Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


МЕДЬ

МЕДЬ (лат. Cuprum-от назв. о. Кипр, где в древности добывали медную руду) Сu, хим. элемент I гр. периодич. системы, ат. н. 29, ат. м. 63,546. Прир. медь состоит из смеси двух стабильных изотопов 63Сu (69,09%) и 65Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для прир. смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu03001-3.jpgСu+3001-4.jpgСu2 + 3001-5.jpgСu3+ соотв. равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; сродство к электрону 1,8 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,9; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координац. числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ.

Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиол. процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека ок. 0,001 мг/л.

В земной коре медь встречается в осн. в виде соед. с S (св. 90% мировых запасов и добычи меди) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисл. минералов меди (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь. Медные руды по минера-логич. составу м. б. подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Cu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллич.), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллич., помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Осн. мировые запасы меди (кроме СССР) сосредоточены в Сев. Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Юж. Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд (без СССР) составляют 847,6 млн. т, в т. ч. доказанные 447,4 млн. т.

Свойства. Медь-пластичный, розовато-красный металл с характерным металлич. блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллич. решетка гранецентрированная кубич., а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт. Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотн. 8,92 г/см3, жидкой при 1100 0С-8,36 г/см3, при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотн. 8,9331 г/см3; C0р 24,44 ДжДмоль • К), ур-ние температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р = 4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)ДжДмоль.К); DH0пл 13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/молъ, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 ДжДмоль.К); ур-ние температурной зависимости давления пара над жидкой медью: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т (1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медью не превышает 133,32 Па. Температурный коэф. линейного расширения 1,7.10-5 К-1 (273-323 К), ур-ние температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + + 3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%. Наиб. важные и широко используемые св-ва меди-ее высокая теплопроводность и малое электрич. сопротивление:

3001-6.jpg

Температурный коэф. r 4,3-10~3 К-1 (273-373 К). Медь диамагнитна, уд. магн. восприимчивость -0,66.10-6. Для жидкой меди у (в мН/м): 1120 (1413 К), 1160 (1473 К), 1226 (1573 К); h (в мПа.с): 4,0 (1356,9 К), 8,6 (1373 К), 3,41 (1418 К).

Медь-мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; sраст 220 МПа; относит. удлинение 60%, относит. уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэф. Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом предел прочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрич. проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести меди возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву-в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость меди, S, О2 - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрич. проводимость меди.

Медь растворяет Н2, к-рый существенно ухудшает ее мех. св-ва ("водородная болезнь"). Р-римость Н2 при 0,1 МПа (в см3 на 1 кг меди):

3001-7.jpg

Стандартный электродный потенциал для р-ции Сu2+ + + 2е3001-8.jpgСu равен 0,339 В, для р-ции Cu+ + e3001-9.jpgСu 0,515 В. Хим. активность меди невелика. В сухом воздухе при комнатной т-ре медь почти не окисляется. При нагр. тускнеет из-за образования пленки меди оксидов. Заметное взаимод. с О2 воздуха начинается ок. 200 °С по схеме: Сu3001-10.jpgСu2О3001-11.jpgСuО. Сначала при т-ре до 377 °С образуется Сu2О, а выше 377 °С- двухслойная окалина, внутр. слой к-рой состоит из Сu2О, внешний-из СuО. Во влажном воздухе в присут. СО2 на пов-сти меди образуется зеленоватая пленка Cu(OH)2 x х СuСО3, в присут. SO2-пленка CuSO4 • 3Cu(OH)2, в среде H2S-черная пленка сульфида CuS.

Медь не реагирует с Н2, N2, С, Si. При пропускании NH3 над раскаленной медью образуется Cu3N, в аналогичных условиях при контакте с парами S, Se, H2S, оксидами азота на пов-сти меди образуются соотв. сульфиды, селениды, оксиды. При сплавлении с S медь дает Cu2S, с Se и Те -соотв. селениды и теллуриды. Медь активно реагирует с галогенами, образуя соответствующие соли (см. Меди хлориды). С соляной к-той, разб. H2SO4, СН3СООН медь взаимод. только в присут. окислителей, образуя соответствующие соли Cu(II). В HNO3

Медь раств. с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц. H2SO4-c образованием CuSO4 и SO2 ,в конц. р-рах цианидов - давая комплекс состава [Cu(CN)2]-.

Соли Cu(I) бесцв., практически не раств. в воде, легко окисляются; Cu(I) склонна к диспропорционированию: 2Cu+ 3001-12.jpgCu2+ + Сu0. Соли Cu(II), напротив, хорошо раств. в воде, в разб. р-рах полностью диссоциированы. Аквака-тионы [Сu(Н2О)4]2 + придают водному р-ру голубой цвет. При введении NaOH в р-ры солей Cu(II) сначала выпадает Сu(ОН)2 (см. Меди гидроксиды), а в очень конц. р-рах NaOH образуется Na2[Cu(OH)4]. В р-рах соед. Cu(II) при действии Na2CO3 или К2СО3 осаждаются основные карбонаты mCuCO3.Cu(OH)2 (см. Меди карбонаты), при избытке оса-дителя они раств. с образованием комплексов, напр. К2[Сu(СО3)2].ЗН2О. При обработке аммиачных р-ров солей меди ацетиленом получают карбид СuС2. Ионы меди количественно восстанавливаются до металла др. более электроотрицат. металлами.

