Химические свойства меди
Медь (Cu) относится к d-элементам и расположена в IB группе периодической таблицы Д.И.Менделеева. Электронная конфигурация атома меди в основном состоянии записывается виде 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 вместо предполагаемой формулы 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 4s 2 . Другими словами, в случае атома меди наблюдается так называемый «проскок электрона» с 4s-подуровня на 3d-подуровень. Для меди, кроме нуля, возможны степени окисления +1 и +2. Степень окисления +1 склонна к диспропорционированию и стабильна лишь в нерастворимых соединениях типа CuI, CuCl, Cu 2 O и т. д., а также в комплексных соединениях, например, Cl и OH. Соединения меди в степени окисления +1 не имеют конкретной окраски. Так, оксид меди (I) в зависимости от размеров кристаллов может быть темно-красный (крупные кристаллы) и желтый (мелкие кристаллы), CuCl и CuI — белыe, а Cu 2 S — черно-синий. Более химически устойчивой является степень окисления меди, равная +2. Соли, содержащие медь в данной степени окисления, имеют синюю и сине-зеленую окраску.
Медь является очень мягким, ковким и пластичным металлом с высокой электро- и теплопроводностью. Окраска металлической меди красно-розовая. Медь находится в ряду активности металлов правее водорода, т.е. относится к малоактивным металлам.
с кислородом
В обычных условиях медь с кислородом не взаимодействует. Для протекания реакции между ними требуется нагрев. В зависимости от избытка или недостатка кислорода и температурных условий может образовать оксид меди (II) и оксид меди (I):
с серой
Реакция серы с медью в зависимости от условий проведения может приводить к образованию как сульфида меди (I), так и сульфида меди (II). При нагревании смеси порошкообразных Cu и S до температуры 300-400 о С образуется сульфид меди (I):
При недостатке серы и проведении реакции при температуре более 400 о С образуется сульфид меди (II). Однако, более простым способом получения сульфида меди (II) из простых веществ является взаимодействие меди с серой, растворенной в сероуглероде:
Данная реакция протекает при комнатной температуре.
с галогенами
С фтором, хлором и бромом медь реагирует, образуя галогениды с общей формулой CuHal 2 , где Hal – F, Cl или Br:
Cu + Br 2 = CuBr 2
В случае с йодом — самым слабым окислителем среди галогенов — образуется иодид меди (I):
С водородом, азотом, углеродом и кремнием медь не взаимодействует.
с кислотами-неокислителями
Кислотами-неокислителями являются практически все кислоты, кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. Поскольку кислоты-неокислители в состоянии окислить только металлы, находящиеся в ряду активности до водорода; это означает, что медь с такими кислотами не реагирует.
с кислотами-окислителями
— концентрированной серной кислотой
С концентрированной серной кислотой медь реагирует как при нагревании, так и при комнатной температуре. При нагревании реакция протекает в соответствии с уравнением:
Поскольку медь не является сильным восстановителем, сера восстанавливается в данной реакции только до степени окисления +4 (в SO 2).
— с разбавленной азотной кислотой
Реакция меди с разбавленной HNO 3 приводит к образованию нитрата меди (II) и монооксида азота:
3Cu + 8HNO 3 (разб.) = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
— с концентрированной азотной кислотой
Концентрированная HNO 3 легко реагирует с медью при обычных условиях. Отличие реакции меди с концентрированной азотной кислотой от взаимодействия с разбавленной азотной кислотой заключается в продукте восстановления азота. В случае концентрированной HNO 3 азот восстанавливается в меньшей степени: вместо оксида азота (II) образуется оксид азота (IV), что связано с большей конкуренцией между молекулами азотной кислоты в концентрированной кислоте за электроны восстановителя (Cu):
Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
с оксидами неметаллов
Медь реагирует с некоторыми оксидами неметаллов. Например, с такими оксидами, как NO 2 , NO, N 2 O медь окисляется до оксида меди (II), а азот восстанавливается до степени окисления 0, т.е. образуется простое вещество N 2:
В случае диоксида серы, вместо простого вещества (серы) образуется сульфид меди(I). Связано это с тем, что медь с серой, в отличие от азота, реагирует:
с оксидами металлов
При спекании металлической меди с оксидом меди (II) при температуре 1000-2000 о С может быть получен оксид меди (I):
Также металлическая медь может восстановить при прокаливании оксид железа (III) до оксида железа (II):
с солями металлов
Медь вытесняет менее активные металлы (правее нее в ряду активности) из растворов их солей:
Cu + 2AgNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2Ag↓
Также имеет место интересная реакция, в которой медь растворяется в соли более активного металла – железа в степени окисления +3. Однако противоречий нет, т.к. медь не вытесняет железо из его соли, а лишь восстанавливает его со степени окисления +3 до степени окисления +2:
Fe 2 (SO 4) 3 + Cu = CuSO 4 + 2FeSO 4
Cu + 2FeCl 3 = CuCl 2 + 2FeCl 2
Последняя реакция используется при производстве микросхем на стадии травления медных плат.
