Медь и её свойства
Министерство
образования и науки РФ
РЕФЕРАТ
«МЕДЬ И ЕЁ СВОЙСТВА»
Выполнил:
Проверил:
2007
год
МЕДЬ (лат.
Cuprum), Cu (читается «купрум»), химический элемент I группы периодической
системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.
1.Общая
характеристика меди.
Природная медь
состоит из двух стабильных нуклидов 63Cu (69,09% по массе) и 65Cu
(30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди
3s2p6d104s1. Образует соединения в
степенях окисления +2 (валентность II) и +1 (валентность I), очень редко
проявляет степени окисления +3 и +4.
В периодической системе
Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой
относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au).
Радиус нейтрального
атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu+ от 0,060 нм (координационное
число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu2+ — от 0,071
нм (координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии
последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ.
Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга
электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов.
Стандартный электродный потенциал Cu/Cu2+ 0,339 В. В ряду
стандартных потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни
из кислот водорода не вытесняет.
Простое вещество
медь — красивый розовато-красный пластичный металл.
Название: латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus),
где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения
этого слова в русском языке нет.
2.Физические и
химические свойства:
Кристаллическая
решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, параметр решетки а =
0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см3, температура плавления 1083,4°C,
температура кипения 2567°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из
самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических
сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10–3 Ом·м).
В сухой атмосфере
медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в
присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH)2·CuCO3.
Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в
составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые
соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из
меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от
дальнейшего разрушения. Для создания на художественных предметах «налета
старины» на них наносят слой меди, который затем специально патинируется.
При нагревании на
воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности
оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид CuO.
Красновато-коричневый
оксид меди (I) Cu2O при растворении в бромо- и иодоводородной
кислотах образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI.
При взаимодействии Cu2O с разбавленной серной кислотой возникают
медь и сульфат меди:
Cu2O + H2SO4
= Cu + CuSO4 + H2O.
При нагревании на
воздухе или в кислороде Cu2O окисляется до CuO, при нагревании в
токе водорода - восстанавливается до свободного металла.
CuO + H2SO4
= CuSO4 + H2O
При сплавлении со
щелочами CuO образуются купраты, например:
CuO + 2NaOH = Na2CuO2
+ H2O
Нагревание Cu2O
в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:
Cu2O =
CuO + Cu.
Такие
восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие
восстанавливают CuO до свободной меди, например:
CuO + СО = Cu + СО2.
Кроме оксидов меди
Cu2O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu2O3,
обладающий сильными окислительными свойствами.
Медь реагирует с
галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с медью с образованием
темно-коричневого дихлорида CuCl2. Существуют также дифторид меди
CuF2 и дибромид меди CuBr2, но дииодида меди нет. И CuCl2,
и CuBr2 хорошо растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и
образуют голубые растворы.
При реакции CuCl2
с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый в воде хлорид
меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной соляной кислоте,
причем образуются комплексные анионы [CuCl2]–, [CuCl3]2–
и [СuCl4]3–, например за счет процесса:
CuCl + НCl = H[CuCl2]
При сплавлении меди
с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu2S. Сульфид меди
(II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через
раствор соли меди (II):
H2S +
CuSO4 = CuS + H2SO4
C водородом,
азотом, графитом, кремнием медь не реагирует. При контакте с водородом медь
становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди) из-за растворения
водорода в этом металле.
В присутствии
окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с соляной кислотой
и разбавленной серной кислотой, но водород при этом не выделяется:
2Cu + 4HCl + O2 =
2CuCl2 + 2H2O.
С азотной кислотой
различных концентраций медь реагирует довольно активно, при этом образуется
нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например, с 30%-й азотной
кислотой реакция меди протекает так:
3Cu + 8HNO3
= 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
С концентрированной
серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:
Cu + 2H2SO4
= CuSO4 + SO2 + 2H2O.
2FeCl3 +
Cu = CuCl2 + 2FeCl2
Этот процесс
травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости
удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы меди Cu2+
легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)]2+.
При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2
в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.
