Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы короткой формы (11-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 29, атомная масса 63,546 а. е. м.; относится к переходным металлам. В природе два стабильных изотопа: ⁶³Cu (69,17 %) и ⁶⁵Cu (30,83 %); искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 52–80.

С древности до начала широкого использования железа медь и её сплавы играли важную роль в развитии материальной культуры человечества (медный век, бронзовый век). Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что этот металл встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, иногда значительных размеров, которые имеют большее распространение в природе по сравнению с самородками других металлов (в том числе золота). Кроме того, благодаря способности легко восстанавливаться из оксидов и карбонатов, медь 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 меди: в одних случаях человек впервые знакомился с самородной медью, в других – получал медь плавкой окисленных руд. Оценки периода начала использования меди сильно различаются: по последним данным, на Ближнем Востоке, на территории Анатолии, в начале 7-го тыс. до н. э. использовалась металлургическая медь. Латинское название меди произошло от названия о. Кипр, где уже в 3 в. до н. э. существовали медные рудники, с которых римляне вывозили руду.

Топор-тесло, медь. 4 тыс. до н. э. Майкопский курган.Топор-тесло, медь. 4 тыс. до н. э. Майкопский курган.

Распространённость в природе

Среднее содержание меди в земной коре 4,7·10^–3 % по массе. Подавляющая часть меди (около 80 %) присутствует в земной коре в виде соединений с серой; около 15 % меди находится в виде кислородсодержащих соединений (карбонатов, оксидов, силикатов и т. п.), являющихся продуктами выветривания первичных сульфидных медных руд. Медь образует более 250 минералов; важнейшими промышленными минералами являются халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂, ковеллин CuS, халькозин (медный блеск) Cu₂S, борнит Cu₅FeS₄, куприт Cu₂O, малахит CuCO₃·Cu(OH)₂, азурит CuCO₃·2Cu(OH)₂. Содержание меди в морской воде 3·10^–7 %, в речной – 1·10^–7 %. Ионы меди, переносимые морскими и океаническими водами, сорбируются донными отложениями, содержание меди в которых достигает 5,7·10^–3 % по массе.

Медь широко распространена в растительном и животном мире. Среднее содержание меди в живых организмах 2·10^–4 % по массе. В таёжных и других ландшафтах влажного климата ионы меди сравнительно легко выщелачиваются из кислых почв и наблюдается дефицит меди, а также связанные с ним болезни растений и животных. В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными почвами) ионы меди малоподвижны; на участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях, приводящий к болезням домашних животных.

Сросток тетраэдрических кристаллов халькопирита на кварцевой щётке (штат Сакатекас, Мексика). Экспонат из коллекции Национального музея естественной истории (Вашингтон, США). Смитсоновский институт.Сросток тетраэдрических кристаллов халькопирита на кварцевой щётке (штат Сакатекас, Мексика). Экспонат из коллекции Национального музея естественной истории (Вашингтон, США). Смитсоновский институт.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома меди 3d¹⁰4s¹; в соединениях проявляет степени окисления +1 и +2 (наиболее типична), редко +3; электроотрицательность по Полингу 1,9; энергии ионизации 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 координационные числа): Cu⁺ 74 (4); 91 (6); Cu²⁺ 71 (4); 87 (6); Cu³⁺ 68 (6).

В компактном виде медь – ковкий и пластичный металл розовато-красного цвета с характерным металлическим блеском, при просвечивании в тонких слоях – зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решётка гранецентрированная кубическая; t_пл 1084,62 °C; t_кип 2567 °C, плотность 8920 кг/м³ (20 °С). Наиболее важные используемые свойства меди: высокая теплопроводность – 400 Вт/(м·К), малое удельное электрическое сопротивление – 1,7·10^–8 Ом·м (при 20 °С). Температурный коэффициент линейного расширения 16,5·10^–6 К^–1. Медь диамагнитна, удельная магнитная восприимчивость –0,086·10^–9 м³/кг. Твёрдость по Бринеллю 450–1100 МПа, предел прочности при растяжении около 200 МПа, относительное удлинение 60 %, модуль упругости 110–130 ГПа. Небольшие примеси Bi и Pb вызывают красноломкость меди; S и кислорода – хладноломкость; примеси P, As, Al, Fe уменьшают электрическую проводимость меди; растворённый в меди водород существенно ухудшает её механические свойства.

Образец меди. Фото: Zelenskaya / ShutterstockОбразец меди. Фото: Zelenskaya / ShutterstockМедь химически малоактивна. Компактный металл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует; в присутствии паров воды, CO₂ и SO₂ на поверхности меди образуется зеленоватый налёт (патина) основных солей – карбонатов CuCO₃·Cu(OH)₂ и сульфатов CuSO₄·3Cu(OH)₂. При нагревании меди на воздухе идёт поверхностное окисление: при температуре ниже 375 °С образуется CuO, в интервале 375–1100 °С – двухслойная окалина (в поверхностном слое находится CuO, во внутреннем – Cu₂O). В присутствии влаги хлор взаимодействует с медью уже при комнатной температуре, образуя дихлорид CuCl₂, хорошо растворимый в воде. Медь взаимодействует с другими галогенами (образуя галогениды CuHal₂ и CuHal, где Hal – F, Cl, Br, I), с серой и с селеном, горит в парах серы. С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твёрдой меди незначительна (0,06 мг в 100 г меди при 400 °С). При пропускании NH₃ над раскалённой медью образуется CuN₃. При высокой температуре медь подвергается воздействию оксидов азота: NO, N₂O (с образованием Cu₂O) и NO₂ (с образованием CuO). Карбиды Cu₂C₃ и CuC₂ получают действием ацетилена на аммиачные растворы солей меди. С большинством металлов медь образует твёрдые растворы или интерметаллиды. Медь вытесняется из солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используют железо) и не растворяется в неокисляющих кислотах. В азотной кислоте медь растворяется, образуя Cu(NO₃)₂ и оксиды азота, в горячей концентрированной H₂SO₄ – c образованием CuSO₄ и SO₂. Соли Cu(I) бесцветны, практически нерастворимы в воде, легко окисляются, склонны к диспропорционированию $2Cu^{+} → Cu^{2+} + Cu^{0}$. Соли Cu(II) хорошо растворяются в воде, в разбавленных кислотах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы Cu²⁺ окрашены в голубой цвет. Соли Cu(I) и Cu(II) с рядом молекул и ионов образуют многочисленные устойчивые комплексные соединения, например (NH₄)[CuBr₃], K₃[Cu(CN)₄], K₂[CuCl₄]. Путём образования комплексных соединений можно перевести в раствор многие нерастворимые соли Cu. Медь входит в состав различных медьорганических соединений.