Коррозия меди
Медь со временем подвергается коррозии при контакте с влагой, углекислым газом и кислородом воздуха:
2Cu + H 2 O + СО 2 + О 2 = (CuOН) 2 СO 3
В результате протекания данной реакции медные изделия покрываются рыхлым сине-зеленым налетом гидроксокарбоната меди (II).
Химические свойства цинка
Цинк Zn находится в IIБ группе IV-го периода. Электронная конфигурация валентных орбиталей атомов химического элемента в основном состоянии 3d 10 4s 2 . Для цинка возможна только одна единственная степень окисления, равная +2. Оксид цинка ZnO и гидроксид цинка Zn(ОН) 2 обладают ярко выраженными амфотерными свойствами.
Цинк при хранении на воздухе тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида ZnO. Особенно легко окисление протекает при высокой влажности и в присутствии углекислого газа вследствие протекания реакции:
2Zn + H 2 O + O 2 + CO 2 → Zn 2 (OH) 2 CO 3
Пар цинка горит на воздухе, а тонкая полоска цинка после накаливания в пламени горелки сгорает в нем зеленоватым пламенем:
При нагревании металлический цинк также взаимодействует с галогенами, серой, фосфором:
С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует.
Цинк реагирует с кислотами-неокислителями с выделением водорода:
Zn + H 2 SO 4 (20%) → ZnSO 4 + H 2
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
Особенно легко растворяется в кислотах технический цинк, поскольку содержит в себе примеси других менее активных металлов, в частности, кадмия и меди. Высокочистый цинк по определенным причинам устойчив к воздействию кислот. Для того чтобы ускорить реакцию, образец цинка высокой степени чистоты приводят в соприкосновение с медью или добавляют в раствор кислоты немного соли меди.
При температуре 800-900 o C (красное каление) металлический цинк, находясь в расплавленном состоянии, взаимодействует с перегретым водяным паром, выделяя из него водород:
Zn + H 2 O = ZnO + H 2
Цинк реагирует также и с кислотами-окислителями: серной концентрированной и азотной.
Цинк как активный металл может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу и даже сероводород.
Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Состав продуктов восстановления азотной кислоты определяется концентрацией раствора:
Zn + 4HNO 3 (конц.) = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
3Zn + 8HNO 3 (40%) = 3Zn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
4Zn +10HNO 3 (20%) = 4Zn(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
5Zn + 12HNO 3 (6%) = 5Zn(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O
4Zn + 10HNO 3 (0,5%) = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
На направление протекания процесса влияют также температура, количество кислоты, чистота металла, время проведения реакции.
Цинк реагирует с растворами щелочей, при этом образуются тетрагидроксоцинкаты и водород:
Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2
Zn + Ba(OH) 2 + 2H 2 O = Ba + H 2
С безводными щелочами цинк при сплавлении образует цинкаты и водород:
В сильнощелочной среде цинк является крайне сильным восстановителем, способным восстанавливать азот в нитратах и нитритах до аммиака:
4Zn + NaNO 3 + 7NaOH + 6H 2 O → 4Na 2 + NH 3
Благодаря комплексообразованию цинк медленно растворяется в растворе аммиака, восстанавливая водород:
Zn + 4NH 3 ·H 2 O → (OH) 2 + H 2 + 2H 2 O
Также цинк восстанавливает менее активные металлы (правее него в ряду активности) из водных растворов их солей:
Zn + CuCl 2 = Cu + ZnCl 2
Zn + FeSO 4 = Fe + ZnSO 4
Химические свойства хрома
Хром - элемент VIB группы таблицы Менделеева. Электронная конфигурация атома хрома записывается как 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 , т.е. в случае хрома, также как и в случае атома меди, наблюдается так называемый «проскок электрона»
Наиболее часто проявляемыми степенями окисления хрома являются значения +2, +3 и +6. Их следует запомнить, и в рамках программы ЕГЭ по химии можно считать, что других степеней окисления хром не имеет.
При обычных условиях хром устойчив к коррозии как на воздухе, так и в воде.
