Сферы и области применения меди и её сплавов

Что представляет собой

Медь – это розоватый металл с золотисто-металлическим блеском. Элемент №29 периодической системы Менделеева. Международное обозначение – Cu (Cuprum).

Чистый металл мягок, поэтому чаще используется с примесями. Пластичен: вытягивается до микронных диаметров.

На воздухе покрывается пленкой, обретая желтовато-красный оттенок. Тонкие пластинки на просвет зеленовато-голубые.

По официальной классификации причислен к тяжелым цветным металлам. В эту же группу входят свинец, цинк, олово, никель.

Магия

В прошлом рассматривался как солнечный металл.

Чистая медь в любой форме — древнее и распространённое средство общезаживляющего и профилактического характера[4]. В первую очередь медь используется:

• как хорошее тонизирующее средство для печени, селезенки и лимфатической системы;
• людьми, склонными набирать вес, задерживать воду, имеющими лимфатические наросты;
• в лечении анемии.

Чаще всего в лечебных целях используются медные кольца и браслеты. Считается, что наиболее эффективно для здоровья ношение меди на левой стороне для правшей, и на правой — левшами.

В средневековье считали, что медь рассеивает любые чары, дарует способность обнаруживать ведьм и колдунов.

Медь используется для привлечения любви, нередко, для этой цели рекомендуется носить оправленные в медь изумруды.

Медь — металл удачи и может использоваться для её привлечения в комбинации с любым из приносящих удачу драгоценных камней.

Медные трубки, соединённые с кристаллом кварца использует современными магами для изготовления волшебных палочек. Они иногда оборачивают кожей или другим защитным материалом и служат для «правильного направления энергии». Медь также носят на себе в течение ритуала как средство усиления способности мага «направлять энергию к магической цели».

История

Медь – один из первых металлов, с которыми имело дело человечество. Этому способствовали преимущества: большая распространенность, доступность, относительно низкая температура плавления.

Достоинства меди люди оценили восемь тысячелетий назад.

Медный век начался сразу после каменного:

• Древнейшими признаны медные артефакты, откопанные на территории современной Турции. Это бусинки и декоративные накладки.
• Из металла делали режущий инструментарий и посуду.
• История открытия медных рудников на Руси начинается на Урале за две тысячи лет до новой эры. Затем были Кавказ, Алтай, Сибирь.
• Промышленная переработка с использованием бронзы началась в XIV веке. Из сплава отливали пушки и колокола.

Из бронзы отлиты Царь-колокол и Царь-пушка.

Предполагается, что металл назван по имени острова Кипр. Здесь еще в III веке до нашей эры обнаружились медные залежи, а население освоило выплавку меди.

Происхождение русскоязычного термина медь «Этимологический словарь русского языка» М.Фасмера увязывает с древненемецким корнем smid – кузнец, металл.

МЕДЬ

МЕДЬ

– элемент 11 группы Периодической системы, плотность 8,9 г см–3, один из первых металлов, ставших известными человеку. Считают, что медь начали использовать около 5000 до н.э. В природе медь изредка встречается в виде металла. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. У индейцев, живших на его берегах оз. Верхнее (Сев. Америка), где есть очень чистая самородная медь, способы ее холодной обработки были известны до времен Колумба.
Также по теме:
МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

Около 3500 до н.э. на Ближнем Востоке медь научились извлекать из руд, ее получали восстановлением углем. Медные рудники были и в Древнем Египте. Известно, что глыбы для знаменитой пирамиды Хеопса обрабатывали медным инструментом.

К 3000 до н.э. в Индии, Месопотамии и Греции для выплавки более твердой бронзы в медь стали добавлять олово. Открытие бронзы могло произойти случайно, однако ее преимущества по сравнению с чистой медью быстро вывели этот сплав на первое место. Так начался «бронзовый век».

Также по теме:

МИНЕРАЛЫ И МИНЕРАЛОГИЯ

Изделия из бронзы были у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше 5 в. до н.э. Около 290 до н.э. Харесом в честь бога солнца Гелиоса был создан Колосс Родосский. Он имел высоту 32 м и стоял над входом во внутреннюю гавань древнего порта острова Родоса в восточной части Эгейского моря. Гигантская бронзовая статуя была разрушена землетрясением в 223 н.э. (см. также

СЕМЬ ЧУДЕС СВЕТА).

