года, впервые за всю историю, на Лондонской бирже металлов цены на медь превысили 8000 долларов США за тонну. В начале июля цены возросли до 8940 долларов за тонну, что стало абсолютным рекордом начиная с 1979 года — момента начала ведения торгов на ЛБМ. Цена достигла пика в почти 10,2 тыс. долларов в феврале 2011 года[18].

На 2011 год стоимость меди составляла около 8900 долларов за тонну[19]. Вследствие кризиса мировой экономики цена на большинство видов сырья упала, и стоимость 1 тонны меди на 1 сентября 2016 не превышала 4700 долларов[20].

Биологическая роль

Файл:ARS copper rich foods.jpg
Продукты, богатые медью.
Файл:Copper metabolism.png
Метаболизм меди у человека. Поступление в энтероцит с помощью транспортёра CMT1, перенос с помощью ATOX1 в сеть транс-Гольджи, при росте концентрации — высвобождение с помощью АТФ-азы ATP7A в воротную вену. Поступление в гепатоцит, где ATP7B нагружает ионами меди белок церулоплазмин, а избыток выводит в желчь.

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 молекулярный кислород белке гемоцианине. В крови всех головоногих и большинства брюхоногих моллюсков и членистоногих медь входит в состав гемоцианина в виде имидазольного комплекса иона меди, роль, аналогичная роли порфиринового комплекса железа в молекуле белка гемоглобина в крови позвоночных животных.

Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента. Здоровому взрослому человеку необходимо поступление меди в количестве 0,9 мг в день.

При недостатке меди в хондро- и остеобластах снижается активность ферментных систем и замедляется белковый обмен, в результате замедляется и нарушается рост костных тканей[21].

Токсичность

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 1 мг/л (СанПиН 2.1.4.1074-01), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сформулировала в 1998 году это правило так: «Риски для здоровья человека от недостатка меди в организме многократно выше, чем риски от её избытка».

В 2003 году в результате интенсивных исследований ВОЗ пересмотрела прежние оценки токсичности меди. Было признано, что медь не является причиной расстройств пищеварительного тракта[22].

Существовали опасения, что Гепатоцеребральная дистрофия (болезнь Вильсона — Коновалова) сопровождается накоплением меди в организме, так как она не выделяется печенью в желчь. Эта болезнь вызывает повреждение мозга и печени. Однако причинно-следственная связь между возникновением заболевания и приёмом меди внутрь подтверждения не нашла[22]. Установлена лишь повышенная чувствительность лиц, в отношении которых диагностировано это заболевание к повышенному содержанию меди в пище и воде.

Бактерицидность

Бактерицидные свойства меди и её сплавов были известны человеку давно. В 2008 году после длительных исследований Федеральное Агентство по Охране Окружающей Среды США (US EPA) официально присвоило меди и нескольким сплавам меди статус веществ с бактерицидной поверхностью[23] (агентство подчёркивает, что использование меди в качестве бактерицидного вещества может дополнять, но не должно заменять стандартную практику инфекционного контроля). Особенно выраженно бактерицидное действие поверхностей из меди (и её сплавов) проявляется в отношении метициллин-устойчивого штамма стафилококка золотистого, известного как «супермикроб» MRSA[24]. Летом 2009 была установлена роль меди и сплавов меди в инактивировании вируса гриппа A/H1N1 (т. н. «свиной грипп»)[25].

Органолептические свойства

Излишняя концентрация ионов меди придаёт воде отчётливый «металлический вкус». У разных людей порог органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2—10 мг/л. Естественная способность к такому определению повышенного содержания меди в воде является природным механизмом защиты от приёма внутрь воды с излишним содержанием меди.

Производство, добыча и запасы меди

Шаблон:Также Мировая добыча меди в 2000 году составляла около 15 млн т, a в 2004 году — около 14 млн т[26][27]. Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т — подтверждённые запасы[26], на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов[26]. Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет.

Производство рафинированной меди в России в 2006 году составило 881,2 тыс. т, потребление — 591,4 тыс. т[28]. Основными производителями меди в России являлись:

Компания тыс. тонн %
Норильский никель 425 45 %
Уралэлектромедь 351 37 %
Русская медная компания 166 18 %

К указанным производителям меди в России в 2009 году присоединился Холдинг «Металлоинвест», выкупивший права на разработку нового месторождения меди «Удоканское»[29]. Мировое производство меди в 2007 году составляло[30] 15,4 млн т, а в 2008 году — 15,7 млн т. Лидерами производства были:

  1. Шаблон:Флагификация/Чили (5,560 млн т в 2007 г. и 5,600 млн т в 2008 г.),
  2. Шаблон:Флагификация/США (1,170/1,310),
  3. Шаблон:Флагификация/Перу (1,190/1,220),
  4. Шаблон:Флагификация/Китай (0,946/1,000),
  5. Шаблон:Флагификация/Австралия (0,870/0,850),
  6. Шаблон:Флагификация/Россия (0,740/0,750),
  7. Шаблон:Флагификация/Индонезия (0,797/0,650),
  8. Шаблон:Флагификация/Канада (0,589/0,590),
  9. Шаблон:Флагификация/Замбия (0,520/0,560),
  10. Шаблон:Флагификация/Казахстан (0,407/0,460),
  11. Шаблон:Флагификация/Польша (0,452/0,430),
  12. Шаблон:Флагификация/Мексика (0,347/0,270).