Взаимодействие с неметаллами
с кислородом
Раскаленный до температуры более 600 o С порошкообразный металлический хром сгорает в чистом кислороде образуя окcид хрома (III):
4Cr + 3O 2 = o t => 2Cr 2 O 3
с галогенами
С хлором и фтором хром реагирует при более низких температурах, чем с кислородом (250 и 300 o C соответственно):
2Cr + 3F 2 = o t => 2CrF 3
2Cr + 3Cl 2 = o t => 2CrCl 3
С бромом же хром реагирует при температуре красного каления (850-900 o C):
2Cr + 3Br 2 = o t => 2CrBr 3
с азотом
С азотом металлический хром взаимодействует при температурах более 1000 o С:
2Cr + N 2 = o t => 2CrN
с серой
С серой хром может образовывать как сульфид хрома (II) так и сульфид хрома (III), что зависит от пропорций серы и хрома:
Cr + S = o t => CrS
2Cr + 3S = o t => Cr 2 S 3
С водородом хром не реагирует.
Взаимодействие со сложными веществами
Взаимодействие с водой
Хром относится к металлам средней активности (расположен в ряду активности металлов между алюминием и водородом). Это означает, что реакция протекает между раскаленным до красного каления хромом и перегретым водяным паром:
2Cr + 3H 2 O = o t => Cr 2 O 3 + 3H 2
Взаимодействие с кислотами
Хром при обычных условиях пассивируется концентрированными серной и азотной кислотами, однако, растворяется в них при кипячении, при этом окисляясь до степени окисления +3:
Cr + 6HNO 3(конц.) =t o => Cr(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
2Cr + 6H 2 SO 4(конц) =t o => Cr 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
В случае разбавленной азотной кислоты основным продуктом восстановления азота является простое вещество N 2:
10Cr + 36HNO 3(разб) = 10Cr(NO 3) 3 + 3N 2 + 18H 2 O
Хром расположен в ряду активности левее водорода, а это значит, что он способен выделять H 2 из растворов кислот-неокислителей. В ходе таких реакций в отсутствие доступа кислорода воздуха образуются соли хрома (II):
Cr + 2HCl = CrCl 2 + H 2
Cr + H 2 SO 4(разб.) = CrSO 4 + H 2
При проведении же реакции на открытом воздухе, двухвалентный хром мгновенно окисляется содержащимся в воздухе кислородом до степени окисления +3. При этом, например, уравнение с соляной кислотой примет вид:
4Cr + 12HCl + 3O 2 = 4CrCl 3 + 6H 2 O
При сплавлении металлического хрома с сильными окислителями в присутствии щелочей хром окисляется до степени окисления +6, образуя хроматы :
Химические свойства железа
Железо Fe, химический элемент, находящийся в VIIIB группе и имеющий порядковый номер 26 в таблице Менделеева. Распределение электронов в атоме железа следующее 26 Fe1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 , то есть железо относится к d-элементам, поскольку заполняемым в его случае является d-подуровень. Для него наиболее характерны две степени окисления +2 и +3. У оксида FeO и гидроксида Fe(OH) 2 преобладают основные свойства, у оксида Fe 2 O 3 и гидроксида Fe(OH) 3 заметно выражены амфотерные. Так оксид и гидроксид железа (lll) в некоторой степени растворяются при кипячении в концентрированных растворах щелочей, а также реагируют с безводными щелочами при сплавлении. Следует отметить что степень окисления железа +2 весьма неустойчива, и легко переходит в степень окисления +3. Также известны соединения железа в редкой степени окисления +6 – ферраты, соли не существующей «железной кислоты» H 2 FeO 4 . Указанные соединения относительно устойчивы лишь в твердом состоянии, либо в сильнощелочных растворах. При недостаточной щелочности среды ферраты довольно быстро окисляют даже воду, выделяя из нее кислород.
Взаимодействие с простыми веществами
С кислородом
При сгорании в чистом кислороде железо образует, так называемую, железную окалину , имеющую формулу Fe 3 O 4 и фактически представляющую собой смешанный оксид, состав которого условно можно представить формулой FeO∙Fe 2 O 3 . Реакция горения железа имеет вид:
3Fe + 2O 2 =t o => Fe 3 O 4
С серой
При нагревании железо реагирует с серой, образуя сульфид двухвалентого железа:
Fe + S =t o => FeS
Либо же при избытке серы дисульфид железа :
Fe + 2S =t o => FeS 2
С галогенами
Всеми галогенами кроме йода металлическое железо окисляется до степени окисления +3, образуя галогениды железа (lll):
2Fe + 3F 2 =t o => 2FeF 3 – фторид железа (lll)
2Fe + 3Cl 2 =t o => 2FeCl 3 – хлорид железа (lll)
Йод же, как наиболее слабый окислитель среди галогенов, окисляет железо лишь до степени окисления +2:
Fe + I 2 =t o => FeI 2 – йодид железа (ll)
Следует отметить, что соединения трехвалентного железа легко окисляют иодид-ионы в водном растворе до свободного йода I 2 при этом восстанавливаясь до степени окисления +2. Примеры, подобных реакций из банка ФИПИ:
2FeCl 3 + 2KI = 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl
2Fe(OH) 3 + 6HI = 2FeI 2 + I 2 + 6H 2 O
Fe 2 O 3 + 6HI = 2FeI 2 + I 2 + 3H 2 O
С водородом
Железо с водородом не реагирует (с водородом из металлов реагируют только щелочные металлы и щелочноземельные):
Взаимодействие со сложными веществами
Взаимодействие с кислотами
С кислотами-неокислителями
Так как железо расположено в ряду активности левее водорода, это значит, что оно способно вытеснять водород из кислот-неокислителей (почти все кислоты кроме H 2 SO 4 (конц.) и HNO 3 любой концентрации):
Fe + H 2 SO 4 (разб.) = FeSO 4 + H 2
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Нужно обратить внимание на такую уловку в заданиях ЕГЭ, как вопрос на тему того до какой степени окисления окислится железо при действии на него разбавленной и концентрированной соляной кислоты. Правильный ответ – до +2 в обоих случаях.