Предки древних славян, жившие в бассейне Дона и в Приднепровье, применяли медь для изготовления оружия, украшений и предметов домашнего обихода. Русское слово «медь», по мнению некоторых исследователей, произошло от слова «мида», которое у древних племен, населявших Восточную Европу, обозначало металл вообще.

Символ Cu происходит от латинского aes cyproum (позднее, Cuprum), так как на Кипре (Cyprus) находились медные рудники древних римлян.

Относительное содержание меди в земной коре составляет 6,8·10–3%. Самородная медь встречается очень редко. Обычно элемент находится в виде сульфида, оксида или карбоната. Важнейшими рудами меди являются халькопирит CuFeS2, который, по оценкам, составляет около 50% всех месторождений этого элемента, медный блеск (халькоцит) Cu2S, куприт Cu2O и малахит Cu2CO3(OH)2. Большие месторождения медных руд найдены в различных частях Северной и Южной Америк, в Африке и на территории нашей страны. В 18–19 вв. близ Онежского озера добывали самородную медь, которую отправляли на монетный двор в Петербург. Открытие промышленных месторождений меди на Урале и в Сибири связано с именем Никиты Демидова. Именно он по указу Петра I в 1704 начал чеканить медные деньги.

Богатые месторождения меди давно выработаны. Сегодня почти весь металл добывается из низкосортных руд, содержащих не более 1% меди. Некоторые оксидные руды меди могут быть восстановлены непосредственно до металла нагреванием с коксом. Однако большая часть меди производится из железосодержащих сульфидных руд, что требует более сложной переработки. Эти руды сравнительно бедные, и экономический эффект при их эксплуатации может обеспечиваться лишь ростом масштабов добычи. Руду обычно добывают в огромных карьерах, где используются экскаваторы с ковшами до 25 м3 и грузовики грузоподъемностью до 250 т. Сырье размалывают и концентрируют (до содержания меди 15–20%) с использованием пенной флотации, при этом серьезной проблемой является сброс многих миллионов тонн тонко измельченных отходов в окружающую среду (см

. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ). К концентрату добавляют кремнезем, а затем смесь нагревают в отражательных печах (доменные печи для тонко измельченной руды неудобны) до температуры 1400° С, при которой она плавится. Суммарное уравнение протекающих реакций можно представать в виде:

2CuFeS2 + 5O2 + 2SiO2 = 2Cu + 2FeSiO3 + 4SO2

Cu+I + 1e– = Cu0 |

FeIII + 1e– = FeII | –10e–

2S–II – 12e– = 2SIV |

O2 + 4e– = 2O–II

Большую часть полученной черновой меди очищают электрохимическим методом, отливая из нее аноды, которые затем подвешивают в подкисленном растворе сульфата меди CuSO4, а катоды покрывают листами очищенной меди. В процессе электролиза чистая медь осаждается на катодах, а примеси собираются около анодов в виде анодного шлама, который является ценным источником серебра, золота и других драгоценных металлов.

Около 1/3 используемой меди представляет собой вторичную медь, выплавленную из лома. Годовое производство нового металла составляет около 8 млн. т. Лидируют по производству меди Чили (22%), США (20%), СНГ (9%), Канада (7,5%), Китай (7,5%) и Замбия (5%).

Главное применение металла – в качестве проводника электрического тока. Кроме того, медь используется в монетных сплавах, поэтому ее часто называют «монетным металлом». Она также входит в состав традиционных бронзы (сплавы меди с 7–10% олова) и латуни (сплав меди с цинком) и специальных сплавов, таких как монель (сплав никеля с медью). Металлообрабатывающий инструмент из медных сплавов не искрит и может использоваться во взрывоопасных цехах. Сплавы на основе меди служат для изготовления духовых инструментов и колоколов.

В виде простого вещества медь обладает характерной красноватой окраской. Медь металл мягкий и пластичный. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру. Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами.

