Химические элементы

Медь

Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы короткой формы (11-й группы длинной формы) ; атомный номер 29, атомная масса 63,546; относится к . В природе два стабильных : 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 играли важную роль в развитии материальной культуры человечества (, ). Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что этот металл встречается в природе в свободном состоянии в виде , иногда значительных размеров, которые имеют большее распространение в природе по сравнению с самородками других металлов (в том числе ). Кроме того, благодаря способности легко восстанавливаться из 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 в начале 7-го тыс. до н. э. использовалась металлургическая медь. Латинское название меди произошло от названия о. , где уже в 3 в. до н. э. существовали медные рудники, с которых римляне вывозили руду.

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 ; около 15 % меди находится в виде кислородсодержащих соединений (, , и т. п.), являющихся продуктами выветривания первичных сульфидных . Медь образует более 250 минералов; важнейшими промышленными минералами являются (медный колчедан) CuFeS2, CuS, (медный блеск) Cu2S, Cu5FeS4, Cu2O, CuCO3·Cu(OH)2, CuCO3·2Cu(OH)2. Содержание меди в 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 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.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома меди 3d104s1; в соединениях проявляет +1 и +2 (наиболее типична), редко +3; по Полингу 1,9; Cu0→Cu+→Cu2+→Cu3+ соответственно равны 745,5, 1957,9 и 3555,0 кДж/моль; 135 пм (эмпирический). Ионные радиусы в пм (в скобках указаны ): 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. гранецентрированная кубическая; tпл 1084,62 °C; tкип 2567 °C, плотность 8920 кг/м3 (20 °С). Наиболее важные используемые свойства меди: высокая – 400 Вт/(м·К), малое удельное – 1,7·10–8 Ом·м (при 20 °С). Температурный 16,5·10–6 К–1. Медь , удельная –0,086·10–9 м3/кг. 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 меди; растворённый в меди существенно ухудшает её механические свойства.

Образец медиОбразец 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 (образуя галогениды CuHal2 и CuHal, где Hal – F, Cl, Br, I), с серой и с , горит в парах серы. С водородом, и 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 : NO, N2O (с образованием Cu2O) и NO2 (с образованием CuO). Карбиды Cu2C3 и CuC2 получают действием на аммиачные растворы солей меди. С большинством металлов медь образует или . Медь вытесняется из солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используют ) 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 2Cu+Cu2++Cu02Cu^{+} → Cu^{2+} + Cu^{0}. Соли Cu(II) хорошо растворяются в воде, в разбавленных кислотах полностью . ионы Cu2+ окрашены в голубой цвет. Соли Cu(I) и Cu(II) с рядом молекул и ионов образуют многочисленные устойчивые , 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 .

Биологическая роль

Медь – необходимый для поддержания жизни растений и животных . В биохимических процессах медь участвует в качестве активатора или в составе медьсодержащих белков (например, ) и ферментов (например, ). 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 (например, моллюски – 0,15–0,26 % меди; у большинства из них кислород переносится не , а более эффективными в средах с пониженным содержанием кислорода медьсодержащими белками – ). 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 , нарушается образование костей и соединительной ткани; избыточное накопление меди вызывает нарушения функций печени, дыхательных путей, и др.

Все соли меди ; 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 обогащению; полученный концентрат содержит до 15 % меди. Основным методом извлечения меди из концентратов является , в котором после обогащения концентрат подвергают окислительному обжигу при 1400 °С:

CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2CuFeS_{2} + O_{2} = Cu_{2}S + 2FeS + SO_{2};

2FeS+3O2=2FeO+2SO22FeS + 3O_{2} = 2FeO + 2SO_{2}.

При обжиге удаляют избыточное количество S в форме газов, содержащих 5–8 % SO2 и используемых для производства H2SO4. проводят в печах в кипящем слое с применением , обогащённого O2 (24–26 % O2), без затрат углеродистого топлива. Затем обожжённый концентрат подвергают (в печах отражательного типа) на штейн, при этом в расплав для связывания оксида железа добавляют :

FeO+SiO2=FeSiO3FeO+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 ; 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:

2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO22Cu_{2}O + Cu_{2} S= 6Cu + SO_{2} .

Получаемая «черновая» медь содержит 90–95 % основного компонента и подлежит дальнейшей очистке методом огневого путём окисления примесей различных металлов. Из получаемой «красной» меди (95–98 % основного компонента) отливают , используемые для меди. В качестве используют водный раствор медного купороса CuSO4; служат тонкие листы из чистой меди. В процессе электролиза высокочистая «электролитическая» медь (99,99 %) осаждается на катодах, примеси собираются в виде анодного , 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 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 , , вакуумных аппаратов и др. Более 30 % меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых – , , . В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Около 10–12 % меди (главным образом в виде солей) используется для приготовления , инсектофунгицидов, , окислительных процессов, в ( 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.

Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2011.
  • Группа 11 (IB, IB)
  • Подгруппа меди
  • d-элементы