По объёму мирового производства и потребления медь занимает третье место после железа и алюминия.

Выплавка меди в 2019 ожидается 25,5 млн т [31]

Разведанные мировые запасы меди на конец 2008 года составляют 1 млрд т, из них подтверждённые — 550 млн т. Причём, оценочно, считается, что глобальные мировые запасы на суше составляют 3 млрд т, а глубоководные ресурсы оцениваются в 700 млн т.

Современные способы добычи

Сейчас известно более 170 минералов, содержащих медь, но из них только 14—15 имеют промышленное значение. Это — халькопирит (он же медный колчедан), малахит, встречается и самородная медь. В медных рудах часто в качестве примесей встречаются молибден, никель, свинец, кобальт, реже — золото, серебро. Обычно медные руды обогащаются на фабриках, прежде чем поступают на медеплавильные комбинаты. Богаты медью Казахстан, США, Чили, Канада, африканские страны — Заир, Замбия, Южно-Африканская Республика. Эскондида — самый большой в мире карьер, в котором добывают медную руду (расположен в Чили). В зависимости от глубины залегания, руда добывается открытым или закрытым методом.[32]

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её растворения в слабом растворе серной кислоты и последующего выделения металлической (черновой) меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки — 1450 °C.

С целью окисления сульфидов и железа полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит раствор серной кислоты с медным купоросом. В ходе электролиза происходит повышение концентрации серной кислоты. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлама, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. При получении 1000 тонн электролитической меди можно получить до 3 кг серебра и 200 г золота. Катоды выгружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах[33].

Влияние на экологию

При открытом способе добычи после её прекращения карьер становится источником токсичных веществ. Самое токсичное озеро в мире — Беркли Пит — образовалось в карьере медного рудника.

Интересные факты

Шаблон:Trivia

  • Индейцы культуры Чонос (Эквадор) ещё в XVXVI веках выплавляли медь с содержанием 99,5 % и употребляли её в качестве монеты в виде топориков 2 см по сторонам и 0,5 мм толщиной. Данная монета ходила по всему западному побережью Южной Америки, в том числе и в государстве Инков[34].
  • В Японии медным трубопроводам для газа в зданиях присвоен статус «сейсмостойких».
  • Инструменты, изготовленные из меди и её сплавов, не создают искр, а потому применяются там, где существуют особые требования безопасности (огнеопасные, взрывоопасные производства).
  • В организме взрослого человека содержится до 80 мг меди.
  • Польские учёные установили, что в тех водоёмах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными размерами. В прудах или озёрах, где меди нет, быстро развивается грибок, который поражает карпов[35].

Шаблон:Навигация Шаблон:-

См. также

Шаблон:Кол

Шаблон:Конец кол

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Навигационная обёртка

Шаблон:Навигационная обёртка/конец

Шаблон:Ряд Активности Металлов

Шаблон:Металлы и сплавы, используемые для изготовления монет

  1. Шаблон:Книга
  2. Шаблон:Книга
  3. 3,0 3,1 Шаблон:Фасмер
  4. 4,0 4,1 4,2 Шаблон:Публикация
  5. Официальные символы, на сайте Администрации Полевского городского округа
  6. 6,0 6,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок ХЭ не указан текст
  7. Шаблон:Из БСЭ
  8. Шаблон:Cite web
  9. при 20 °С: 394,279 Вт/(м·К), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С)
  10. 10,0 10,1 Электротехнический справочник. Т. 1. / Составитель И. И. Алиев. — М. : ИП РадиоСофт, 2006. — C. 246. — ISBN 5-93037-157-1
  11. Шаблон:Книга
  12. Применение меди Шаблон:Недоступная ссылка
  13. ГОСТ Р 52318-2005 Трубы медные круглого сечения для воды и газа. Технические условия
  14. Шаблон:Книга
  15. СП 31-116-2006 Проектирование и устройство кровель из листовой меди
  16. Шаблон:Cite web
  17. Шаблон:Cite web
  18. Цены на сырьё упали до самого низкого уровня со времен кризиса 2008 г. / Новости / Finance.UA
  19. Цена меди
  20. Графики цены меди за различные периоды
  21. Шаблон:Статья
  22. 22,0 22,1 Шаблон:Cite web
  23. US EPA
  24. В США наблюдается вспышка инфекции MRSA за пределами госпиталей
  25. Шаблон:Cite web
  26. 26,0 26,1 26,2 Производство меди
  27. В 2005 г. мировая добыча меди увеличится на 8 % до 15,7 млн т. — Новости металлургии
  28. Шаблон:Cite web
  29. Металлонвест оплатил лицензию за Удокан
  30. MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009
  31. Мировой рынок столкнется с дефицитом меди в 2019 году - Ведомости
  32. Шаблон:Cite web
  33. Получение меди
  34. Espinoza Soriano, Waldemar. Etnohistoria ecuatoriana: estudios y documentos. — Quito: Abya-Yala, 1988. — p. 135.
  35. Интересные факты о меди и медных трубах