Ловушка здесь заключается в интуитивном ожидании более глубокого окисления железа (до с.о. +3) в случае его взаимодействия с концентрированной соляной кислотой.
Взаимодействие с кислотами-окислителями
С концентрированными серной и азотной кислотами в обычных условиях железо не реагирует по причине пассивации. Однако, реагирует с ними при кипячении:
2Fe + 6H 2 SO 4 = o t => Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 = o t => Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
Обратите внимание на то, что разбавленная серная кислота окисляет железо до степени окисления +2, а концентрированная до +3.
Коррозия (ржавление) железа
На влажном воздухе железо весьма быстро подвергается ржавлению:
4Fe + 6H 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3
С водой в отсутствие кислорода железо не реагирует ни в обычных условиях, ни при кипячении. Реакция с водой протекает лишь при температуре выше температуры красного каления (>800 о С). т.е..
В периодической системе элементов Д.И.Менделеева медь расположена в I группе 4-го периода, её порядковый номер 29. Атомная масса 63,54. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах их окисления в природе и в технологических процессах более устойчивым является двухвалентное состояние.
Температура плавления меди 1083 0 С. Температура кипения – 2325 0 С.
Медь – мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета, легко поддается механической обработке. Легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку.
Важнейшее свойство - электропроводность (уступает только серебру). Примеси снижают электропроводность, поэтому в электротехнике применяют медь высокой степени чистоты.
Также медь отличается высокой теплопроводностью.
В химическом отношении медь малоактивна, хотя может непосредственно соединяться с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.
При обычной температуре и сухом воздухе медь остается инертной, но во влажном воздухе, содержащем СО 2 , медь окисляется и покрывается защитной пленкой основного карбоната СuCO 3 ·Cu(OH) 2 , являющегося ядовитым веществом.
В растворах соляной и серной кислот в отсутствии окислителя медь не растворяется. В кислотах, одновременно являющихся окислителями (азотная или горячая концентрированная серная), медь растворяется легко.
При высоких температурах в пирометаллургических процессах устойчивыми соединениями меди являются Cu 2 O и Cu 2 S.
Медь и её сульфид Cu 2 S являются хорошими коллекторами (растворителями) золота и серебра, что делает возможным их высокое попутное извлечение при производстве меди.
Важное свойство меди – образовывать сплавы с другими металлами. Это бронзы (Cu + Sn), латуни (Cu + Zn) медно-никелевые сплавы.
В современных бронзах в качестве присадок используют алюминий, кремний, бериллий, свинец. Применяются эти бронзы для изготовления ответственных деталей и литых изделий.
Например, бериллиевые бронзы (2% Ве) по механическим свойствам превосходят многие сорта стали и имеют хорошую электропроводность. Алюминиевые бронзы (5-10% Al) очень прочны и идут на изготовление авиационных двигателей.
В специальные латуни, кроме цинка, добавляют алюминий, железо, кремний, никель. Латуни идут на изготовление радиаторов, труб, гибких шлангов, патронных гильз, художественных изделий.
Из медно-никелевых сплавов наиболее известны мельхиор (применяется в кораблестроении, т.к. устойчив к воздействию морской воды) и нейзильбер – стоек в растворах солей и органических кислот (изготавливают медицинские инструменты).
Около 50% всей меди использует электропромышленность. Также медь используется в машиностроении, ракетной технике, при производстве строительных материалов, в транспорте, химической промышленности, сельском хозяйстве.
1.3 Сырье для получения меди
Кларк меди, т.е. её содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако она образует многочисленные месторождения. Характерным для меди является наличие в природе всех 4-х типов руд. Однако основным медным сырьем являются сульфидные руды. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85-90% всей первичной меди.
