Как обозначается медь в химии
Марки меди – характеристики, маркировка и ее расшифровка
Марки меди широко представлены в различных отраслях промышленности: этот цветной металл благодаря своим уникальным характеристикам является одним из наиболее распространенных. Все марки этого металла отличают высокая пластичность и коррозионная устойчивость при эксплуатации в различных средах, за исключением аммиака и сернистых газов.
Современная промышленность выпускает медные заготовки в виде листового материала, труб, проволоки, прутков и шин. Различают бескислородную (М0) и раскисленную (М1) медь, изделия из которых нашли широкое применение в электротехнической, электронной и электровакуумной промышленности. В бескислородных марках О2 содержится в пределах 0,001%, в раскисленных — 0,01%.
Марок, которые классифицируются по чистоте содержания основного металла, сегодня достаточно много: М00, М0, М1, М2 и М3. Распространены также марки М1р, М2р и М3р, которые характеризуются содержанием кислорода в пределах 0,01% и фосфора 0,04%. Для примера, в марках М1, М2 и М3 кислород содержится в пределах 0,05–0,08%.
Марка медиМ00М0М0бМ1М1рМ2М2рМ3М3рМ4меди, % | 99,99 | 99,95 | 99,97 | 99,90 | 99,90 | 99,70 | 99,70 | 99,50 | 99,50 | 99,00 |
Примеси в медных сплавах
Примеси, содержащиеся в меди (и, естественно, взаимодействующие с ней), подразделяют на три группы.
Образующие с медью твердые растворы
К таким примесям относятся алюминий, сурьма, никель, железо, олово, цинк и др. Данные добавки существенно снижают электро- и теплопроводность. К маркам, которые преимущественно используются для производства токопроводящих элементов, относятся М0 и М1. Если в составе медного сплава содержится сурьма, то значительно затрудняется его горячая обработка давлением.
Не растворяющиеся в меди примеси
Сюда относятся свинец, висмут и др. Не влияющие на электропроводность основного металла, такие примеси затрудняют возможность его обработки давлением.
Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения К этой группе относятся сера и кислород, который снижает электропроводность и прочность основного металла. серы в медном сплаве значительно облегчает его обрабатываемость при помощи резания.
Марки меди и их применение
Стандарты для медных сплавов
Государственными стандартами оговариваются правила маркировки меди и ее сплавов, обозначение которых соответствует определенной структуре.
О том, что перед нами одна из марок меди, свидетельствует буква «М» в ее обозначении.
После начальной буквы в маркировке меди и ее сплавов следуют цифры (от 0 до 3), условно обозначающие массовую долю основного металла в их составе (например, медь М3).
После цифр следуют прописные буквы, по которым можно определить, каким способом получили данную марку меди. Из технологических способов получения меди различают следующие:
- катодные (к);
- метод раскисления, предполагающий невысокое содержание остаточного фосфора (р);
- метод раскисления, предполагающий высокое содержание остаточного фосфора (ф);
- без использования раскислителей – бескислородные (б).
Примеры маркировок таких марок и сплавов меди могут выглядеть следующим образом: М2р, М1б.
Химический состав меди ГОСТ 859-2014
Целый ряд марок меди, отличающихся уникальными характеристиками, активно используют в различных отраслях промышленности.
- М0 – эта марка применяется для производства токопроводящих элементов и для добавления в сплавы, отличающиеся высокой чистотой.
- М1 — из этой марки также производят токопроводящие элементы, прокат различного профиля, бронзы, детали для криогенной техники, электроды для сварки меди и чугуна, проволоку и прутки (применяемые для выполнения сварочных работ под слоем флюса и в среде инертных газов), расходные материалы для выполнения газовой сварки деталей из меди, не испытывающих значительных нагрузок при эксплуатации.
- М2 – данная марка позволяет получать изделия, хорошо обрабатываемые давлением. Медь М2 также используют для деталей криогенной техники.
- МЗ — детали из данной марки металла производят прокатным методом.
Пространственное распределение запасов меди в России
ГОСТ 859-2001, в котором оговаривались требования и характеристики медных сплавов, в 2014 году был заменен новым государственным стандартом (859-2014), что зафиксировано соответствующим Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Новый стандарт по основным своим пунктам практически идентичен ГОСТу 859-2001.