Медь устойчива в чистом сухом воздухе при комнатной температуре, однако при температуре красного каления образует оксиды. Она реагирует также с серой и галогенами. В атмосфере, содержащей соединения серы, медь покрывается зеленой пленкой основного сульфата. В электрохимическом ряду напряжений медь находится правее водорода, поэтому она практически не взаимодействует с неокисляющими кислотами. Металл растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, а также в разбавленной и концентрированной азотной кислоте. Кроме того, медь можно перевести в раствор действием водных растворов цианидов или аммиака:

2Cu + 8NH3·H2O + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O

В соответствии с положением меди в Периодической системе, ее единственная устойчивая степень окисления должна быть (+I), но это не так. Медь способны принимать более высокие степени окисления, причем наиболее устойчивой, особенно в водных растворах, является степень окисления (+II). В биохимических реакциях переноса электрона, возможно, участвует медь(III). Эта степень окисления редко встречается и очень легко понижается под действием даже слабых восстановителей. Известно несколько соединений меди(+IV).

При нагревании металла на воздухе или в кислороде образуются оксиды меди: желтый или красный Cu2O и черный CuO. Повышение температуры способствует образованию преимущественно оксида меди(I) Cu2O. В лаборатории этот оксид удобно получать восстановлением щелочного раствора соли меди(II) глюкозой, гидразином или гидроксиламином:

2CuSO4 + 2NH2OH + 4NaOH = Cu2O + N2 + 2Na2SO4 + 5H2O

Эта реакция – основа чувствительного теста Фелинга на сахара и другие восстановители. К испытываемому веществу добавляют раствор соли меди(II) в щелочном растворе. Если вещество является восстановителем, появляется характерный красный осадок.

Поскольку катион Cu+ в водном растворе неустойчив, при действии кислот на Cu2O происходит либо дисмутация, либо комплексообразование:

Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O

Cu2O + 4HCl = 2 H[CuCl2] + H2O

Оксид Cu2O заметно взаимодействует со щелочами. При этом образуется комплекс:

Cu2O + 2NaOH + H2O 2Na[Cu(OH)2]

Для получения оксида меди(II) CuO лучше всего использовать разложение нитрата или основного карбоната меди(II):

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2

(CuOH)2CO3 = 2CuO + CO2 + H2O

Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH)2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II). Бледно-голубой осадок гидроксида меди(II), проявляющий амфотерные свойства (способность химических соединений проявлять либо основные, либо кислотные свойства), можно растворить не только в кислотах, но и в концентрированных щелочах. При этом образуются темно-синие растворы, содержащие частицы типа [Cu(OH)4]2–. Гидроксид меди(II) растворяется также в растворе аммиака:

Cu(OH)2 + 4NH3.H2O = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O

Гидроксид меди(II) термически неустойчив и при нагревании разлагается:

Cu(OH)2 = CuO + H2O

Есть сведения о существовании темно-красного оксида Cu2O3, образующегося при действии K2S2O8 на Cu(OH)2. Он является сильным окислителем, при нагревании до 400° С разлагается на CuO и О2.

Большой интерес к химии оксидов меди в последние два десятилетия связан с получением высокотемпературных сверхпроводников, из которых наиболее известен YBa2Cu3O7. В 1987 было показано, что при температуре жидкого азота это соединение является сверхпроводником. Главные проблемы, препятствующие его широкомасштабному практическому применению, лежат в области обработки материала. Сейчас наиболее перспективным считается изготовление тонких пленок.

Многие из халькогенидов меди – нестехиометрические соединения. Сульфид меди(I) Cu2S образуется при сильном нагревании меди в парах серы или в среде сероводорода. При пропускании сероводорода через водные растворы, содержащие катионы Cu2+, выделяется коллоидный осадок состава CuS. Однако, CuS – не простое соединение меди(II). Оно содержит группу S2 и лучше описывается формулой CuI2CuII(S2)S. Селениды и теллуриды меди проявляют металлические свойства, а CuSe2, CuTe2, CuS и CuS2 при низких температурах являются сверхпроводниками.

