Медь

Общие

Май 03, 2022

10 мин. на чтение

Содержание:

Медь (от латинского cuprum) — химический элемент с символом Cu и атомным номером 29. Это металл 4-го периода 11-й группы периодической таблицы химических элементов. Латинское название cuprum происходит от «aes cyprium» (руда с острова Кипр), где в древности добывали медь.

Как относительно мягкий металл, медь имеет относительно легкую и прочную форму, обладает превосходной гибкостью и пластичностью. Это отличный проводник тепла и электричества.

Историческая справка

Медь – один из важнейших элементов древности. Медь, золото, серебро и олово были первыми металлами, которые человечество познало в своем историческом развитии. Поскольку с медью легко работать, она использовалась древними культурами более 10 000 лет. Эпоха широкого использования меди началась с 5 тысячелетия до н.э до 3 тысячелетия до н.э

Однако чистая медь оказалась относительно мягкой для изготовления оружия и инструментов. Поэтому древние путем опытов, добавляя в расплавленную медь кусочки свинца и олова, получали бронзу. Это гораздо более твердый материал, чем нелегированная медь. Бронза используется человечеством уже более 5000 лет. Этот сплав дал название целой исторической эпохе.

В алхимии медь ассоциировалась с Венерой (женственностью). Не в последнюю очередь потому, что первые зеркала, которыми пользовались женщины, были сделаны из этого металла.

Физические свойства

При плотности 8920 кг/м3 медь является одним из тяжелых металлов с температурой плавления 1083,4°С. Она кристаллизуется в гранецентрированной кубической (ГЦК) системе и имеет твердость по шкале Мооса от 2,5 до 3. Медь проводит электричество очень хорошо. Чуть хуже серебра и намного лучше золота. Кроме того, медь является очень хорошим проводником тепла.

Однако алюминий является лучшим электрическим проводником на грамм вещества, чем медь. Но он объемнее, поэтому медь на квадратный сантиметр сечения кабеля лучше проводит электричество, по сравнению с таким же сечением алюминиевого кабеля.

Чистая металлическая медь имеет ярко-красный цвет с розоватым оттенком. Медь приобретает красновато-коричневый цвет на воздухе. Из-за дальнейшего окисления и коррозии на поверхности меди очень медленно (часто в течение столетий) образуется патина. Металлический блеск теряется, а цвет меняется с красновато-коричневого на голубовато-зеленый.

Месторождения меди

Медь иногда встречается в природе в чистом виде в виде твердого элемента. Преимущественно в базальтовых лавах. Встречается там в виде самородков (застывший расплав) или в разветвленных скальных образованиях, так называемых дендритах, очень редко в кристаллическом виде. Доля чистой меди в природе очень мала.

Наоборот, медные руды очень распространены. Медь добывают из следующих минералов: халькопирит (медный гравий — CuFeS2), халькоцит (медный блеск — Cu2S), реже из борнита (Cu5 FeS4), атакамита, малахита и других. Крупнейшие месторождения меди в мире находятся в Чили, США, России, Замбии, Канаде и Перу.

Чили является основной страной-производителем меди, за ней следуют Индонезия и США. Основные страны-экспортеры объединены в Содружество стран-производителей - CIPEC. Чили, Перу, Австралия, Индонезия, Демократическая Республика Конго и Папуа-Новая Гвинея входят в CIPEC.

Производство меди

Для производства меди из медного гравия (CuFeS2) первоначально получают так называемый медный камень (Cu2S с разным содержанием FeS) с содержанием меди около 70%. Для этого исходный материал нагревают с добавлением кокса и содержащихся в нем оксидов железа, шлака с кремнистыми агрегатами. Образующийся железосиликатный шлак плавает в расплаве на поверхности и может быть легко дренирован. Затем медный камень перерабатывается в необработанную медь (черную медь) с содержанием меди около 98%.

Для этого расплав заливают в конвертер и вдувают в него воздух. На первом этапе (продувка шлака) содержащийся в нем сульфид железа прокаливается до оксида железа, а чешуйчатый кварц присоединяется к шлаку, который можно слить. На втором этапе две трети оставшегося Cu2S окисляются до Cu2O. Затем оксид реагирует с оставшимся сульфидом с образованием сырой меди. Неочищенная медь (цементная медь) затем подвергается электролитической очистке.

Медь мигрирует в виде ионов через электролит к катоду и осаждается там. Конечное содержание меди составляет 99,99% с очень небольшой примесью других веществ. Чем меньше благородных металлов этих примесей остается растворенным в электролите, тем больше благородных металлов (в том числе серебра и золота) образуют «электролитный осадок» и обрабатываются отдельно.

Применение меди

Современный рынок предлагает широкий ассортимент медьсодержащих товаров народного потребления, от кухонной утвари до компьютеров. Медь используется для изготовления монет, электрических проводов, ювелирных изделий, столовых приборов, аксессуаров, чайников, прецизионных деталей, произведений искусства, музыкальных инструментов, трубок и многого другого.

Для кабелей и линий, несущих электрический ток, печатных плат и интегральных схем, электрических компонентов (обмоток трансформаторов, катушек индуктивности, корпусов анодов магнетронов) используется только чистая медь из-за ее очень хорошей электропроводности. Бериллиевая медь используется для воздушных линий.

Медь хорошо отражает инфракрасное излучение и поэтому используется в качестве зеркала для углекислотных лазеров. Благодаря хорошей теплопроводности медь часто используется в качестве радиатора.

Медь входит в состав многих сплавов, таких как золотисто-желтая латунь (с цинком), бронза (с оловом), никелированное серебро (с цинком и никелем). Деформируемым сплавам (латунь и нейзильбер) придают нужную форму пластическим формованием (горячее формование: прокатка, ковка или холодное формование: волочение, ковка, холодная прокатка, глубокая вытяжка), а литые материалы (сталь для пушек, бронза) часто трудно или невозможно формовать пластически.

Предметы с серебристо-белым внешним видом (похожие на нержавеющую сталь) часто на самом деле представляют собой сплавы с высоким содержанием меди, поскольку цвет меди полностью исчезает при добавлении никеля. Современные монеты сделаны из сплава меди, цинка, алюминия и олова. Соединения меди используются в цветных пигментах, в качестве тонеров, в медицинских препаратах и ​​в гальванике. Благодаря своему благородному внешнему виду медь незаменима в мебельной промышленности и в сфере отделки.

Биологический эффект

Медь входит в состав синего гемоцианина, который многие моллюски и членистоногие используют в качестве красителя крови для переноса кислорода. Медь также является жизненно важным микроэлементом в высших организмах и входит в состав многих ферментов.

Суточная потребность в меди для взрослого человека составляет около 2 миллиграммов.

Месторождение меди в организме человека находится в печени. Избыток меди выводится через пищеварительную систему вместе с желчью. По сравнению со многими другими тяжелыми металлами избыток меди не наносит организму значительного вреда. Человек может употреблять 0,04 грамма меди в день без вреда для здоровья. Медь в основном содержится в шоколаде, печени, крупах, овощах и орехах.

Дефицит меди редко диагностируется у людей. В основном наблюдается при хронической диарее, у недоношенных детей, при длительном голодании. Потребление высоких доз цинка, железа или молибдена может вызвать снижение количества меди в организме. В свободной форме (не связанной с белками) медь обладает выраженными антибактериальными свойствами. Чистое серебро обладает теми же качествами.

Медный купорос (медный купорос) является сильным рвотным средством, в связи с чем его применяют для лечения многих интоксикационных заболеваний в стадии острой реакции.

Медь и вода

Средняя концентрация меди в морской воде составляет от 0,2 до 3 частей на миллиард, хотя значения могут сильно различаться. Речная вода обычно составляет от 2 до 5 частей на миллиард. Водоросли содержат около 2-68 частей на миллион (сухое вещество), а устрицы содержат около 63 частей на миллион. В растворенном состоянии элемент находится в форме CuOH+ или в форме неионогенного CuCO3. Кроме того, медь имеет сильную склонность к хелатированию с использованием доступных органических соединений.

Как и в каких соединениях медь реагирует с водой?

Металлическая медь при нормальных условиях является коррозионностойким материалом.

Растворимость меди и / или ее соединений в воде

Элементарная металлическая медь нерастворима в воде, как и оксид меди, сульфат меди. С другой стороны, хлорид меди(I) имеет растворимость в воде 200 мг/л, а сульфат меди до 220 г/л.

Как медь может попасть в воду?

Медь содержится в различных минералах, таких как халькопирит, малахит, азурит или куприт. Несмотря на возможное выветривание, в природных водах его можно найти лишь в небольших количествах. Соединения меди также используются в сельском хозяйстве и поэтому выбрасываются в окружающую среду. Некоторая часть меди и ее соединений может быть переработана. Однако они часто попадают на мусоросжигательные заводы, откуда они, в свою очередь, могут до некоторой степени выбрасываться в окружающую среду.

Не стоит недооценивать количество меди, которая растворяется при взаимодействии дождевой воды с кровельными материалами. В результате содержание меди в осадках сточных вод также часто увеличивается.

Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды медью?

Медь необходима многим, если не всем живым существам, в том числе потому, что она входит в состав многих ферментов.

Содержание меди в обычных воздушно-сухих почвах составляет в среднем около 10-20 частей на миллион с диапазоном от 1 до 80 частей на миллион. Однако в загрязненных почвах может встречаться даже 3500 частей на миллион. Медь относительно неподвижна в почве, ее растворимость наименьшая при рН 5-6. Накапливается преимущественно в верхних слоях почвы, где связывается с неорганическими и органическими веществами.

Содержание азота в почве, вероятно, влияет на пассивный перенос меди. Симптомы дефицита у растений обычно возникают при концентрациях ниже 5 частей на миллион. Травянистые растения и листья деревьев обычно содержат от 2 до 20 частей на миллион (в пересчете на сухое вещество), и можно предположить, что дефицит меди составляет менее 3 частей на миллион. Кроме того, молодые растения содержат больше меди, чем старые. У лишайников от 9 до 24 частей на миллион, а у грибов от 7 до 160 частей на миллион.

Ионы Cu 2+ особенно токсичны для многих мелких организмов, таких как бактерии, грибы и водоросли. Таким образом, токсичность металлической меди для теплокровного организма очень ограничена, так как она почти нерастворима в нем. Отравление медью более вероятно при попадании в организм уже растворенных соединений или ионов меди. Особенно чувствительны к этому жвачные животные. 

Медь наносит косвенный ущерб окружающей среде, поскольку она катализирует образование диоксинов и фуранов при сжигании отходов.