ГОСТ 859-2001 о марках меди
Данный документ государственного стандарта относится к литым и деформированным полуфабрикатам из меди, а также к меди, изготовленной в виде катодов.
Медь
Самородная медь размером около 4 см
Медь — минерал из класса самородных элементов. В природном минерале обнаруживаются Fe, Ag, Au, As и другие элементы в виде примеси или образующие с Cu твёрдые растворы.
Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления.
Он входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён. Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных.
СТРУКТУРА
Кристаллическая структура меди
Кубическая сингония, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, кристаллическая структура — кубическая гранецентрированная решётка. Модель представляет собой куб из восьми атомов в углах и шести атомов , расположенных в центре граней (6 граней). Каждый атом данной кристаллической решетки имеет координационное число 12.
Самородная медь встречается в виде пластинок, губчатых и сплошных масс, нитевидных и проволочных агрегатов, а также кристаллов, сложных двойников, скелетных кристаллов и дендритов.
Поверхность часто покрыта плёнками «медной зелени» (малахит), «медной сини» (азурит), фосфатов меди и других продуктов её вторичного изменения.
СВОЙСТВА
Кристаллы самородной меди, Верхнее озеро, округ Кинави, Мичиган, США. Размер 12 х 8,5 см
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 обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м. 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.
Запасы и добыча
Образец меди, 13,6 см. Полуостров Кинави, Мичиган, США
Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7-5,5)·10−3% (по массе). В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7% и 10−7% (по массе) соответственно. Большая часть медной руды добывается открытым способом. меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.
Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т — подтверждённые запасы, на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов. Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет.
Медь получают из медных руд и минералов.
Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз. Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2.
Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Небольшой самородок меди
Обычно самородная медь образуется в зоне окисления некоторых медносульфидных месторождений в ассоциации с кальцитом, самородным серебром, купритом, малахитом, азуритом, брошантитом и другими минералами. Массы отдельных скоплений самородной меди достигают 400 тонн.
Крупные промышленные месторождения самородной меди вместе с другими медьсодержащими минералами формируются при воздействии на вулканические породы (диабазы, мелафиры) гидротермальных растворов, вулканических паров и газов, обогащенных летучими соединениями меди (например, месторождение озера Верхнее, США).
Самородная медь встречается также в осадочных породах, преимущественно в медистых песчаниках и сланцах.
Наиболее известные месторождения самородной меди — Туринские рудники (Урал), Джезказганское (Казахстан), в США (на полуострове Кивино, в штатах Аризона и Юта).Названия и состав сплавов меди
Сплавы меди — это соединение цветного металла с некоторыми элементами таблицы Менделеева. В процессе их формирования атомы кристаллической решетки меди замещаются атомами другого вещества. В результате образовывается новое твердое соединение. Каждое из них обладает своими физическими и химическими показателями.
Чаще всего, на основе меди получают бронзу и латунь, путем добавления цинка и олова. Новые соединения снижают цену основного металла, улучшая некоторые параметры. Идет повышение пластичности и коррозионной стойкости. Это дает возможность использовать их в некоторых отраслях промышленности.
Сплав меди
Исторический ракурс
Согласно историческим данным, первый медный сплав появился к 7 тыс. до н.э. Позже в качестве добавки стало использоваться олово. В это время, именуемое бронзовым веком, из такого материала изготавливалось оружие, зеркала, посуда и украшения.
Технология производства менялась. Появились добавки в виде мышьяка, свинца, цинка и железа. Все зависело от требований, предъявляемых к предмету. Материал для украшений нуждался в особом подходе. Состав сплава состоял из меди, олова и свинца.
Начиная с 8 в. до н. э. в Малой Азии была разработана технология получения латуни. В это время еще не научились добывать чистый цинк. Поэтому в качестве сырья использовалась его руда. С течением времени производство медных сплавов постоянно расширялось и до сих пор находится на первых местах.