При нагревании меди с галогенами можно синтезировать безводные дифторид, дихлорид и дибромид. Растворы галогенидов меди(II) удобнее получать взаимодействием металла, его оксида, гидроксида или карбоната с соответствующей галогеноводородной кислотой. Из водных растворов всегда выделяются кристаллогидраты.

Попытки получить иодид меди(II) приводят к образованию иодида меди(I) CuI:

2Cu2+ + 4I– = 2CuI + I2

При этом раствор и осадок окрашиваются в бурый цвет за счет присутствия иода. Образовавшийся иод можно удалить действием тиосульфат-иона:

I2 + 2SO3S2– = 2I– + S4O62–

Однако при добавлении избытка тиосульфат-иона иодид меди(I) растворяется:

CuI + 2SO3S2– = [Cu(SO3S)2]3– + I–

Точно так же попытки получить цианид меди(II) приводят к образованию CuCN. С другой стороны, с электроотрицательным фтором не удается получить соль меди(I). Три других галогенида меди(I), представляющие собой белые нерастворимые соединения, осаждаются из водных растворов при восстановлении галогенидов меди(II).

В водных растворах бесцветный ион меди(I) очень неустойчив и диспропорционирует

2CuI CuII + Cu(р)

Возможно, причиной этого является размер атома. Ион CuII меньше, чем CuI, и, имея вдвое больший заряд, намного сильнее взаимодействует с водой (теплоты гидратации составляют ~2100 и ~580 кДж моль–1, соответственно). Разница является существенной, так как она перевешивает вторую энергию ионизации для меди. Это делает ион CuII более стабильным в водном растворе (и ионных твердых веществах), чем CuI, несмотря на устойчивую конфигурацию d10 последнего. Тем не менее, CuI может стабилизироваться в соединениях с очень низкой растворимостью или за счет комплексообразования. Комплексы легко образуются в водном растворе при взаимодействии Cu2O с соответствующими лигандами. В водных растворах хлоро- и амминкомплексы меди(I) медленно окисляются кислородом воздуха до соответствующих соединений меди(II).

Катион меди(II), напротив, в водном растворе вполне устойчив. Соли меди(II), в основном, растворимы в воде. Голубой цвет их растворов связан с образованием иона [Cu(H2O)4]2+. Они часто кристаллизуются в виде гидратов. Водные растворы в небольшой степени подвержены гидролизу и из них часто осаждаются основные соли. Основный карбонат есть в природе – это минерал малахит, основные сульфаты и хлориды образуются при атмосферной коррозии меди, а основный ацетат (ярь-медянка) используется в качестве пигмента.

Ярь-медянка известна со времен Плиния Старшего (23–79 н.э.). В русских аптеках ее начали получать в начале 17 в. В зависимости от способа получения она может быть зеленого или голубого цвета. Ею были окрашены стены царских палат в Коломенском в Москве.

Наиболее известную простую соль – пентагидрат сульфата меди(II) CuSO4·5H2O – часто называют медным купоросом. Слово купорос, по-видимому, происходит от латинского Cipri Rosa – роза Кипра. В Росси медный купорос называли синим, кипрским, затем турецким. То, что купорос содержит медь, было впервые установлено в 1644 Ван Гельмонтом. В 1848 Р.Глаубер впервые получил медный купорос из меди и серной кислоты. Сульфат меди широко используется в электролитических процессах, при очистке воды, для защиты растений. Он является исходным веществом для получения многих других соединений меди.

Тетрааммины легко образуются при добавлении аммиака к водным растворам меди(II) до полного растворения первоначально выпавшего осадка. Темно-синие растворы тетраамминов меди растворяют целлюлозу, которую можно вновь осадить при подкислении, что используется в одном из процессов для получения вискозы. Приливание этанола к раствору вызывает осаждение [Cu(NH3)4]SO4·H2O. Перекристаллизация тетраамминов из концентрированного раствора аммиака приводит к образованию фиолетово-синих пентаамминов, однако пятая молекула NH3 легко теряется. Гексааммины можно получить только в жидком аммиаке, и их хранят в атмосфере аммиака.