В России медные руды добывают на Урале – Кировград, Красноуральск, Медногорск, Гай и др., в Заполярье – на Кольском полуострове и на Таймыре.
Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения - концентраты - и вторичное сырье. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится около 40 % от общего выпуска меди.
Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим. Монометаллических руд меди в природе нет. Ценными спутниками меди в рудном сырье являются около 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото, серебро, металлы платиновой группы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, таллий, молибден, железо.
Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются редко. Наибольшее промышленное значение имеет небольшая группа минералов, состав которых приведен в таблице 2.
Таблица 2 – Промышленные медные минералы
|
химическая | ||
|
Сульфидные минералы |
||
|
халькопирит | ||
|
ковеллин | ||
|
халькозин | ||
|
Окисленные минералы |
||
|
CuCO 3 ·Cu(OH) 2 | ||
|
CuCO 3 · 2Cu(OH) 2 | ||
|
хризоколла |
CuSiO 3 ·2H 2 O | |
|
самородная медь |
Cu, Ag, Au, Fe, Bi и др. | |
Бóльшая часть медных руд добывается в настоящее время открытым способом. В России на долю подземной добычи приходится около 30%.
В современной практике обычно разрабатывают руды с содержанием 0,8-1,5% меди, иногда выше. Но для крупных месторождений вкрапленных руд минимальное содержание меди, пригодное для разработки, составляет 0,4-0,5%. Если в породе содержится меньше указанного количества меди, её переработка нерентабельна.
Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких – селена, теллура, рения, висмута и др.
Вследствие низкого содержания меди в руде и комплексного характера руд сырье предварительно подвергают флотационному обогащению. При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% Cu (чаще 10-30%). Также получают пиритные концентраты и концентраты других цветных металлов, например цинковый. Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью 74 мкм и влажностью 8-10%.
Медные руды и концентраты имеют одинаковый минералогический состав и отличаются лишь количественным соотношениями между различными минералами. Физико-химические основы их металлургической переработки совершенно одинаковы.
Древние греки называли этот элемент халкосом, на латинском она именуется cuprum (Сu) или aes, а средневековые алхимики именовали этот химический элемент не иначе как Марс или Венера. Человечество давно познакомилось с медью за счет того, что в природных условиях ее можно было встретить в виде самородков, имеющих зачастую весьма внушительные размеры.
Легкая восстанавливаемость карбонатов и окислов данного элемента поспособствовала тому, что именно его, по мнению многих исследователей, наши древние предки научились восстанавливать из руды раньше всех остальных металлов.
Сначала медные породы просто-напросто нагревали на открытом огне, а затем резко охлаждали. Это приводило к их растрескиванию, что давало возможность выполнять восстановление металла.
Освоив столь нехитрую технологию, человек начал постепенно развивать ее. Люди научились вдувать при помощи мехов и труб в костры воздух, затем додумались устанавливать вокруг огня стены. В конце концов, была сконструирована и первая шахтная печь.
Многочисленные археологические раскопки позволили установить уникальный факт – простейшие медные изделия существовали уже в 10 тысячелетии до нашей эры! А более активно медь начала добываться и использоваться через 8–10 тысяч лет. Именно с тех пор человечество применяет этот уникальный по многим показателям (плотность, удельный вес, магнитные характеристики и так далее) химический элемент для своих нужд.
В наши дни медные самородки встречаются крайне редко. Медь добывают из различных , среди которых можно выделить следующие:
- борнит (в нем купрума бывает до 65 %);
- медный блеск (он же халькозин) с содержанием меди до 80 %;
- медный колчедан (иначе говоря – халькоперит), содержащий порядка 30 % интересующего нас химического элемента;
- ковеллин (в нем Cu бывает до 64 %).
Также купрум добывают из малахита, куприта, иных оксидных руд и еще без малого из 20 минералов, содержащих ее в различных количествах.
2
В простом виде описываемый элемент представляет собой металл розовато-красного оттенка, характеризуемый высокими пластичными возможностями. Природный купрум включает в себя два нуклида со стабильной структурой.
Радиус положительно заряженного иона меди имеет следующие значения:
- при координационном показателе 6 – до 0,091 нм;
- при показателе 2 – до 0,060 нм.
А нейтральный атом элемента характеризуется радиусом 0,128 нм и сродством к электрону 1,8 эВ. При последовательной ионизации атом имеет величины от 7,726 до 82,7 эВ.
