Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

МЕДЬ

  • рубрика

    Рубрика: Химия

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 19. Москва, 2011, стр. 522-523

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




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. $3d^{10}4s^1$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния +1 и +2 (наи­бо­лее ти­пич­на), ред­ко +3; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,9; энер­гии ио­ни­за­ции $\ce{Cu0→Cu+→Cu^2+→Cu^3+}$ 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); $\ce{Cu^2+}$ 71 (4); 87 (6); $\ce{Cu^3+}$ 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 $\ce{Cu^2+}$ 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.

Лит.: Ме­тал­лур­гия ме­ди, ни­ке­ля и ко­баль­та. 2-е изд. М., 1977. Ч. 1; Под­чай­но­ва В. Н., Си­мо­но­ва Л. Н. Медь. М., 1990; Не­ор­га­ни­че­ская хи­мия / Под ред. Ю. Д. Треть­я­ко­ва. М., 2007. Т. 3. Кн. 2.

Вернуться к началу