Медь(II) образует плоско-квадратный комплекс с макроциклическим лигандом фталоцианином. Его производные используются для получения ряда пигментов от синего до зеленого, которые устойчивы вплоть до 500° С и широко используются в чернилах, красках, пластиках и даже в цветных цементах.

Медь имеет важное биологическое значение. Ее окислительно-восстановительные превращения участвуют в различных биохимических процессах растительного и животного мира.

Высшие растения легко переносят сравнительно большое поступление соединений меди из внешней среды, низшие же организмы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к этому элементу. Самые незначительные следы соединений меди их уничтожают, поэтому растворы сульфата меди или их смеси с гидроксидом кальция (бордосская жидкость) применяют как противогрибковые средства.

Из представителей животного мира наибольшие количества меди содержатся в телах осьминогов, устриц и других моллюсков. В их крови она играет ту же роль, что железо в крови других животных. В составе белка гемоцианина она участвует в переносе кислорода. Неокисленный гемоцианин бесцветен, а в окисленном состоянии он приобретает голубовато-синюю окраску. Поэтому не зря говорят, что у осьминогов – голубая кровь.

Организм взрослого человека содержит около 100 мг меди, сосредоточенной, в основном, в белках, только содержание железа и цинка выше. Ежедневная потребность человека в меди составляет около 3–5 мг. Дефицит меди проявляется в анемии, однако избыток меди также опасен для здоровья.

Елена Савинкина

Запасы, добыча

Глобальные объемы медной руды оцениваются в миллиард тонн (разведанные). Наличие половины подтверждено. Ученые полагают, что земная кора таит еще три миллиарда тонн меденосной руды.

Самородная медь

Богатыми запасами располагают страны на всех континентах:

• Америка – Чили, Канада, США.
• Азия – Казахстан, Иран.
• Африка – ЮАР, Замбия, Заир.

На Россию приходится 3% мировых запасов. Месторождения сосредоточены на Урале. Основной добытчик – концерн «Норильский никель».

Руду добывают открытым либо закрытым способом, в зависимости от глубины залегания.

Ежегодный мировой объем добычи руды – 15-20 млн. тонн.

Ищем медь

Запасы металла на земле немалые. В их число входит самородная медь (ее скопления могут достигать 400 тонн — бери готовую).

Нет самородной, к услугам человека содержащие медь минералы:

• медный колчедан (халькопирит);
• борнит (сульфид меди и железа); раньше его называли пестрый медный колчедан;
• халькозин, медный блеск (сульфид меди);
• малахит, карбонат меди; уральский малахит высочайшего качества уже использован, теперь малахит добывают в Африке;
• куприт (красная медная руда);
• азурит, медная лазурь.

Физико-химические параметры

Медь – металл с типичными внешними признаками (блеск, гладкость) и структурой кристаллической решетки. Наделена высокой электро- и теплопроводностью. По этим физическим свойствам вторая после серебра.

Главное химическое свойство металла, оцененное человеком, – нулевая коррозийность. Медь химически малоактивна, при стандартных условиях не окисляется.

Химические свойства

На воздухе покрывается оксидной плёнкой.

Соединения

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

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

Соединения меди(I)

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

2Cu+(водн.) → Cu2+(водн.) + Cu(тв.)

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

CuCl(тв.) + Cl-(водн.) → [CuCl]- (водн.)

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

CuCl2(тв.) → 2CuCl(тв.) + Cl2(г.)

Образует неустойчивый комплекс с CO

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

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

Аналитическая химия меди

• Традиционно количественное выделение меди из слабокислых растворов проводилось с помощью сероводорода.
• В растворах, при отсутствии мешающих ионов медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически, ионометрически.
• Микроколичества меди в растворах определяют кинетическими методами.

Медь в природе

В природе выявлено два проявления элемента – самородки и компонент соединений с другими элементами.

Самородок меди

Чаще это соединения: оксиды, сульфиды, гидрокарбонаты. Самое распространенное сырье – медный колчедан.