Биологическая роль

Медь – необходимый для поддержания жизни растений и животных микроэлемент. В биохимических процессах медь участвует в качестве активатора или в составе медьсодержащих белков (например, церулоплазмина) и ферментов (например, цитохромоксидазы). Количество меди в растениях – около 10^–4–5·10^–2 % (на сухое вещество), зависит от вида растения и содержания меди в почве. Очень богаты медью некоторые беспозвоночные (например, моллюски – 0,15–0,26 % меди; 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 около 100 мг меди (наибольшая концентрация в печени – около 5 мг на 100 г сухой массы). Суточная потребность составляет 3–5 мг. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах – стимулируют кроветворную функцию костного мозга, влияют на обмен углеводов, минеральных веществ. При дефиците меди в организме развивается анемия, нарушается образование костей и соединительной ткани; избыточное накопление меди вызывает нарушения функций печени, дыхательных путей, почечную недостаточность и др.

Все соли меди токсичны; раздражают слизистые оболочки, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевания печени. При вдыхании пыли меди развивается хроническое отравление.

Получение

Бо́льшую часть металлической меди получают из сульфидных руд, которые, как правило, содержат 0,5–1,2 % меди. Размолотую руду подвергают флотационному обогащению; полученный концентрат содержит до 15 % меди. Основным методом извлечения меди из концентратов является пирометаллургический, в котором после обогащения концентрат подвергают окислительному обжигу при 1400 °С:

$CuFeS_{2} + O_{2} = Cu_{2}S + 2FeS + SO_{2}$;

$2FeS + 3O_{2} = 2FeO + 2SO_{2}$.

При обжиге удаляют избыточное количество S в форме газов, содержащих 5–8 % SO₂ и используемых для производства H₂SO₄. Обжиг проводят в печах в кипящем слое с применением дутья, обогащённого O₂ (24–26 % 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:

$FeO+SiO_{2}=FeSiO_{3}$.

Образующийся шлак – FeSiO₃ – всплывает, и его удаляют из печи непрерывно. Оставшийся на дне штейн (сплав Cu₂S, FeS и сульфидов других металлов, обогащённый Cu₂S) подвергают кислородной плавке в конвертере; при этом оставшийся сульфид железа FeS окисляется до оксида и в результате добавления кремнезёма выводится из процесса в виде FeSiO₃. Сульфид меди Cu₂S частично окисляется до оксида Cu₂O. В конвертере (без дутья) происходит взаимодействие Cu₂O и Cu₂S, оставшихся в расплаве:

$2Cu_{2}O + Cu_{2} S= 6Cu + SO_{2}$.

Получаемая «черновая» медь содержит 90–95 % основного компонента и подлежит дальнейшей очистке методом огневого рафинирования путём окисления примесей различных металлов. Из получаемой «красной» меди (95–98 % основного компонента) отливают аноды, используемые для электролитического рафинирования меди. В качестве электролита используют водный раствор медного купороса CuSO₄; катодом служат тонкие листы из чистой меди. В процессе электролиза высокочистая «электролитическая» медь (99,99 %) осаждается на катодах, примеси собираются в виде анодного шлама, который содержит ценные примеси – металлические Ag, Au, Pt, а также значительные количества халькогенидов меди Cu₂S, Cu₂Se, Cu₂Te, подлежащих промышленной переработке.

Наряду с пирометаллургическим методом получения меди, большое значение имеют гидрометаллургические методы (особенно для бедных окисленных и самородных руд), основанные на избирательном растворении медьсодержащего сырья в разбавленных растворах H₂SO₄ или NH₃ с последующим выделением меди из раствора (электролитическим способом или осаждением железом). Большое значение имеет переработка вторичного сырья, из которого в ряде стран получают более 30 % производимой меди. Мировое производство меди 25,3 млн т/год (2020).

Применение

Использование меди в промышленности связано в первую очередь с её высокими тепло- и электропроводностью, пластичностью. До 50 % меди применяется в электротехнике (изготовление проводов, кабелей, шин, контактов и других токопроводящих частей электрических установок). Все примеси понижают электропроводность меди, поэтому в электротехнике используют металл, содержащий не менее 99,99 % основного компонента. Высокие теплопроводность и антикоррозионные свойства позволяют изготавливать из меди детали теплообменников, криогенных установок, вакуумных аппаратов и др. Более 30 % меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых – бронзы, латуни, мельхиор. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Около 10–12 % меди (главным образом в виде солей) используется для приготовления красок, инсектофунгицидов, микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, в медицине (антисептические и вяжущие средства), а также в кожевенной и меховой промышленности, в производстве искусственного шёлка. Медь и её сплавы используются для изготовления монет, украшений, утвари, кованых, литых и других художественных изделий.