Сплавы химического элемента меди
Медь, в соединении с другими металлами, образует сплавы с новыми свойствами. В качестве основных добавок используются олово, никель или свинец. Каждый вид соединения обладает особыми характеристиками. Отдельно медь используется редко, поскольку у нее невысокая твердость.
Немного о бронзе
Бронза — название сплава меди и олова. Также в состав соединения входит кремний, свинец, алюминий, марганец, бериллий. У полученного материала показатели прочности выше, чем у меди. Он обладает антикоррозионными свойствами.
С целью улучшения характеристик в сплав добавляются легирующие элементы: титан, цинк, никель, железо, фосфор.
Существует несколько разновидностей бронзы:
- Деформируемые. Количество олова не превышает 6%. Благодаря этому, металл обладает хорошей пластичностью и поддается обработке давлением.
- Литейные. Высокая прочность позволяет использовать материал для работы в сложных условиях.
Сплав никель и медь
В этом соединении используется медь и никель. Если к этой паре добавляются другие элементы, соединения носят такие названия:
- Куниали. К 6–13% никеля еще добавляется 1,5–3% алюминия. Остальное медь.
- Нейзильбер. Содержит 20% цинка и 15% хрома.
- Мельхиор. Присутствует 1% марганца.
- Копелем. Сплав с содержанием 0,5% марганца.
Латунь
Это сплав меди с цинком. Колебание количественного содержания цинка влечет за собой изменение характеристик и цвета сплава.
Кроме этих 2 основных элементов в сплаве содержатся легирующие добавки. Их показатель составляет небольшой процент.
Латунь обладает высокими прочностными характеристиками, пластичностью и способностью противостоять коррозии. Также характеризуется немагнитными свойствами.
Латунь
Физические и химические свойства сплавов
Химический состав и механические свойства медных сплавов обеспечивают им не только прочность, но и хорошую электро- и теплопроводность. Особенно это относится к латуни.
Все медные сплавы характеризуются хорошими антифрикционными свойствами. Отдельно стоит отметить бронзу.
Благодаря хорошим антифрикционным свойствам бронзы, материал идет на изготовление втулок в качестве подшипников скольжения. Такое изделие не требует смазки, поскольку с внутреннего диаметра, по которому идет скольжение, сминаются все шероховатости. Именно это и является источником смазки.
Установка таких подшипников ведется даже на высокоточном оборудовании — координатно-расточных и координатно-шлифовальных станках.
Температура плавления меди без добавок составляет 1083 градуса. В зависимости от количества добавления цинка и олова, этот показатель меняется.
Величина температуры плавления латуни составляет 900–1050 градусов, а бронзы — 930–1140 градусов.
Коррозионные свойства медных сплавов отличаются стойкостью. Связано это с тем, что медь не активный элемент. Особенно не корродируют полированные поверхности.
Коррозионная стойкость медных соединений проявляется в пресной воде и ухудшается в присутствии кислоты, которая препятствует образованию защитной оболочки.
Применение сплавов
Благодаря своим свойствам медь и ее сплавы нашли применение не только в промышленности, но и ювелирном деле.
Соединения меди также используются для изготовления следующих изделий:
- проволоки, благодаря хорошей электропроводности;
- труб, материал которых не вступает в реакцию с водой;
- посуды, в которой не развиваются бактерии;
- кровли для крыши, служащей длительное время;
- в качестве фурнитуры для мебели.
Работа с медным сплавом
Способы получения металла
Основные сплавы на основе меди — латунь и бронза. Их процесс производства следующий:
- Латунь. Предварительно идет плавка меди. Затем цинк разогревается до 100 градусов и добавка его ведется на конечной стадии получения латуни. В качестве источника тепла используется древесный уголь.
- Бронза. Для ее производства применяются индукционные установки. Сначала плавится медь, а потом добавляется олово.
В обоих случаях формируются слитки, поступающие в прокатный цех, где происходит их обработка давлением в горячем и холодном виде.
Плавление меди в домашних условиях
Чтобы получить сплав меди в домашних условиях, нужно изготовить самодельное оборудование для плавления. Процесс проводится следующим образом:
- Изготавливается из силикатного кирпича опора.
