Самородная медь встречается редко, в основном медь находится в земной коре в виде сульфидов. Медные песчанники и сланцы не представляют собой одной конкретной руды, они являются битумообразным мергелем (мергель — осадочная горная порода смешанного глинисто-карбонатного состава), в котором равномерно распределено несколько различных руд меди. В природе, медь, в основном, представлена такими минералами:
Cu2O – куприт, красная медная руда;
Cu2СO3(OH)2 – малахит;
2CuСO3·Cu(OH)2 – азурит;
Cu2S – халькозин, медный блеск;
(CuFe)S2 – халькопирит, медный колчедан;
(Cu3Fe)S3 – борнит, цветной медный колчедан;
CuS – ковеллин.
Для растений медь – важнейший микроэлемент. Веществом, окрашивающим кровь молюсков, является органическое соединение меди гемоцианин.
Получение меди.
1. Восстановление оксидных руд коксом;
2. Из сульфидных руд; металлургический процесс состоит в следующем. Сульфидные руды переплавляют в шахтных печах на медный штейн Cu2S, FeS и другие сульфиды, например NiS, Ag2S). Из него производят черновую медь:
Cu2S + O2 = 2Cu + SO2
Процесс проводят в конверторах при вдувании воздуха через фурмы; отходящий газ SO2 подают на производство серной кислоты. Из черновой меди путем переплавки ее в окислительной атмосфере получается рафинированная медь, пригодная для большинства технических целей. Для получения особо чистого металла проводят очистку электролитическим способом (побочными продуктами будут серебро, селен, сульфат никеля и др.)
3. Восстановлением меди из растворов солей с помощью цинка, железа или алюминия (см. фото), получают порошкообразную медь (красного цвета), например:
3CuSO4 + 2Al = 3Cu + Al2(SO4)3;
3Cu2+ + 2Al0 = 3Cu0 + 2Al3+
Флотация. Руды, перед выплавкой из них металла отделяют от пустой породы – процесс обогащения руды. Наиболееэффективное обогащение руды достигается флотацией.
Флотация (флотационное обогащение) – это способ разделения мелкоизмельченной смеси веществ, основанный на различной смачиваемости компонентов смеси. Смесь, подлежащая разделению, например руда, или пустая порода, взмучивается в воде, содержащей флотационные реагенты – коллектор (собиратель) и пенообразователь. Коллектор адсорбируется на поверхности одного из компонентов смеси (чаще всего частицы минерала) и тем самым делает его гидрофобным. При продувании воздуха через суспензию образуется пена, в которой собирается ставший гидрофобным компонент (полезный минерал), а другой компонент смеси (пустая порода) осаждается на дно реактора. В качестве коллекторов используют ксантогенаты, а в качестве пенообразователей – поверхностно-активные вещества.
Физические свойства меди.
Блестящий метал, имеющий красновато-желтую окраску.
Плотность металлической меди при 20°C составляет 8,95 г/см3. Температура плавления: 1080°C.
Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4Å.
Медь – второй (после серебра) металл по тепло- и электропроводности (с отличным температурным коэффициентом сопротивления 0,4%/°C). Электропроводность меди, при 20°C составляет 55,5-58 МСм/м.
Медь имеет два стабильных изотопа: 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.
По механическим свойствам, медь достаточно мягкий и ковкий металл. После ковки становится твердой, а посте закалки (нагревание и резкое охлаждение) – мягкой. Имеет хорошие литейные свойства. Ионы меди окрашивают пламя в зеленый цвет.
Химические свойства меди.
При 20°C и в отсутствии влаги и диоксида углерода, медь не реагирует с кислородом воздуха. При прокаливании меди на воздухе, на поверхности меди образуется хрупкая пленка черного цвета оксида меди (II); в присутствии влаги, диоксида углерода и других компонентов воздуха, с течением времени, на поверхности изделий из меди и ее сплавов образуется пленка (итал. патина) сначала от бурых до черных цветов (оксиды и сульфиды меди), а при более продолжительном хранеии во влажной почве например, образуется благородная патина зеленого цвета.
Медь – электроположительный (благородный) металл, в электрохимическом ряду напряжений стоит после водорода, поэтому переводится в раствор только кислотами-окислителями или в присутствии кислорода, перекиси водорода или другого окислителя:
Cu + HCl ≠ ; Cu + 2HCl + O2 = CuCl2 + 2H2O;
Cu + 2HCl + H2O2 = CuCl2 + 2H2O
6Cu + 12HCl + KClO3 = 6H[CuCl2] + 2KCl + 3H2O
С кислородом воздуха реагирует в зависимости от температуры и условий:
4Cu + O2 = 2Cu2O (при недостатке кислорода и 200°C)
2Cu + O2 = 2CuO (при избытке кислорода и 400°C)
С серной кислотой медь реагирует с образованием различных продуктов, в зависимости от условий:
• концентрированная холодная серная кислота
Cu + H2SO4 = CuO + SO2 + H2O
• концентрированная горячая серная кислота
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O
• безводная серная кислота при 200°C
2Cu + 2H2SO4 = Cu2SO4 + SO2 + 2H2O
• разбавленная серная кислота в присутствии кислорода воздуха при нагревании
2Cu + 2H2SO4 + O2 = 2CuSO4 + 2H2O
• расзбавленная серная кислота холодная
Cu + H2SO4 ≠
С азотной кислотой, медь реагирует с образованием смеси нитрозных газов. В зависимости от концентрации азотной кислоты, в смеси газообразных продуктов преобладают:
• концентрированная азотная кислота
Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
• разбавленная азотная кислота
3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Медь растворяется в водном растворе аммиака в присутствии кислорода с образованием аммиакатов:
2Cu + NH3·H2O + O2 → [Cu(NH3)2](OH)2 ⇄ [Cu(NH3)4](OH)2
Медь (порошкообразная) реагирует с хлором, бромом (в эфире) и серой (в жидком сероуглероде при комнатной температуре или при нагревании 300°C):
Cu + Cl2 = CuCl2; Cu + Br2 = CuBr2; Cu + S = CuS
Медь реагирует с оксидами неметаллов (при температурах 500-800°C):
4Cu + SO2 = Cu2S + 2CuO; 2Cu + 2NO = 2CuO + N2; 4Cu + 2NO2 = 4CuO + N2
Медь реагирует с цианидом калия с образованием дицианокупрата(I) калия:
2Cu + 4KCN + 2H2O = 2K[Cu(CN)2] + 2KOH + H2
Медь переходит в раствор реагируя с ионами Fe3+ и Cu2+
Cu + 2Fe3+ = Cu2+ + 2Fe2+; Cu + Cu2+ = 2Cu+
Применение меди.