Медь придает глубокие синие, голубые, зеленоватые оттенки малахиту, бирюзе, хризоколле, другим минералам ювелирно-декоративного сегмента.

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.

Способы получения

Содержание металла в рудах не превышает 2%. Поэтому перед плавкой их обогащают. Существует два способа получения меди: пиро- и гидрометаллургический.

Пирометаллургический

Многоуровневый процесс, включающий следующие этапы:

• Обогащение. Руды обогащают методом флотации. Взвешенные в воде медные частички «цепляются» к воздушным пузырькам, которые увлекают их на поверхность. На выходе получается порошок-концентрат с 12-36% меди.
• Обжиг. Процедура показана бедным (9-24% меди) медным рудам и кон серой. При прокаливании с кислородом доля серы падает вдвое.
• Плавка. Кусками руды или порошком-концентратом загружают печи шахтного либо отражательного типа при 1452°С. Получают медный штейн.
• Продувка. В конвертерах на него воздействуют сжатым воздухом. Сульфиды и железо окисляются, образуется почти чистая (98,51 – 99,51%) черновая медь плюс железо, другие ценные компоненты в следовых количествах.
• Рафинирование. Черновой продукт отправляют на рафинирование – пламенем, затем электролитом. Примеси удаляются с газами. После первого этапа металл очищается до 99,51%, после заключительного – до 99,96%.

Способ применяется к 9/10 добытого сырья.

Гидрометаллургический

Состоит в обработке сырья растворенной серной кислотой малой концентрации и выделении металлического медного продукта.

Метод оптимален для руд с минимальным процентом меди. Извлечения других компонентов не предусматривается.

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.

Сплавы

Номенклатура сплавов меди с другими компонентами насчитывает десятки позиций.

Сплавы меди и их применение

Они применяются чаще чистого металла, поскольку уменьшают недостатки, присущие чистому металлу. То есть делают продукт прочнее, устойчивее, дешевле.

Медные соединения подразделяются на две группы:

1. Бронза – с оловом.
2. Латунь – с цинком.

Помимо этих главных легирующих компонентов, в составе соединения алюминий, никель, висмут, титан, серебро, золото, неметаллические элементы.

Сплавы меди

Помимо относительно чистой формы, характеризуемой ничтожным содержанием примесей, медь – составляющий элемент многих сплавов, среди которых наиболее известны:

• латунь;

Латунь – сплав меди

• бронза;

Бронза

• мельхиор.

Мельхиор – больше относится к серебру, нежели к меди

Отдельно стоит выделить медный сплав с никелем, именуемый мельхиор. Он известен широкой аудитории по разменным монетам советских времен, начиная с 10 копеек а также подарочные наборы столовых приборов, но существенно уступает первым двум в степени востребованности.

Наиболее перспективными для нужд человека остаются: латунь и бронза. Желтая медь, так иначе называют латунь, на бытовом уровне широко востребована в сантехнике. Те, кто сталкивался с подбором крана или смесителя, хорошо знают это. По химическому составу различают:

• двойные латуни – сплав меди с цинком;

• многокомпонентные, в которых Zn остается основным легирующим элементом.

Процентное содержание цинка, даже в двойной латуни, широко варьируется. Сплавы, где доля Zn составляет не более 20%, именуют томпаком.

Пули из томпака

Определить состав латуни можно исходя из маркировки: для двойных сплавов после буквы «Л» указывается процентное содержание меди, например Л60. Маркировка многокомпонентных сплавов строится аналогично, только за «Л» следуют легирующие примеси с их концентрациями. Таким образом, многокомпонентная латунь марки ЛМц58- 2, использования при изготовлении деталей машин, гаек, болтом, арматуры, подразумевает содержание меди – 58%, цинка – 40%, марганца – 2%.

Бронза – в стандартном понимании, представляет медный сплав с оловом, однако на практике также обладает весьма вариативным составом. Фактически под бронзой принято понимать любой медный сплав, где никель и цинк не являются основными легирующими элементами. Стоит отметить, что найти оловянную бронзу достаточно сложно. Большее распространение получили ее безоловянные сорта.

Сферы применения

Свойства металла обусловили его применение разными сферами. Главный потребитель – промышленный комплекс.