- Сверху укладывается сетка из металла с мелкими ячейками.
- Насыпается уголь и разогревается газовой горелкой. Чтобы огонь разгорелся лучше, направляется струя воздуха из пылесоса.
- На огонь ставится тигель с мелкими кусочками металла.
- По окончании процесса жидкий металл сливается в форму.
Физические свойства медных сплавов сделали их незаменимыми во многих сферах хозяйственной деятельности. Без них не обойдется самолетостроение и судостроение. Нельзя представить без такого металла и часовые механизмы. Любая конструкция, в которой имеются работающие в паре детали, нуждается в антифрикционном материале.
Подписывайтесь на канал, ставьте лайки, делайте репосты, а мы будем размещать для Вас полезную информацию о металлах! Так же Вы можете посетить наш сайт, там Вы найдете множество информации о металлах, сплава и их обработке.
История и происхождение названия
Медь — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом — бронзы для изготовления оружия и т. п. (см бронзовый век).Латинское название меди Cuprum (древн.
Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.
У Страбона медь именуется халкосом, 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 Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник.
Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков производят русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) от древненемецкого smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). Конечно, родство корней в данном случае несомненно, однако, оба эти слова произведены от греч. рудник, копь независимо друг от друга.От этого слова произошли и родственные названия — медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь венера (Venus). В более древние времена встречается название марс (Mars).
Физические свойства
Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.
Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра).
Имеет два стабильных изотопа — 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов.
Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.
Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем, баббиты — со свинцом и другие.
Химические свойства
Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не реагирует с водой, разбавленной соляной кислотой.
Переводится в раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия.
Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Реагирует при нагревании с галогеноводородами.
Современные способы добычи
90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической 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 водный раствор.
При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.
Другие заметки по химии
Медь — свойства, характеристики свойства
Медь – это пластичный золотисто-розовый металл с характерным металлическим блеском. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Сu (Cuprum) и находится под порядковым номером 29 в I группе (побочной подгруппе), в 4 периоде.
Латинское название Cuprum произошло от имени острова Кипр. Известны факты, что на Кипре ещё в III веке до нашей эры находились медные рудники и местные умельцы выплавляли медь. Купить медь можно в комании «КУПРУМ».
По данным историков, знакомству общества с медью около девяти тысячелетий. Самые древние медные изделия найдены во время археологических раскопок на местности современной Турции.
Археологи обнаружили маленькие медные бусинки и пластинки для украшения одежды. Находки датируются рубежом VIII-VII тыс. до нашей эры.
Из меди в древности изготавливали украшения, дорогую посуду и различные инструменты с тонким лезвием.
Великим достижением древних металлургов можно назвать получение сплава с медной основой – бронзы.
1. Физические свойства
На воздухе медь приобретает яркий желтовато-красный оттенок за счёт образования оксидной плёнки. Тонкие же пластинки при просвечивании зеленовато-голубого цвета. В чистом виде медь достаточно мягкая, тягучая и легко прокатывается и вытягивается. Примеси способны повысить её твёрдость.
Высокую электропроводность меди можно назвать главным свойством, определяющим её преимущественное использование. Также медь обладает очень высокой теплопроводностью. Такие примеси как железо, фосфор, олово, сурьма и мышьяк влияют на базовые свойства и уменьшают электропроводность и теплопроводность. По данным показателям медь уступает лишь серебру.
Медь обладает высокими значениями плотности, температуры плавления и температуры кипения. Важным свойством также является хорошая стойкость по отношению к коррозии. К примеру, при высокой влажности железо окисляется значительно быстрее.
Медь хорошо поддаётся обработке: прокатывается в медный лист и медный пруток, протягивается в медную проволоку с толщиной, доведённой до тысячных долей миллиметра. Этот металл является диамагнетиком, то есть намагничивается против направления внешнего магнитного поля.
2. Химические свойства
Медь является сравнительно малоактивным металлом. В нормальных условиях на сухом воздухе её окисления не происходит. Она легко реагирует с галогенами, селеном и серой. Кислоты без окислительных свойств не оказывают воздействия на медь.
С водородом, углеродом и азотом химических реакций нет. На влажном воздухе происходит окисление с образованием карбоната меди (II) – верхнего слоя платины.
Медь обладает амфотерностью, то есть в земной коре образует катионы и анионы.
В зависимости от условий, соединения меди проявляют кислотные или основные свойства.
Способы получения меди
В природе медь существует в соединениях и в виде самородков. Соединения представлены оксидами, гидрокарбонатами, сернистыми и углекислыми комплексами, а также сульфидными рудами. Самые распространённые руды — это медный колчедан и медный блеск. меди в них составляет 1-2%. 90% первичной меди добывают пирометаллургическим способом и 10% гидрометаллургическим.
1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование.
Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига.
Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность.
Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.
Окислительному обжигу подлежат медные руды и концентраты со значительным содержанием серы. При нагреве в присутствии кислорода происходит окисление сульфидов, и количество серы снижается почти в два раза. Обжигу подвергаются бедные концентраты, в которых содержится 8-25% меди. Богатые концентраты, содержащие 25-35% меди, плавят, не прибегая к обжигу.Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая медная руда с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.
В горизонтальных конвертерах с боковым дутьём медный штейн продувается сжатым воздухом для того, чтобы произошли процессы окисления сульфидов и феррума. Далее образовавшиеся окислы переводят в шлак, а серу в оксид. В конвертере образуется черновая медь, которая содержит 98,4-99,4% меди, железо, серу, а также незначительное количество никеля, олова, серебра и золота.
Черновая медь подлежит огневому, а далее электролитическому рафинированию. Примеси удаляют с газами и переводят в шлак. В результате огневого рафинирования образуется медь с чистотой до 99,5%. А после электролитического рафинирования чистота составляет 99,95%.
2. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании меди слабым раствором серной кислоты, а затем выделении металлической меди непосредственно из раствора. Такой способ применяется для переработки бедных руд и не допускает попутного извлечения драгоценных металлов вместе с медью.
Применение меди
Благодаря ценным качествам медь и медные сплавы используются в электротехнической и электромашиностроительной отрасли, в радиоэлектронике и приборостроении.
Существуют сплавы меди с такими металлами, как цинк, олово, алюминий, никель, титан, серебро, золото. Реже применяются сплавы с неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
Выделяют две группы медных сплавов: латуни (сплавы с цинком) и бронзы (сплавы с другими элементами).
Медь обладает высокой экологичностью, что допускает её использование в строительстве жилых домов. К примеру, медная кровля за счёт антикоррозионных свойств, может прослужить больше ста лет без специального ухода и покраски.
Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле. Такой сплав увеличивает прочность изделия, повышает стойкость к деформированию и истиранию.
Для соединений меди характерна высокая биологическая активность. В растениях медь принимает участие в синтезе хлорофилла. Поэтому её можно увидеть в составе минеральных удобрений. Недостаток меди в организме человека может вызвать ухудшение состава крови. Она есть в составе многих продуктов питания.
К примеру, этот металл содержится в молоке. Однако важно помнить, что избыток соединений меди может вызвать отравление. Именно поэтому нельзя готовить пищу в медной посуде. Во время кипячения в пищу может попасть большое количество меди.
Если же посуда внутри покрыта слоем олова, то опасности отравления нет.
В медицине медь используют, как антисептическое и вяжущее средство. Она является компонентом глазных капель от конъюнктивита и растворов от ожогов.МЕДЬ
Авторы: Г. В. Зимина
МЕДЬ (лат. Cuprum), $ce{Cu}$, химич. элемент I группы короткой формы (11-й группы длинной формы) периодич. системы; ат. н. 29, ат. м. 63,546; относится к переходным металлам. В природе два стабильных изотопа: $ce{63Cu}$ (69,17%) и $ce{65Cu}$ (30,83%); искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 52–80.
С древности до начала широкого использования железа М. и её сплавы играли важную роль в развитии материальной культуры человечества (см. Медный век, Бронзовый век). Раннему знакомству человека с М.
способствовало то, что этот металл встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, иногда значит. размеров (см. Медь самородная), которые имеют большее распространение в природе по сравнению с самородками др. металлов (в т. ч. золота).