Купрум является переходным металлом, поэтому он имеет переменные степени окисления и малый показатель электроотрицательности (1,9 единиц по шкале Полинга). (коэффициент) равняется 394 Вт/(м*К) при температурном интервале от 20 до 100 °С. Электропроводность меди (удельный показатель) составляет максимум 58, минимум 55,5 МСм/м. Более высокой величиной характеризуется лишь серебро, электропроводность других металлов, в том числе и алюминия, ниже.
Медь не может вытеснять водород из кислот и воды, так как в стандартном потенциальном ряду она стоит правее водорода. Описываемый металл характеризуется гранецентрированной кубической решеткой с величиной 0,36150 нм. Кипит медь при температуре 2657 градусов, плавится при температуре чуть больше 1083 градусов, а ее плотность равняется 8,92 грамм/кубический сантиметр (для сравнения – плотность алюминия равняется 2,7).
Другие механические свойства меди и важные физические показатели:
- давление при 1628 °С – 1 мм рт. ст.;
- термическая величина расширения (линейного) – 0,00000017 ед.;
- при растяжении достигается предел прочности равный 22 кгс/мм2;
- твердость меди – 35 кгс/мм2 (шкала Бринелля);
- удельный вес – 8,94 г/см3;
- модуль упругости – 132000 Мн/м2;
- удлинение (относительное) – 60 %.
Магнитные свойства меди в какой-то мере уникальны. Элемент полностью диамагнитен, показатель его магнитной атомной восприимчивости составляет всего лишь 0,00000527 ед. Магнитные характеристики меди (впрочем, как и все ее физические параметры – вес, плотность и пр.) обуславливают востребованность элемента для изготовления электротехнических изделий. Примерно такие же характеристики имеются и у алюминия, поэтому они с описываемым металлом составляют "сладкую парочку", используемую для производства проводниковых деталей, проводов, кабелей.
Многие механические показатели меди изменить практически нереально (те же магнитные свойства, например), а вот предел прочности рассматриваемого элемента можно улучшить посредством выполнения наклепа. В данном случае он повысится примерно в два раза (до 420–450 МН/м2).
3
Купрум в системе Менделеева включен в группу благородных металлов (IB), находится он в четвертом периоде, имеет 29 порядковый номер, имеет склонность к комплексообразованию. Химические характеристики меди не менее важны, чем ее магнитные, механические и физические показатели, будь то ее вес, плотность либо иная величина. Поэтому мы будем говорить о них подробно.
Химическая активность купрума мала. Медь в условиях сухой атмосферы изменяется незначительно (можно даже сказать, что почти не изменяется). А вот при повышении влажности и наличии в окружающей среде углекислого газа на ее поверхности обычно формируется пленка зеленоватого оттенка. В ней присутствует CuCO3 и Cu(OH)2, а также различные сернистые медные соединения. Последние образовываются из-за того, что в воздухе практически всегда есть некоторое количество сероводорода и сернистого газа. Указанную зеленоватую пленку именуют патиной. Она защищает от разрушения металл.
Если медь нагреть на воздухе, начнутся процессы окисления ее поверхности. При температурах от 375 до 1100 градусов в результате окисления образуется двухслойная окалина, а при температуре до 375 градусов – оксид меди. При обычной же температуре обычно наблюдается соединение Cu с влажным хлором (итог такой реакции – появление хлорида).
С иными элементами группы галогенов медь также взаимодействует достаточно легко. В парах серы она загорается, высокий уровень сродства она имеет и к селену. Зато с углеродом, азотом и водородом Сu не соединяется даже при повышенных температурах. При контакте оксида меди с серной кислотой (разбавленной) получается сульфат и чистая медь, с иодоводородной и бромоидоводородной кислотой – иодид и бромид меди соответственно.
Если же оксид соединить с той или иной щелочью, результатом химической реакции станет появление купрата. А вот самые известные восстановители (оксид углерода, аммиак, метан и другие) способны восстановить купрум до свободного состояния.
Практический интерес представляет способность этого металла вступать в реакцию с солями железа (в виде раствора). В этом случае фиксируется восстановление железа и переход Cu в раствор. Данная реакция применяется для снятия с декоративных изделий напыленного слой меди.
В одно- и двухвалентных формах медь способна создавать комплексные соединения с высоким показателем устойчивости. К таким соединениям относят аммиачные смеси (они представляют интерес для промышленных предприятий) и двойные соли.
4
Главная сфера применения алюминия и меди известна, пожалуй, всем. Из них делают разнообразные кабели, в том числе и силовые. Способствует этому малое сопротивление алюминия и купрума, их особые магнитные возможности. В обмотках электрических приводов и в трансформаторах (силовых) широко используются медные провода, которые характеризуются уникальной чистотой меди, являющейся исходным сырьем для их выпуска. Если в такое чистейшее сырье добавить всего лишь 0,02 процента алюминия, электропроводимость изделия уменьшится процентов 8–10.