Соли Cu(I) и Cu(II) с рядом молекул и ионов (NH3, CN-, Сl- и др.) образуют устойчивые комплексные соед., напр. (NH4)2[CuBr3], K3[Cu(CN)4], K2[CuCl4], аммиакаты; коор-динац. числа для Сu(I)-2, 3, 4, для Сu(II)-3, 4, 6. Путем образования комплексных соед. можно перевести в р-р многие нерастворимые соли меди. Известны соед. Cu(III)- неустойчивые, сильные окислители, примеры-KCuO2, K3[CuF6]. Наиб. важным соед. меди посвящены отдельные статьи, см., напр., Меди ацетаты, Меди нитрат, Меди сульфат, Медь-органические соединения.

Получение. Осн. сырье для получения меди-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из к-рого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой меди. В связи с невысоким содержанием меди в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, напр. цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание меди в медных концентратах достигает 18-45%.

Осн. кол-во меди (85-88%) получают по пирометаллургич. схемам, к-рые, как правило, включают след. последовательные стадии: обжиг концентрата, плавку, конвертирование, рафинирование. Обжиг проводят при переработке высокосернистых и полиметаллич. концентратов. При обжиге удаляют избыточное кол-во S в форме газов, содержащих 5-8% SO2 и используемых для произ-ва H2SO4, и переводят часть примесей (Fe, Zn, As, Pb и др.) в формы, переходящие при послед. плавке в шлак. Обжиг проводят в печах "кипящего слоя" с применением дутья, обогащенного О2 (24-26% О2), без затрат углеродистого топлива. Продукт обжига - огарок -плавят в печах отражательного типа, реже - электропечах. Богатые медью руды плавили в шахтных печах, в настоящее время этот способ имеет подчиненное значение. Перечисл. способы плавки связаны с расходом (10-18% от массы шихты) углеродистого топлива (прир. газ, мазут, кокс) или электроэнергии (350-450 кВт.ч на 1 т шихты).

В процессе плавки образуются 2 жидкие фазы-сплав сульфидов меди, Fe, цветных металлов (штейн; 22-45% Сu) и сплав оксидов металлов и силикатов (шлак; 0,4-0,7% Сu), к-рые не смешиваются друг с другом. Шлаки складируют или используют при произ-ве строит. материалов. Осваиваются автогенные процессы плавки, использующие тепло экзотермич. р-ций окисления сульфидов; концентраты обрабатывают в атмосфере О2, воздуха, обогащенного О2, или подогретого воздуха. Высокая производительность, получение богатых медью штейнов (до 75% Сu) и концентрированных по SO2 газов, миним. расход углеродистого топлива-достоинства, определяющие автогенные процессы как перспективное направление в развитии пирометаллургии меди. Важнейшие способы автогенной плавки-кислородно-факельная, взвешенная, отражательная, электроплавка, плавка в жидкой ванне, процессы "Норанда", "Мицубиси".

Расплав штейна (в осн. Cu2S • FeS) направляют на кон-вертирование - продувку сжатым воздухом с целью количеств. окисления FeS и его ошлакования в присут. кварцевого флюса (первая стадия процесса), окисления Cu2S и макс. удаления S и большинства примесей (вторая стадия):

3001-13.jpg

При конвертировании используют тепло экзотермических р-ций окисления, конечный продукт-черновая медь (98,5-99,3% Сu).

Черновую медь рафинируют огневым, а затем электрохим. способом. Огневое рафинирование основано на большем, чем у меди, сродстве большинства металлов-примесей к кислороду, что позволяет при продувке расплава воздухом окислить и ошлаковать количественно Fe, S, Zn, Pb и, частично, Ni, As, Sb, Bi. Для удаления кислорода расплав меди обрабатывают восстановителем (прир. конверсир. газ, сырая древесина). Готовый металл (>=99,5% Сu) разливают в формы, удобные для проведения электролиза. Полученные отливки служат анодами. Электролитич. рафинирование проводят в сернокислых р-рах при наложении постоянного тока; в процессе электролиза осуществляется непрерывная циркуляция подогреваемого (57-67°С) р-ра, медь осаждают на катодных основах, получаемых также электролизом в спец. матричных ваннах при условиях, обеспечивающих осаждение чистого металла. Для получения ровного катодного осадка требуемой текстуры в электролит вводят ПАВ. Катодную медь (>=99,94% Сu) переплавляют и разливают в формы, удобные для послед. обработки прокаткой, волочением. При растворении анодов ряд примесей (As, Fe, Ni, Sb) накапливается в электролите, поэтому часть его выводят из циркуляц. цикла (заменяя равным объемом р-ра H2SO4) и направляют на переработку для получения техн. сортов медного и никелевого купоросов. Нерастворимые включения анода образуют дисперсный продукт - шлам, в к-ром концентрируются благородные и редкие металлы. Этот продукт специально перерабатывают в шламовом цикле. Анодные остатки (выход их 15-18% от массы анода) возвращают на переплавку в цикл огневого рафинирования.