Кроме того, благодаря способности легко восстанавливаться из оксидов и карбонатов, М. была, вероятно, первым металлом, который человек научился восстанавливать из кислородных соединений, содержащихся в рудах.
По-видимому, в разных районах мира исторически имели место два пути освоения М.: в одних случаях человек впервые знакомился с самородной М., в других – получал М. плавкой окисленных руд. Оценки периода начала использования М.
сильно различаются: по последним данным – на Ближнем Востоке, на территории Анатолии в нач. 7-го тыс. до н. э. использовалась металлургич. М. Лат. название М. произошло от названия о. Кипр, где уже в 3 в. до н. э. существовали медные рудники, с которых римляне вывозили руду.
Распространённость в природе
Среднее содержание М. в земной коре 4,7·10–3% по массе. Подавляющая часть М. (ок. 80%) присутствует в земной коре в виде соединений с серой; ок. 15% М. находится в виде кислородсодержащих соединений (карбонатов, оксидов, силикатов и т. п.
), являющихся продуктами выветривания первичных сульфидных медных руд. М. образует более 250 минералов (см. Медные руды); важнейшими пром.
минералами являются халькопирит (медный колчедан) $ce{CuFeS2}$, ковеллин $ce{CuS}$, халькозин (медный блеск) $ce{Cu2S}$, борнит $ce{Cu5FeS4}$, куприт $ce{Cu2O}$, малахит $ce{CuCO3·Cu(OH)2}$, азурит $ce{CuCO3·2Cu(OH)2}$. Содержание М.
в морской воде 3·10–7%, в речной – 1·10–7%. Ионы М., переносимые морскими и океанич. водами, сорбируются донными отложениями, содержание М. в которых достигает 5,7·10–3% по массе.
М. широко распространена в растительном и животном мире. Среднее содержание М. в живых организмах 2·10–4% по массе. В таёжных и др. ландшафтах влажного климата ионы М. сравнительно легко выщелачиваются из кислых почв и наблюдается дефицит М.
, а также связанные с ним болезни растений и животных. В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными почвами) ионы М. малоподвижны; на участках месторождений М.
наблюдается её избыток в почвах и растениях, приводящий к болезням домашних животных.
Свойства
Конфигурация внешней электронной оболочки атома М.
$3d{10}4s1$; в соединениях проявляет степени окисления +1 и +2 (наиболее типична), редко +3; электроотрицательность по Полингу 1,9; энергии ионизации $ce{Cu0→Cu+→Cu2+→Cu3+}$ соответственно равны 745,5, 1957,9 и 3555,0 кДж/моль; атомный радиус 135 пм (эмпирический). Ионные радиусы в пм (в скобках указаны координац. числа): $ce{Cu+}$ 74 (4); 91 (6); $ce{Cu2+}$ 71 (4); 87 (6); $ce{Cu3+}$ 68 (6).
В компактном виде М. – ковкий и пластичный металл розовато-красного цвета с характерным металлич. блеском, при просвечивании в тонких слоях – зеленовато-голубого цвета. Кристаллич. решётка гранецентрированная кубическая; $t_{пл}$ 1084,62 °C; $t_{кип}$ 2567 °C, плотность 8920 кг/м3 (20 °С).
Наиболее важные используемые свойства М.: высокая теплопроводность – 400 Вт/(м·К), малое удельное электрич. сопротивление – 1,7·10–8 Ом·м (при 20 °С). Температурный коэф. линейного расширения 16,5·10–6 К–1. М. диамагнитна, удельная магнитная восприимчивость –0,086·10–9 м3/кг.
Твёрдость по Бринеллю 450–1100 МПа, предел прочности при растяжении ок. 200 МПа, относительное удлинение 60%, модуль упругости 110–130 ГПа. Небольшие примеси $ce{Bi :и: Pb}$ вызывают красноломкость М.; $ce{S}$ и кислорода – хладноломкость; примеси $ce{P, As, Al, Fe}$ уменьшают электрич. проводимость М.
; растворённый в М. водород существенно ухудшает её механич. свойства.
М. химически малоактивна. Компактный металл при темп-рах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует; в присутствии паров воды, $ce{CO2: и: SO2}$ на поверхности М. образуется зеленоватый налёт (патина) основных солей – карбонатов $ce{CuCO3·Cu(OH)2}$ и сульфатов $ce{CuSO4·3Cu(OH)2}$. При нагревании М.на воздухе идёт поверхностное окисление: при темп-ре ниже 375 °С образуется $ce{CuO}$, в интервале 375–1100 °С – двухслойная окалина (в поверхностном слое находится $ce{CuO}$, во внутреннем – $ce{Cu2O}$; см. Меди оксиды). В присутствии влаги хлор взаимодействует с М.
уже при комнатной темп-ре, образуя дихлорид $ce{CuCl2}$, хорошо растворимый в воде. М. взаимодействует с др. галогенами (образуя галогениды $ce{CuHal2: и: CuHal,: где: Hal – F, Cl, Br, I}$), с серой и с селеном, горит в парах серы. С водородом, азотом и углеродом М. не реагирует даже при высоких темп-рах.
Растворимость водорода в твёрдой М. незначительна (0,06 мг в 100 г М. при 400 °С). При пропускании $ce{NH3}$ над раскалённой М. образуется $ce{CuN3}$. При высокой темп-ре М. подвергается воздействию оксидов азота: $ce{NO, N2O}$ (с образованием $ce{Cu2O}$) и $ce{NO2}$ (с образованием $ce{CuO}$).
Карбиды $ce{Cu2C3 :и:CuC2}$ получают действием ацетилена на аммиачные растворы солей М. С большинством металлов М. образует твёрдые растворы или интерметаллиды (см. Медные сплавы). М.
вытесняется из солей более электроотрицательными элементами (в пром-сти используют железо) и не растворяется в неокисляющих кислотах. В азотной кислоте М. растворяется, образуя $ce{Cu(NO3)2}$ и оксиды азота, в горячей концентрир. $ce{H2SO4}$ – c образованием $ce{CuSO4: и :SO2}$.
Соли $ce{Cu(I)}$ бесцветны, практически нерастворимы в воде, легко окисляются, склонны к диспропорционированию $ce{2Cu+→ Cu2+ + Cu0}$. Соли $ce{Cu(II)}$ хорошо растворяются в воде, в разбавленных кислотах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы $ce{Cu2+}$ окрашены в голубой цвет.
Соли $ce{Cu(I): и: Cu(II)}$ с рядом молекул и ионов образуют многочисл. устойчивые комплексные соединения, напр. $ce{(NH4)[CuBr3],K3[Cu(CN)4], K2[CuCl4]}$. Путём образования комплексных соединений можно перевести в раствор мн. нерастворимые соли $ce{Cu}$. М. входит в состав разл. медьорганических соединений.
Биологическая роль
М. – необходимый для поддержания жизни растений и животных микроэлемент. В биохимич. процессах М. участвует в качестве активатора или в составе медьсодержащих белков (напр., церулоплазмин) и ферментов (напр., цитохромоксидаза). Количество М. в растениях – ок.
10–4–5·10–2% (на сухое вещество), зависит от вида растения и содержания М. в почве. Очень богаты М. некоторые беспозвоночные (напр., моллюски – 0,15–0,26% М.
; у большинства из них кислород переносится не гемоглобином, а более эффективными в средах с пониженным содержанием кислорода медьсодержащими белками – гемоцианинами). В организме взрослого человека содержится ок. 100 мг М. (наибольшая концентрация в печени – ок.
5 мг на 100 г сухой массы). Суточная потребность составляет 3–5 мг. Ионы М. участвуют во многих физиологич. процессах – стимулируют кроветворную функцию костного мозга, влияют на обмен углеводов, минеральных веществ. При дефиците М.в организме развивается анемия, нарушается образование костей и соединительной ткани; избыточное накопление М. вызывает нарушения функций печени, дыхательных путей, почечную недостаточность и др.
Все соли М. токсичны; раздражают слизистые оболочки, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевания печени. При вдыхании пыли М. развивается хроническое отравление.
Получение
Большую часть металлич. М. получают из сульфидных руд, которые, как правило, содержат 0,5–1,2% М. Размолотую руду подвергают флотационному обогащению; полученный концентрат содержит до 15% М. Осн. методом извлечения М.
из концентратов является пирометаллургический, в котором после обогащения концентрат подвергают окислит. обжигу при 1400 °С: $ce{2CuFeS2 + O2= Cu2S + 2FeS + SO2; 2FeS + 3O2=2FeO + 2SO2}$.
При обжиге удаляют избыточное количество $ce{S}$ в форме газов, содержащих 5–8% $ce{SO2}$ и используемых для произ-ва $ce{H2SO4}$. Обжиг проводят в печах в кипящем слое с применением дутья, обогащённого $ce{O2}$ (24–26% $ce{O2}$), без затрат углеродистого топлива.
Затем обожжённый концентрат подвергают плавке (в печах отражательного типа) на штейн, при этом в расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезём: $ce{FeO+SiO2=FeSiO3}$. Образующийся шлак – $ce{FeSiO3}$ – всплывает, и его удаляют из печи непрерывно.
Оставшийся на дне штейн (сплав $ce{Cu2S, FeS}$ и сульфидов др. металлов, обогащённый $ce{Cu2S}$) подвергают кислородной плавке в конвертере; при этом оставшийся сульфид железа $ce{FeS}$ окисляется до оксида и в результате добавления кремнезёма выводится из процесса в виде $ce{FeSiO3}$.
Сульфид меди $ce{Cu2S}$ частично окисляется до оксида $ce{Cu2O}$. В конвертере (без дутья) происходит взаимодействие $ce{Cu2O :и: Cu2S}$, оставшихся в расплаве: $ce{2Cu2O + Cu2S= 6Cu + SO2}$. Получаемая «черновая» М. содержит 90–95% осн.
компонента и подлежит дальнейшей очистке методом огневого рафинирования путём окисления примесей разл. металлов. Из получаемой «красной» М. (95–98% осн. компонента) отливают аноды, используемые для электролитич. рафинирования М.
В качестве электролита используют водный раствор медного купороса $ce{CuSO4}$; катодом служат тонкие листы из чистой М. В процессе электролиза высокочистая «электролитическая» М. (99,99%) осаждается на катодах, примеси собираются в виде анодного шлама, который содержит ценные примеси – металлич. $ce{Ag, Au, Pt}$, а также значит. количества халькогенидов меди ($ce{Cu2S, Cu2Se, Cu2Te}$), подлежащих пром. переработке.Наряду с пирометаллургич. методом получения М., большое значение имеют гидрометаллургич.
методы (особенно для бедных окисленных и самородных руд), основанные на избирательном растворении медьсодержащего сырья в разбавленных растворах $ce{H2SO4}$ или $ce{NH3}$ с последующим выделением М. из раствора (электролитич.
способом или осаждением железом). Большое значение имеет переработка вторичного сырья, из которого в ряде стран получают более 30% производимой меди.
Мировое произ-во М. ок. 8 млн. т/год.
Применение
Использование М. в пром-сти связано в первую очередь с её высокими тепло- и электропроводностью, пластичностью. До 50% М. применяется в электротехнике (изготовление проводов, кабелей, шин, контактов и др. токопроводящих частей электрич. установок).
Все примеси понижают электропроводность М., поэтому в электротехнике используют металл, содержащий не менее 99,99% осн. компонента. Высокие теплопроводность и антикоррозионные свойства позволяют изготавливать из М.
детали теплообменников, криогенных установок, вакуумных аппаратов и др. Более 30% М. применяют в виде сплавов, важнейшие из которых – бронзы, латуни, мельхиор. В виде фольги М. применяют в радиоэлектронике. Ок. 10–12% М. (гл. обр.
в виде солей) используется для приготовления красок, инсектофунгицидов, микроудобрений, катализаторов окислит. процессов, в медицине (антисептические и вяжущие средства), а также в кожевенной и меховой пром-сти, в произ-ве искусств. шёлка. М.
и её сплавы используются для изготовления монет, украшений, утвари, кованых, литых и др. худож. изделий.