Сu, имеющий высокую плотность и прочность, а также малый вес, прекрасно поддается механической обработке. Это позволяет производить отличные медные трубы, которые демонстрируют свои высокие эксплуатационные характеристики в системах подачи газа, отопления, воды. Во многих европейских государствах именно медные трубы используются в подавляющем большинстве случаев для обустройства внутренних инженерных сетей жилых и административных строений.
Мы много сказали об электропроводимости алюминия и меди. Не забудем и об отличной теплопроводности последней. Данная характеристика дает возможность использовать медь в следующих конструкциях:
- в тепловых трубках;
- в кулерах персональных компьютеров;
- в отопительных системах и системах охлаждения воздуха;
- в теплообменниках и многих других устройствах, отводящих тепло.
Плотность и небольшой вес медных материалов и сплавов обусловили и их широкое применение в архитектуре.
5
Понятно, что плотность меди, ее вес и всевозможные химические и магнитные показатели, по большому счету, мало интересуют обычного человека. А вот целебные свойства меди хотят узнать многие.
Древние индийцы применяли медь для лечения органов зрения и различных недугов кожных покровов. Древние греки излечивали медными пластинками язвы, сильную отечность, синяки и ушибы, а также и более серьезные болезни (воспаления миндалин, врожденную и приобретенную глухоту). А на востоке медный красный порошок, растворенный в воде, применялся для восстановления сломанных костей ног и рук.
Лечебные свойства меди были хорошо известны и россиянам. Наши предки излечивали с помощью этого уникального металла холеру, эпилепсию, полиартриты и радикулиты. В настоящее время для лечения обычно используются медные пластинки, которые накладываются на специальные точки на теле человека. Целебные свойства меди при такой терапии проявляются в следующем:
- защитный потенциал организма человека возрастает;
- инфекционные болезни не страшны тем, кто лечится медью;
- наблюдается снижение болевых ощущений и снятие воспалительных явлений.
Свойства меди, которая в природе встречается и в виде достаточно крупных самородков, люди изучили еще в древние времена, когда из этого металла и его сплавов делали посуду, оружие, украшения, различные изделия бытового назначения. Активное использование данного металла на протяжении многих лет обусловлено не только его особыми свойствами, но и простотой обработки. Медь, которая присутствует в руде в виде карбонатов и окислов, достаточно легко восстанавливается, что и научились делать наши древние предки.
Изначально процесс восстановления этого металла выглядел очень примитивно: медную руду просто нагревали на кострах, а затем подвергали резкому охлаждению, что приводило к растрескиванию кусков руды, из которых уже можно было извлекать медь. Дальнейшее развитие такой технологии привело к тому, что в костры начали вдувать воздух: это повышало температуру нагревания руды. Затем нагрев руды стали выполнять в специальных конструкциях, которые и стали первыми прототипами шахтных печей.
О том, что медь используется человечеством с древних времен, свидетельствуют археологические находки, в результате которых были найдены изделия из данного металла. Историками установлено, что первые изделия из меди появились уже в 10 тысячелетии до н.э, а наиболее активно она стала добываться, перерабатываться и использоваться спустя 8–10 тысяч лет. Естественно, предпосылками к такому активному использованию данного металла стали не только относительная простота его получения из руды, но и его уникальные свойства: удельный вес, плотность, магнитные свойства, электрическая, а также удельная проводимость и др.
В наше время уже сложно найти в виде самородков, обычно ее добывают из руды, которая подразделяется на следующие виды.
- Борнит - в такой руде медь может содержаться в количестве до 65%.
- Халькозин, который также называют медным блеском. В такой руде меди может содержаться до 80%.
- Медный колчедан, также называемый халькопиритом (содержание до 30%).
- Ковеллин (содержание до 64%).
Медь также можно извлекать из множества других минералов (малахит, куприт и др.). В них она содержится в разных количествах.
Физические свойства
Медь в чистом виде представляет собой металл, цвет которого может варьироваться от розового до красного оттенка.
Радиус ионов меди, имеющих положительный заряд, может принимать следующие значения:
- если координационный показатель соответствует 6-ти - до 0,091 нм;
- если данный показатель соответствует 2 - до 0,06 нм.
Радиус атома меди составляет 0,128 нм, также он характеризуется сродством к электрону, равном 1,8 эВ. При ионизации атома данная величина может принимать значение от 7,726 до 82,7 эВ.
Медь - это переходный металл, показатель электроотрицательности которого составляет 1,9 единиц по шкале Полинга. Кроме этого, его степень окисления может принимать различные значения. При температурах, находящихся в интервале 20–100 градусов, его теплопроводность составляет 394 Вт/м*К. Электропроводность меди, которую превосходит лишь серебро, находится в интервале 55,5–58 МСм/м.