Гидроксид меди
Cu(OH)2 характеризуется преобладанием основных свойств. Он реагирует
с кислотами с образованием соли и воды, например:
Сu(OH)2
+ 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O.
Но Сu(OH)2
реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом образуются
соответствующие купраты, например:
Сu(OH)2
+ 2NaOH = Na2[Cu(OH)4]
Если в
медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH)2 или
основного сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается
растворение целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы.
Из этого раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят
применение при производстве бельевого трикотажа и различных тканей.
3.Нахождение в
природе
В земной коре
содержание меди составляет около 5·10–3% по массе. Очень редко медь встречается
в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной
Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит,
или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди),
халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4
(52-65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu2O,
(81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие.
Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в
промышленных масштабах.
Различных руд меди
много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды
добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью
исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых,
кроме меди, присутствуют железо (Fe), цинк (Zn), свинец (Pb), и другие металлы.
Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен,
теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для
промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет
немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно
1·10–8 % меди.
4.Получение
Промышленное
получение меди — сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для
отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения.
Полученный концентрат (содержит 18-45% меди по массе) подвергают обжигу в печи
с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок - твердое вещество,
содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в
отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака,
образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до
40-50%. Далее штейн подвергают конвертированию — через расплавленный штейн
продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый
флюс (песок SiO2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне
как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в
виде сернистого газа SO2:
2FeS + 3O2
+ 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2
Одновременно
сульфид меди (I) Cu2S окисляется:
2Cu2S +
3О2 = 2Cu2О + 2SO2
Образовавшийся на
этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S:
2Cu2О +
Cu2S = 6Cu + SО2
В результате
возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди
составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают
рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том,
что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси
более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с
кислородом и переходят в оксидные шлаки. На заключительной стадии медь
подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом
черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой
очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди,
выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в
электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.
5.Применение
С 20 века главное
применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины
добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных
проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за
высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников
и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике — для
нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы,
для изготовления клише в полиграфии и др.
Большое значение
имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы (сплавы с
разными элементами, главным образом металлами — оловом (Sn), алюминием (Al),
бериллием (Be), свинцом (Pb), кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и никеля
(Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В
зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях
техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а
также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые
монетные сплавы (медь с "алюминием (Al) и медь с никелем (Ni)) применяют
для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих
монетного серебра и монетного золота.
6.Биологическая
роль
Медь присутствует
во всех организмах и принадлежит к числу микроэлементов, необходимых для их
нормального развития (см. Биогенные элементы). В растениях и животных
содержание меди варьируется от 10–15 до 10–3%. Мышечная ткань человека содержит
1·10–3% меди, костная ткань — (1-26)·10–4 %, в крови присутствует 1,01 мг/л
меди. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг
меди. Основная роль меди в тканях растений и животных - участие в
ферментативном катализе. Медь служит активатором ряда реакций и входит в состав
медьсодержащих ферментов, прежде всего оксидаз, катализирующих реакции
биологического окисления. Медьсодержащий белок пластоцианин участвует в
процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий белок, гемоцианин, выполняет роль
гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так как медь токсична, в животном
организме она находится в связанном состоянии. Значительная ее часть входит в
состав образующегося в печени белка церулоплазмина, циркулирующего с током
крови и деставляющего медь к местам синтеза других медьсодержащих белков.
Церулопламин обладает также каталитической активностью и участвует в реакциях
окисления. Медь необходима для осуществления различных функций организма —
дыхания, кроветворения (стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина),
обмена углеводов и минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как
растений, так и животных и человека. С пищей человек ежедневно получает 0,5-6
мг меди.
Сульфат меди и
другие соединения меди используют в сельском хозяйстве в качестве
микроудобрений и для борьбы с различными вредителями растений. Однако при
использовании соединений меди, при работах с ними нужно учитывать, что они
ядовиты. Попадание солей меди в организм приводит к различным заболеваниям
человека. ПДК для аэрозолей меди составляет 1 мг/м3, для питьевой
воды содержание меди должно быть не выше 1,0 мг/л.