Промышленность

Металл и сплавы разбирают следующие отрасли:

• Электротехника, радиоэлектроника. Кабели (силовые, другие), провода. Обмотка в трансформаторах. Теплообменные устройства (радиаторы отопления, кондиционеры, кулеры компьютеров, тепловые трубки ноутбуков).
• Приборо-, машиностроение. Из сплавов меди с цинком, оловом, алюминием делают детали, узлы машин. Без нее невозможно создание гальванических элементов и батарей.
• Трубы. Для транспортировки пара, воды, газа. В энергетике, судостроении, для бытовых потребностей.

Система охлаждения из меди на тепловых трубках в ноутбуке
В Японии медные трубопроводы признаны сейсмоустойчивыми, что для этой страны жизненно важно.

Медные трубы

Строительство

Крыши из медного листа экологичны, их можно не красить, поскольку влага, погодные катаклизмы не страшны. Срок службы – до 100 лет.

Медицина

Медициной востребованы характеристики металла как антисептика и вяжущего средства.

Это компонент глазных капель и смесей для лечения ожогов.

Медные ручки дверей, другие поверхности – атрибут лечебных учреждений.

Соединения меди подавляют вирус свиного гриппа.

Ювелирное дело

Ювелиры используют сплавы на основе меди.

Кольцо из меди

Красное или розовое золото – это конгломерат благородного металла с медью.

Ее количество в составе определяет финальный оттенок:

• 25% – розовый;
• 50% – красный.

Эти виды золота – самые любимые ювелирами. Медь делает изделия прочнее, попутно удешевляя стоимость.

Второй популярный ювелирный сплав – мельхиор (медь + никель).

Другие отрасли

• Оксид меди – основа купрата, используемого в сверхпроводниках.
• Латунь идет на изготовление гильз для винтовок и артиллерии.
• Из мельхиора чеканят монеты, создают интерьерные украшения, столовые приборы.
• Медь задействована при синтезе хлорофилла. Ее всегда добавляют в минеральные удобрения для растений.

Области применения

Отраслей, где находит своё применение этот древнейший из металлов, множество:

• Металлургия. Именно эта отрасль выпускает множество готовых изделий в виде

• проката: листов, плит, лент, труб, прутков, шин, проволоки;
• сплавов: бронзы, латуни, мельхиора, константана, манганина нейзельбера.

Те и другие изделия, и промежуточные материалы находят широкое применение в технических отраслях, при производстве вооружений, в декоративно-прикладном искусстве. Отличительными особенностями сплавов являются – сохранение механических свойств, высокий уровень скольжения в парном сочетании и антикоррозийная устойчивость.

• Машиностроение. Здесь используется значительная часть медесодержащей продукции, полученной в результате металлургических процессов. Это – высокопрочные сплавы с алюминием, оловом, кремнием, цинком. А также разнообразные детали машин и механизмов. Одним из направлений является изготовление твёрдых припоев, опять же находящих применение в машиностроительной отрасли.
• Химия. Катализатором процесса полимеризации ацетилена выступает опять же медь.
• Электротехника. Благодаря высокой электрической проводимости, этот металл стал незаменим в качестве проводника при изготовлении шин, кабелей, проводов, дорожек печатных плат. Они, в свою очередь, входят в состав множества электротехнических изделий, где также присутствуют медные элементы конструкций и сплавы данного металла. Кроме того, медь находит использование в химических источниках тока и при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
• Энергетика. Одним из важных направлений использования меди является изготовление на её основе труб, являющихся составной частью систем газоснабжения, водоснабжения, отопления, охлаждения, кондиционирования и обеспечения технологическими жидкостями.
• Ювелирное дело. Специфика изготовления драгоценных изделий, служащих в качестве украшений, требует сочетания целого ряда противоречивых факторов. Чтобы придать прочность золоту, в него добавляют медь. Податливость материала не уменьшается, а срок службы и устойчивость к механическим воздействиям – существенно возрастают.

Значение для человека

Медь заложена в организм человека изначально:

• Участвует в образовании красных кровяных телец, коллагена, эластина.
• Активирует работу эндокринной системы, замедляет старение организма.
• Ее дефицит чреват замедлением белкового обмена. Это влечет патологии в развитии скелета и составе крови.

Она есть во многих продуктах питания. Медью богаты говяжья печень, устрицы, кунжут, какао-порошок, черный перец, гречневая крупа. А также орехи (лесной, грецкий, кешью, арахис, миндаль).

Примечания

1. На берег Кипра вышла из морской пены Афродита (Киприда).
2. Кованная холодным способом медь твёрже литой. Кованные медные орудия характерны для доисторических культур, например, Северной Америке.
3. В отличие от этого в культе Митры металлом Венеры было олово, а не медь.
4. Уже две с половиной тысячи лет назад врачи считали медь целебной: древнегреческий врач и поэт Эмпедокл носил медные сандалии, подобно египетским жрецам и фараонам; с медным шариком в руке любил засыпать Аристотель.

Предостережение

В составе металла есть изотопы: два стабильных плюс два десятка нестабильных. Хотя период полураспада «долгожителя» – менее 2,5 суток, материал токсичен.

Поэтому применение меди контролируется.

В России на федеральном уровне (национальный стандарт, федеральный Свод Правил) регламентируется:

• Производство и использование медных водо- паро- и газопроводных труб.
• Количество меди в питьевой воде.

В 1 литре питьевой воды не должно быть больше 1 мг меди.

Избыток медных компонентов вызывает отравление организма. Для приготовления пищи медная посуда непригодна.

Карьер, в котором медную руду извлекали открытым способом, становится источником токсичных соединений.

Месторождения и добыча

Происхождение медных руд разнообразное. Они бывают оксидные, сульфидные, смешанные. Больше всего на земле сульфидных руд (около 90%), в них богатые руды. Не уступают содержанием металла окисленные минералы.

Крупные месторождения есть в Чили (прогнозируемые запасы больше 5 миллионов тонн).

Самородная медь

Богатейшие месторождения самородной меди находятся в США (озеро Верхнее), на острове Ванкуве (Канада), Корокоро (Боливия).

Самородная «космическая» медь найдена в метеоритах и на Луне.

Рекомендуем: КОБАЛЬТ — щедрый подарок горных духов

В России добыча металла ведется в Красноярском крае (все тот же «Норникель»).

Цены

Мировая цена меди устанавливается на Лондонской бирже металлов. Она зависит от спроса, определяемого состоянием экономики.

И колеблется соответственно:

• К началу 2008 года преодолена психологическая отметка $8000 за тонну.
• Через полгода было уже $+940, что стало рекордом за всю историю биржи.
• На начало 2011 года взята планка $10 000.

Затем произошел спад. На 2021 год тонна меди торгуется по $8057. Сказалось торможение экономики из-за пандемии коронавируса.

Свойства меди

Что же собой представляет медь? Это красновато — розовый металл, отличающийся мягкостью и ковкостью. Механические и физико — химические свойства — главные причины популярности меди. Пластичность, мягкость, высокие показатели теплопроводимости делают медь отличным вариантом для производства большого разнообразия изделий. Данный металл не боится низких температур. Напротив, при отрицательных температурах свойства меди становятся ещё лучше. Повышается прочность и пластичность материала и предел текучести становиться выше. Помимо этого вода, растворы щелочей и кислот (соляной и серной) никак не влияют на медь. Эти и множество других свойств обуславливают сферы и области применения меди.

Характеристики меди

• Плотность меди — 8,93*103кг/м3;
• Удельный вес меди — 8,93 г/cм3;
• Удельная теплоемкость меди при 20oC — 0,094 кал/град;
• Температура плавления меди — 1083oC ;
• Удельная теплота плавления меди — 42 кал/г;
• Температура кипения меди — 2600oC ;
• Коэффициент линейного расширения меди
• (при температуре около 20oC) — 16,7 *106(1/град);
• Коэффициент теплопроводности меди — 335ккал/м*час*град;
• Удельное сопротивление меди при 20oC — 0,0167 Ом*мм2/м;