Так как медь в потенциальном ряду стоит правее водорода, она не может вытеснять этот элемент из воды и различных кислот. Ее кристаллическая решетка имеет кубический гранецентрированный тип, величина ее составляет 0,36150 нм. Плавится медь при температуре 1083 градусов, а температура ее кипения - 26570. Физические свойства меди определяет и ее плотность, которая составляет 8,92 г/см3.
Из ее механических свойств и физических показателей стоит также отметить следующие:
- термическое линейное расширение - 0,00000017 единиц;
- предел прочности, которому медные изделия соответствуют при растяжении, составляет 22 кгс/мм2;
- твердость меди по шкале Бринелля соответствует значению 35 кгс/мм2;
- удельный вес 8,94 г/см3;
- модуль упругости составляет 132000 Мн/м2;
- значение относительного удлинения равно 60%.
Совершенно уникальными можно считать магнитные свойства данного металла, который является полностью диамагнитным. Именно эти свойства, наряду с физическими параметрами: удельным весом, удельной проводимостью и другими, в полной мере объясняют широкую востребованность данного металла при производстве изделий электротехнического назначения. Похожими свойствами обладает алюминий, который также успешно используется при производстве различной электротехнической продукции: проводов, кабелей и др.
Основную часть характеристик, которыми обладает медь, практически невозможно изменить, за исключением предела прочности. Данное свойство можно улучшить практически в два раза (до 420–450 МН/м2), если осуществить такую технологическую операцию, как наклеп.
Химические свойства
Химические свойства меди определяются тем, какое положение она занимает в таблице Менделеева, где она имеет порядковый номер 29 и располагается в четвертом периоде. Что примечательно, она находится в одной группе с благородными металлами. Это лишний раз подтверждает уникальность ее химических свойств, о которых следует рассказать более подробно.
В условиях невысокой влажности медь практически не проявляет химическую активность. Все меняется, если изделие поместить в условия, характеризующиеся высокой влажностью и повышенным содержанием углекислого газа. В таких условиях начинается активное окисление меди: на ее поверхности формируется зеленоватая пленка, состоящая из CuCO3, Cu(OH)2 и различных сернистых соединений. Такая пленка, которая называется патиной, выполняет важную функцию защиты металла от дальнейшего разрушения.
Окисление начинает активно происходить и тогда, когда изделие подвергается нагреву. Если металл нагреть до температуры 375 градусов, то на его поверхности формируется оксид меди, если выше (375-1100 градусов) - то двухслойная окалина.
Медь достаточно легко реагирует с элементами, которые входят в группу галогенов. Если металл поместить в пары серы, то он воспламенится. Высокую степень родства он проявляет и к селену. Медь не вступает в реакцию с азотом, углеродом и водородом даже в условиях высоких температур.
Внимание заслуживает взаимодействие оксида меди с различными веществами. Так, при его взаимодействии с серной кислотой образуется сульфат и чистая медь, с бромоводородной и иодоводородной кислотой - бромид и иодид меди.
Иначе выглядят реакции оксида меди с щелочами, в результате которых образуется купрат. Получение меди, при котором металл восстанавливается до свободного состояния, осуществляют при помощи оксида углерода, аммиака, метана и других материалов.
Медь при взаимодействии с раствором солей железа переходит в раствор, при этом железо восстанавливается. Такая реакция используется для того, чтобы снять напыленный медный слой с различных изделий.
Одно- и двухвалентная медь способна создавать комплексные соединения, отличающиеся высокой устойчивостью. Такими соединениями являются двойные соли меди и аммиачные смеси. И те и другие нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.
Области применения меди
Применение меди, как и наиболее схожего с ней по своим свойствам алюминия, хорошо известно - это производство кабельной продукции. Медные провода и кабели, характеризуются невысоким электрическим сопротивлением и особыми магнитными свойствами. Для производства кабельной продукции применяются виды меди, характеризующиеся высокой чистотой. Если в ее состав добавить даже незначительное количество посторонних металлических примесей, к примеру, всего 0,02% алюминия, то электрическая проводимость исходного металла уменьшится на 8–10%.
Невысокий и ее высокая прочность, а также способность поддаваться различным видам механической обработки - это те свойства, которые позволяют производить из нее трубы, успешно использующиеся для транспортировки газа, горячей и холодной воды, пара. Совершенно не случайно именно подобные трубы применяются в составе инженерных коммуникаций жилых и административных зданий в большинстве европейских стран.
Медь, кроме исключительно высокой электропроводности, отличается способностью хорошо проводить тепло. Благодаря этому свойству она успешно используется в составе следующих систем.