Медь применяется как проводник в электротехнике, для изготовления охлаждающих труб в радиаторах и теплообменниках, в качестве катализатора при полимеризации ацетилена, как добавка к ювелирным сплавам на основе серебра и золота. Соединения меди применяют для создания антибактерицидных поверхностей, катализаторов при автокаталитической металлизации, меднении, латунировании, в виде сплавов при изготовлении деталей различных механизмов.
Сплавы на основе меди.
• латунь – сплавы на основе меди и цинка, в которых от 60% до 90% меди остальное цинк и примеси, при содержании меди около 80% – сплавытомпак;
• бронза – содержат медь и еще один или несколько металлов. В соответствии с добавкой различают оловянистую бронзу (до 10% олова), алюминиевую бронзу (до 11% алюминия), свинцовую бронзу (8-25% свинец, 5-10% олово), бериллиевую бронзу (до 5% бериллия), а также марганцевую и кремниевую бронзы, существует “фосфорная бронза” – бронза, дезоксидированная фосфором, содержит не более 0,5% фосфора. В марке бронзы БрОФ10-1 (10% олова и 1% фосфора);
• литейная бронза – Cu + до 11% Sn и до 5% Zn;
• нейзильбер – 45-67%Cu + 12-45 Zn + 10-26% Ni;
• твердый припой – Cu + 1-70% Ag плавится в интервале температур 600-1000°C;
• сплав Деварда – 50% Cu + 45% Al + 5% Zn используется в лабораторной практике как восстановитель;
• сплавы сопротивления (электрическое сопротивление почти не зависит от температуры): манганин – 82-84% Cu, 12-15% Mn + 2-4% Ni; константан – 57% Cu + 41% Ni + 1% Fe + 1% Mn; никелин – 56%Cu + 31% Ni + 13% Zn.
Соединения меди
Соединения меди (I)
Соединения меди (I) на воздухе почти всегда переходят в соединения меди (II). Устойчивыми являются: цианид меди (I) CuCN; тиоцианат меди (I) CuSCN; иодид меди (I) CuI; сульфид меди (I) Cu2S; оксид меди (I) Cu2O.
Оксид меди(I) Cu2O
Порошок красного цвета, выпадает в осадок из фелинговой жидкости при обнаружении альдегидов. Ранее применялся для изготовления выпрямителей электрического тока, сегодня используется только для окраски стекла и эмалей.
Хлорид меди(I) CuCl
Порошок белого цвета, не растворимый в воде.
Из органических соединений меди (I) наиболее известным является ацетиленид меди(I) Cu-C≡C-Cu.
Соединения меди (II).
Кристаллогидраты солей меди (II) (аквакомплексы) обычно окрашены в голубой или зеленый цвет, безводные соли – белые, оксид и сульфид – черные. Из растворов, содержащих катионы меди (II), железо и цинк осаждают медь в виде красно-коричневого порошка. Аммиачная вода окрашивает растворы солей меди (II) в интенсивно-синий цвет, присущий катиону тетраамминмеди(II) [Cu(NH3)4]2+.
Сульфат меди (II) CuSO4 – кристаллы белого цвета. Кристаллогидрат CuSO4·5H2O – кристаллы голубого цвета, хорошо растворимые в воде. При нагревании вода отщепляется до того как начнет разлагаться безводный сульфат меди (II). Безводный сульфат меди (II) при действии воды (даже в следовых количествах) снова окрашивается в голубой цвет, что используется для обнаружения воды, например в спиртах. CuSO4·5H2O – медный купорос, применяют как средство защиты растений (в смеси с известковым молоком) от виноградной тли. Кроме того он служит компонентом электролитических ванн для меднения и составной частью прядильных растворов в производстве ацетатного волокна.
Гидроксид меди (II) Cu(OH)2 выпадает в виде голубого хлопьевидного осадка из растворов Cu2+ при добавлении щелочей, при нагревании (даже в теплой воде), быстро разлагается до черного оксида меди (II).
Нитрат меди (II) Cu(NO3)2·3H2O используется для создания искусственной патины на медных изделиях.
Гидроксоацетаты меди (II) – сырье для производства медных красок (смесь известная под названием ярь-медянка). Карбонат, ортофосфат и арсенит меди (II) (последний чаще в составе так называемой швейнфуртской зелени включающей ацетат-ионы) осаждаются в результате обменных реакций из водного раствора в виде голубого или зеленого осадков.
Обнаружение.
Соединения меди окрашивают пламя газовой горелки, особенно после смачивания их хлороводородной кислотой в интенсивно-голубой или зеленый цвет. Соли меди (II) окрашивают в темно-синий цвет аммиачную воду.