При пирометаллургич. переработке медного концентрата извлекают до 96-98% меди и благородных металлов, однако степень извлечения сопутствующих элементов (S, Zn, Ni, Pb) гораздо ниже, a Fe полностью теряется со шлаком.

Многие проблемы пирометаллургич. произ-ва меди (экологическая из-за повыш. тепло-, пыле- и газовыделения, взры-воопасность в случае контакта расплава штейна с водой и др.) устраняются при использовании гидрометаллургич. технологии. Она включает: селективное выщелачивание меди из сырья, чаще всего р-ром H2SO4 или NH3; очистку р-ра от примесей и извлечение сопутствующих ценных элементов (Zn, Co, Ni, Cd и др.); выделение меди. При переработке бедных р-ров (0,5-12,0 г/л меди) используют цементацию на железном скрапе и экстракцию с послед. электрохим. осаждением меди. Из богатых р-ров (30-40 г/л меди) медь извлекают чаще электролизом или автоклавным осаждением водородом (127-197 °С, давление Н2 1,5-2,5 МПа). В последнем случае медь получают в форме порошка (>=99,6% меди). Гидрометаллургич. схемы эффективны при извлечении меди из бедных руд методами подземного, кучного, чанового выщелачивания, в т. ч. с использованием биохим. окисления сульфидов; остатки от выщелачивания смешанных руд обогащают флотацией. Рациональна переработка полиметаллич. концентратов, вторичного сырья, особенно при небольшом объеме произ-ва. В этом случае весьма перспективно автоклавное выщелачивание при повыш. т-рах (137-197 °С) и давлении кислородсодержащего газа-окислителя (давление О2 0,2-1,0 МПа), обеспечивающее значит. интенсификацию процесса, получение более чистых р-ров и элементной S при окислении сульфидов. Гидрометаллургич. схемы позволяют более комплексно использовать сырье, проще обеспечить экологич. и пром. санитарию. Внедрение их сдерживается из-за недостаточной интенсивности, повыш. эксплуатац. затрат и др.

Определение. Соед. меди в смеси с содой и углем в пламени горелки образуют красный металлич. королек, р-римый в HNO3. Р-ры, содержащие ионы Сu2+ , при добавлении NH3 приобретают синюю окраску (чувствительность 0,007 мг/л); при добавлении K4[Fe(CN)6] выпадает красно-коричневый осадок (чувствительность 0,0001 мг/л); при взаимод. с Na2S или (NH4)2S образуется черный осадок CuS. Для количеств. определения меди используют гравиметрич., объемный, комплексонометрич., амперометрич., кондуктометрич., по-лярографич., потенциометрич., радиоактивац., эмиссионный, спектральный методы анализа. При повыш. содержании меди ее определяют объемным иодометрич. или более точным электрогравиметрич. методом. Для определения малых кол-в меди используют фотометрич. метод с дити-зоном, купфероном, диэтилдитиокарбаматом Na (чувствительность 0,02-0,002 мг/л), атомно-абсорбционный (кислородно-водородное пламя, l = 324,7 нм, чувствительность 0,01-0,0015 мг/л). При определении содержания меди в сточных водах дополнительно используют флуоресцентный (чувствительность 0,002 мг/л), спектральный (0,002-0,003 мг/л), хроматографич. (0,07 мг/л) методы анализа.

Применение. Широкое применение меди в пром-сти обусловлено рядом ее ценных св-в и прежде всего высокой электрич. проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% меди используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрич. установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из к-рых - бронзы, латуни, мельхиор и др. (см. Меди сплавы). Медь и ее сплавы используют также для изготовления художеств. изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значит. кол-во меди(10-12%) применяют в виде разл. соед. в медицине (антисептич. и вяжущие ср-ва), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.

Мировое произ-во меди (без СССР) ок. 7,5 млн. т, в т.ч. из вторичного сырья-1,15 млн. т/год (1985). Осн. страны-производители рафинированной меди (1985): США (1,7 млн. т), Япония (1,1), Чили (0,9), Канада (0,8), Замбия (0,53), Заир (0,5).

Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли меди развивается хронич. отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м3, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.

Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.


===
Исп. литература для статьи «МЕДЬ»: Набойченко С. С., Смирнов В. И., Гидрометаллургия меди, М., 1974; Металлургия меди, никеля, кобальта, 2 изд., ч. 1, М., 1977; Онаев И. А., Жакибаев Б. К., Медь в истории цивилизации, А.-А., 1983; Ванюков А. В., Уткин Н. И., Комплексная переработка медного и никелевого сырья, М., 1988; Ванюков А. В. [и др.], Плавка в жидкой ванне, М., 1988; Подчайно-ва В.Н., Симонова Л.Н., Медь, М., 1990. С. С. Набойченко.

Страница «МЕДЬ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн