Медь ( химический символ — Cu , от лат. Cu prum ) — химический элемент 11-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы первой группы, IB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 29.

В виде простого вещества медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки ).

C давних пор широко используется человеком.

История

Медь — один из первых металлов , хорошо освоенных человеком из-за доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Этот металл встречается в природе в самородном виде чаще, чем золото , серебро и железо . Одни из самых древних изделий из меди, а также шлак — свидетельство выплавки её из руд — найдены на территории Турции, при раскопках поселения Чатал-Гююк . Медный век , когда значительное распространение получили медные предметы, следует во всемирной истории за каменным веком . Экспериментальные исследования С. А. Семёнова с сотрудниками показали, что, несмотря на мягкость меди, медные орудия труда по сравнению с каменными дают значительный выигрыш в скорости рубки, строгания, сверления и распилки древесины, а на обработку кости затрачивается примерно такое же время, как для каменных орудий .

В древности медь применялась также в виде сплава с оловом — бронзы — для изготовления оружия и т. п., бронзовый век пришёл на смену медному. Сплав меди с оловом ( бронзу ) получили впервые за 3000 лет до н. э. на Ближнем Востоке. Бронза привлекала людей прочностью и хорошей ковкостью, что делало её пригодной для изготовления орудий труда и охоты, посуды, украшений. Все эти предметы находят в археологических раскопках. На смену бронзовому веку относительно орудий труда пришёл железный век .

Первоначально медь добывали из малахитовой руды, а не из сульфидной , так как она не требует предварительного обжига. Для этого смесь руды и угля помещали в глиняный сосуд, сосуд ставили в небольшую яму, а смесь поджигали. Выделяющийся угарный газ восстанавливал малахит до свободной меди:

${\displaystyle {\mathsf {2CO+(CuOH)_{2}CO_{3}\rightarrow 2Cu+3CO_{2}+H_{2}O}}}$

На Кипре уже в 3 тысячелетии до нашей эры существовали медные рудники и производилась выплавка меди.

Индейцы культуры Чонос ( Эквадор ) ещё в XV — XVI веках выплавляли медь с содержанием 99,5 % и употребляли её в качестве монеты в виде топориков 2 см по сторонам и 0,5 мм толщиной. Монета имела хождение по всему западному побережью Южной Америки, в том числе и в государстве Инков .

На территории России и сопредельных стран медные рудники появились за два тысячелетия до н. э. Остатки их находят на Урале (наиболее известное месторождение — Каргалы ), в Закавказье, в Сибири, на Алтае, на территории Украины.

В XIII—XIV вв. освоили промышленную выплавку меди. В Москве в XV в. был основан Пушечный двор , где отливали из бронзы орудия разных калибров. Много меди шло на изготовление колоколов. Из бронзы были отлиты такие произведения литейного искусства, как Царь-пушка (1586 г.), Царь-колокол (1735 г.), Медный всадник (1782 г.), в Японии была отлита статуя Большого Будды (храм Тодай-дзи ) (752 г.).

С открытием электричества в XVIII—XIX вв. большие объёмы меди стали идти на производство проводов и других связанных с ним изделий. И хотя в XX в. провода часто стали делать из алюминия, медь не потеряла значения в электротехнике .

Происхождение названия

Латинское название меди Cuprum ( древнелат. , ) произошло от названия острова Кипр , где было богатое месторождение.

У Страбона медь именуется , от названия города Халкиды на Эвбее . От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди ( санскр. ayas , готск. aiz , нем. , англ. ) означает руда или рудник.

Медь обозначалась алхимическим символом « ♀ » — « зеркало Венеры », и иногда сама медь именовалась алхимиками тоже как «венера». Это связано с тем, что богиня красоты Венера ( Афродита ), являлась богиней Кипра , и из меди делались зеркала. Этот символ Венеры также был изображён на брэнде Полевского медеплавильного завода , им с 1735 по 1759 годы клеймилась полевская медь, и изображён на современном гербе города Полевской . С Гумёшевским рудником Полевского , — крупнейшим в XVIII−XIX веках месторождением медных руд Российской империи на Среднем Урале , — связан известный персонаж сказов П. П. Бажова — Хозяйка медной горы , покровительница добычи малахита и меди. По одной из гипотез, она является преломлённым народным сознанием образом богини Венеры .

Русское слово медь (и медный ) встречается в древнейших русских литературных памятниках: ст.‑слав. *mědь , «медь» не имеет чёткой этимологии, возможно, исконное слово . В. И. Абаев предполагал, что, возможно, слово „ Медь “ произошло от названия страны Мидия : *Мѣдь из иранского Мādа — через посредство греч. Μηδία . Согласно этимологии М. Фасмера , слово «медь» родственно др-герм. smid «кузнец», smîdа «металл» .

Нахождение в природе

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (0,78-1,5)·10 ⁻⁴ % (по массе) . В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10 ⁻⁷ % и 10 ⁻⁷ % (по массе) соответственно .

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS ₂ , также известный как медный колчедан, халькозин Cu ₂ S и борнит Cu ₅ FeS ₄ . Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu ₂ O, азурит Cu ₃ (CO ₃ ) ₂ (OH) ₂ , малахит Cu ₂ CO ₃ (OH) ₂ . Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн . Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и сланцы . Наиболее известные из месторождений такого типа — Удокан в Забайкальском крае , Жезказган в Казахстане , меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии . Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси) .

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.

Физические свойства

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Наряду с осмием , цезием и золотом , медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку , пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра ). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5—58 МСм /м . Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления : 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком .

Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком , бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем и другие.

Атомная плотность меди (N0) = ${\displaystyle 8,52\cdot 10^{28}}$ (атом/м³).

Изотопы меди

Природная медь состоит из двух стабильных изотопов — ⁶³ Cu ( изотопная распространённость 69,1 %) и ⁶⁵ Cu (30,9 %). Известны более двух десятков нестабильных изотопов, самый долгоживущий из которых ⁶⁷ Cu с периодом полураспада 62 часа .

Получение

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия , гидрометаллургия и электролиз .

Пирометаллургический метод

• Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS ₂ . Халькопиритное сырьё содержит 0,5—2,0 % Cu. После флотационного обогащения исходной руды концентрат подвергают окислительному обжигу при температуре 1400 °C :

${\displaystyle {\mathsf {2CuFeS_{2}+O_{2}\longrightarrow Cu_{2}S+2FeS+SO_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {2FeS+3O_{2}\longrightarrow 2FeO+2SO_{2}\uparrow }}}$

Затем обожжённый концентрат подвергают плавке на штейн. В расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезём:

${\displaystyle {\mathsf {FeO+SiO_{2}\longrightarrow FeSiO_{3}}}}$

Образующийся силикат в виде шлака всплывает, и его отделяют. Оставшийся на дне штейн — сплав сульфидов FeS и Cu ₂ S — подвергают бессемеровской плавке. Для этого расплавленный штейн переливают в конвертер, в который продувают кислород. При этом оставшийся сульфид железа окисляется до оксида и с помощью кремнезёма выводится из процесса в виде силиката. Сульфид меди частично окисляется до оксида и затем восстанавливается до металлической (черновой) меди:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}S+3O_{2}\longrightarrow 2Cu_{2}O+2SO_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+Cu_{2}S\longrightarrow 6Cu+SO_{2}}}}$

Получаемая металлическая (черновая) медь содержит 90,95 % металла и подвергается дальнейшей электролитической очистке с использованием в качестве электролита подкислённого раствора медного купороса. Образующаяся на катоде электролитическая медь имеет высокую чистоту до 99,99 % и используется для изготовления проводов, электротехнического оборудования, а также сплавов.

• Также чистую медь можно получить и в процессе экзотермической реакции восстановления оксида меди водородом :

${\displaystyle {\mathsf {CuO+H_{2}\uparrow \longrightarrow Cu+H_{2}O+Q\uparrow }}}$

Гидрометаллургический метод

Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака ; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:

${\displaystyle {\mathsf {CuSO_{4}+Fe\longrightarrow Cu\downarrow +FeSO_{4}}}}$

Электролизный метод

Электролиз раствора сульфата меди :

${\displaystyle {\mathsf {CuSO_{4}\rightleftarrows Cu^{2+}+SO_{4}^{2-}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {K^{-}:Cu^{2+}+2e\longrightarrow Cu^{0}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {A^{+}:2H_{2}O-4e\longrightarrow O_{2}+4H^{+}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2CuSO_{4}+2H_{2}O\longrightarrow 2Cu\downarrow +O_{2}\uparrow +2H_{2}SO_{4}}}}$

Химические свойства

Возможные степени окисления

В соединениях медь проявляет две степени окисления: +1 и +2. Первая из них склонна к диспропорционированию и устойчива только в нерастворимых соединениях ( Cu ₂ O , CuCl , CuI и т. п.) или комплексах (например, [Cu(NH ₃ ) ₂ ] ⁺ ). Её соединения бесцветны. Более устойчива степень окисления +2, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях и комплексах можно получить соединения со степенью окисления +3, +4 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B ₁₁ H ₁₁ ) ₂ ³⁻ , полученных в 1994 году.

Простое вещество

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода . Является слабым восстановителем , не вступает в реакцию с водой и разбавленной соляной кислотой . Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами , « царской водкой », кислородом , галогенами , халькогенами , оксидами неметаллов . Вступает в реакцию при нагревании с галогеноводородами .

На влажном воздухе медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II) (внешний слой патины):

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+H_{2}O+CO_{2}+O_{2}\longrightarrow \ (CuOH)_{2}CO_{3}\downarrow }}}$

Реагирует с концентрированной холодной серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+H_{2}SO_{4}\longrightarrow \ CuO+SO_{2}\uparrow \ +H_{2}O}}}$

С концентрированной горячей серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+2H_{2}SO_{4}\longrightarrow \ CuSO_{4}+SO_{2}\uparrow \ +2H_{2}O}}}$

С безводной горячей серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+2H_{2}SO_{4}\ {\xrightarrow {200^{o}C}}\ Cu_{2}SO_{4}\downarrow +SO_{2}\uparrow \ +2H_{2}O}}}$

C разбавленной серной кислотой при нагревании в присутствии кислорода в воздухе:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+2H_{2}SO_{4}+O_{2}{\xrightarrow {t^{\circ }}}\ 2CuSO_{4}+2H_{2}O}}}$

С концентрированной азотной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+4HNO_{3}\longrightarrow \ Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

С разбавленной азотной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {3Cu+8HNO_{3}\longrightarrow \ 3Cu(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

С «царской водкой»:

${\displaystyle {\mathsf {3Cu+2HNO_{3}+6HCl\longrightarrow \ 3CuCl_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

С концентрированной горячей соляной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+4HCl\longrightarrow \ 2H[CuCl_{2}]+H_{2}\uparrow }}}$

C разбавленной соляной кислотой в присутствии кислорода:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+4HCl+O_{2}\longrightarrow \ 2CuCl_{2}+2H_{2}O}}}$

C разбавленной соляной кислотой в присутствии перекиси водорода:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+2HCl+H_{2}O_{2}{}\longrightarrow \ CuCl_{2}+2H_{2}O}}}$

С газообразным хлороводородом при 500—600 °C:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+4HCl+O_{2}\ {\xrightarrow {500-600^{o}C}}\ 2CuCl_{2}+2H_{2}O}}}$

С бромоводородом:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+4HBr\longrightarrow \ 2H[CuBr_{2}]+H_{2}\uparrow }}}$

Также медь реагирует с концентрированной уксусной кислотой в присутствии кислорода:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+4CH_{3}COOH+O_{2}\longrightarrow \ [Cu_{2}(H_{2}O)_{2}(CH_{3}COO)_{4}]}}}$

Медь растворяется в концентрированном гидроксиде аммония, с образованием аммиакатов :

${\displaystyle {\mathsf {Cu{\xrightarrow {NH_{3}\cdot H_{2}O,O_{2}}}\ [Cu(NH_{3})_{2}]OH\rightleftarrows \ [Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}}}}$

Окисляется до оксида меди(I) при недостатке кислорода при температуре 200 °C и до оксида меди(II) при избытке кислорода при температурах порядка 400—500 °C:

${\displaystyle {\mathsf {4Cu+O_{2}\ {\xrightarrow {200^{o}C}}\ 2Cu_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+O_{2}\ {\xrightarrow {400-500^{o}C}}\ 2CuO}}}$

Медный порошок реагирует с хлором , серой (в жидком сероуглероде ) и бромом (в эфире), при комнатной температуре:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+Cl_{2}\longrightarrow \ CuCl_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu+Br_{2}\longrightarrow \ CuBr_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu+S\ {\xrightarrow {CS_{2}}}\ CuS}}}$

С йодом (йодида меди(II) не существует):

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+I_{2}\longrightarrow \ 2CuI}}}$

При 300—400 °C реагирует с серой и селеном :

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+S\ {\xrightarrow {300-400^{o}C}}\ Cu_{2}S}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+Se\ {\xrightarrow {300-400^{o}C}}\ Cu_{2}Se}}}$

C оксидами неметаллов:

${\displaystyle {\mathsf {4Cu+SO_{2}\ {\xrightarrow {600-800^{o}C}}\ Cu_{2}S+2CuO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Cu+2NO\ {\xrightarrow {500-600^{o}C}}\ 2CuO+N_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Cu+2NO_{2}\ {\xrightarrow {500-600^{o}C}}\ 4CuO+N_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu+2N_{2}O_{4}\ {\xrightarrow {80^{o}C,CH_{3}-COO-CH_{2}-CH_{3}}}\ Cu(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow }}}$

С концентрированной соляной кислотой и хлоратом калия :

${\displaystyle {\mathsf {6Cu+12HCl+KClO_{3}\longrightarrow \ 6H[CuCl_{2}]+KCl+3H_{2}O}}}$

С хлоридом железа(III):

${\displaystyle {\ce {Cu + 2FeCl3 -> CuCl2 + 2FeCl2}}}$

Вытесняет менее активные металлы из их солей:

${\displaystyle {\mathsf {Cu+2AgNO_{3}{}\longrightarrow \ 2Ag+Cu(NO_{3}{})_{2}{}}}}$

Соединения меди(I)

Свойства соединений меди (I) похожи на свойства соединений серебра (I). В частности, CuCl , CuBr и CuI нерастворимы. Также присутствую не растворимые в воде комплексы(например, дихлорокупрат(I)-ион [CuCl ₂ ] ⁻ устойчив:

${\displaystyle {\mathsf {CuCl+Cl^{-}\rightarrow [CuCl_{2}]^{-}}}}$ )

Следует обратить внимание на то, что сульфат меди(I) нестабилен Он мгновенно разлагается и переходит в устойчивый сульфат меди(II) .

• Большинство соединений имеют белую окраску либо бесцветны.

Ионы меди(I) в водном растворе неустойчивы и легко диспропорционируют :

${\displaystyle {\mathsf {2Cu^{+}\rightarrow Cu^{2+}+Cu\downarrow }}}$

Примером диспропорционирования может служить реакция оксида меди(I) с разбавленной серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+H_{2}SO_{4}\rightarrow CuSO_{4}+Cu\downarrow +H_{2}O}}}$

Степени окисления +1 соответствует оксид Cu ₂ O красно-оранжевого цвета, который разлагается при температуре 1800°С:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O\xrightarrow {1800^{o}C} \ 4Cu+O_{2}}}}$

Можно восстановить до элементарной меди:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+H_{2}\xrightarrow {260^{o}C} \ 2Cu+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+C\xrightarrow {260^{o}C} \ 2Cu+CO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+CO\xrightarrow {250-300^{o}C} \ 2Cu+CO_{2}}}}$

Также протекает процесс алюминотермии :

${\displaystyle {\mathsf {3Cu_{2}O+2Al\xrightarrow {1000^{o}C} \ 6Cu+Al_{2}O_{3}}}}$

Реагирует с концентрированными растворами щелочей:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+H_{2}O+2OH^{-}\rightarrow \ 2[Cu(OH)_{2}]^{-}}}}$

С концентрированной соляной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+4HCl\rightarrow \ 2H[CuCl_{2}]+H_{2}O}}}$

С разбавленными галоген кислотами(Hal = Cl , Br , I ):

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+2HHal\rightarrow \ 2CuHal+H_{2}O}}}$

С разбавленной соляной кислотой в присутствии кислорода:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+8HCl+O_{2}\rightarrow \ 4CuCl_{2}+4H_{2}O}}}$

С концентрированной азотной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+6HNO_{3}\rightarrow \ 2Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}+3H_{2}O}}}$

С концентрированной серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+3H_{2}SO_{4}\rightarrow \ 2CuSO_{4}+SO_{2}+3H_{2}O}}}$

С разбавленной серной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+H_{2}SO_{4}\rightarrow \ CuSO_{4}+Cu+H_{2}O}}}$

С гидросульфитом натрия:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+2NaHSO_{3}\rightarrow \ 4Cu+Na_{2}SO_{4}+H_{2}SO_{4}}}}$

С аммиаком:

${\displaystyle {\mathsf {3Cu_{2}O+2NH_{3}\xrightarrow {250^{o}C} \ 2Cu_{3}N+3H_{2}O}}}$

С раствором аммиака:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+4NH_{3}*H_{2}O\rightarrow \ 2[Cu(NH_{3})_{2}]OH+3H_{2}O}}}$

С азотистоводородной кислотой в разных условиях при охлаждении:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+5HN_{3}\xrightarrow {10-15^{o}C} \ 2Cu(N_{3})_{2}+H_{2}O+NH_{3}+N_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+2HN_{3}\xrightarrow {20-25^{o}C} \ 2CuN_{3}+H_{2}O}}}$

С серой:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+3S\xrightarrow {610^{o}C} \ 2Cu_{2}S+SO_{2}}}}$

С Сульфидом меди(I):

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+Cu_{2}S\xrightarrow {1200-1300^{o}C} \ 6Cu+SO_{2}}}}$

С кислородом:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu_{2}O+O_{2}\xrightarrow {500^{o}C} \ 4CuO}}}$

С хлором:

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+Cl_{2}\xrightarrow {250^{o}C} \ 2Cu_{2}OCl_{2}}}}$

С оксидами щелочных металлов(Ме = Li , Na , K , Rb , Cs ):

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+Me_{2}O\xrightarrow {600-800^{o}C} \ 2MeCuO}}}$

С оксидом бария :

${\displaystyle {\mathsf {Cu_{2}O+BaO\xrightarrow {500-600^{o}C} \ Ba(CuO)2}}}$

Соответствующий гидроксид CuOH (жёлтого цвета) разлагается при температуре 100°С с образованием оксида меди(I).

${\displaystyle {\mathsf {2CuOH\xrightarrow {100^{o}C} \ Cu_{2}O+H_{2}O}}}$

Гидроксид CuOH проявляет основные свойства.

${\displaystyle {\mathsf {CuOH+2HCl\rightarrow H[CuCl_{2}]+H_{2}O}}}$

Также реагирует с раствором аммиака:

${\displaystyle {\mathsf {CuOH+xNH_{3}*H_{2}O\rightarrow Cu(NH_{3})_{x}(OH)+xH_{2}O}}}$

Реагирует с гидроксидом калия:

${\displaystyle {\mathsf {CuOH+KOH\rightarrow K[Cu(OH)_{2}]}}}$

Соединения меди(II)

Степень окисления II — наиболее стабильная степень окисления меди. Ей соответствует оксид CuO чёрного цвета, который разлагается при температуре 1100 °С:

${\displaystyle {\mathsf {4CuO\xrightarrow {1100^{o}C} \ 2Cu_{2}O+O_{2}}}}$

Реагирует с раствором аммиака с образованием Реактива Швейцера :

${\displaystyle {\mathsf {CuO+4NH_{3}*H_{2}O\rightarrow \ [Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}+3H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {CuO+4NH_{3}+H_{2}O\rightarrow \ [Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}}}}$

Растворяется в концентрированных щелочах с образованием комплексов:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+2OH^{-}+H_{2}O\rightarrow \ [Cu(OH)_{4}]^{2+}}}}$

При сплавлении с щелочами образуются купраты металлов:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+2KOH\xrightarrow {\ } K_{2}CuO_{2}+H_{2}O}}}$

С азотной кислотой:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+2HNO_{3}\rightarrow \ Cu(NO_{3})_{2}+H_{2}O}}}$

Реагирует с йодоводородной кислотой с образованием йодида меди(I), так как йодида меди(II) не существует :

${\displaystyle {\mathsf {2CuO+4HI\rightarrow \ 2CuI+I_{2}+2H_{2}O}}}$

Протекают процессы магниетермии и алюминотермии:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+Mg\rightarrow \ Cu+MgO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3CuO+2Al\rightarrow \ 3Cu+Al_{2}O_{3}}}}$

Также можно восстановить до элементарной меди следующими способами:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+H_{2}\rightarrow \ Cu+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {CuO+C\rightarrow \ Cu+CO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {CuO+CO\rightarrow \ Cu+CO_{2}}}}$

Оксид меди(II) используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ ), который является основой для получения сверхпроводников .

Соответствующий гидроксид Cu(OH) ₂ (голубого цвета), который при длительном стоянии разлагается, переходя в оксид меди(II) чёрного цвета:

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}\rightarrow CuO+H_{2}O}}}$

Также в избытке влаги возможно окисление меди, и переход в гидроксид куприла, в котором степень окисления меди +3:

${\displaystyle {\mathsf {4Cu(OH)_{2}+O_{2}\rightarrow 4CuO(OH)+2H_{2}O}}}$

При нагревании до 70 °С разлагается:

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}\xrightarrow {70^{o}C} \ CuO+H_{2}O}}}$

Реагирует с растворами концентрированных щелочей с образованием гидроксокомплексов синего цвета (это подтверждает преимущественно основный характер Cu(OH)_2):

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+OH^{-}\rightarrow [Cu(OH)_{4}]^{2-}}}}$

С образованием солей меди(II) растворяется во всех кислотах(в том числе кислотах окислителях) кроме йодоводородной :

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+H_{2}SO_{4}\rightarrow CuSO_{4}+2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+HNO_{3}\rightarrow Cu(NO_{3})_{2}+2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+2HCl\rightarrow CuCl_{2}+2H_{2}O}}}$

Реакция с йодоводородной кислотой отличается тем, что образуется йодид меди(I), так как йодида меди(II) не существует:

${\displaystyle {\mathsf {2Cu(OH)_{2}+4HI\rightarrow 2CuI+I_{2}+4H_{2}O}}}$

Реакция с водным раствором аммиака является из важных в химии, так как образуется реактив Швейцера (растворитель целлюлозы ):

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+4NH_{3}*H_{2}O\rightarrow [Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+4NH_{3}\rightarrow [Cu(NH_{3})_{4}](OH)_{2}}}}$

Также суспензия гидроксида меди реагирует с углекислым газом с образованием дигидроксокарбонатом меди(II) :

${\displaystyle {\mathsf {2Cu(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow (CuOH)_{2}CO_{3}+H_{2}O}}}$

Большинство солей двухвалентной меди имеют синюю или зелёную окраску. При растворении солей меди(II) в воде образуются голубые аквакомплексы [Cu(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ . Соединения меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе (например, использование реактива Фелинга). Карбонат меди(II) имеет зелёную окраску, что является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди и медных сплавов при взаимодействии оксидной плёнки с углекислым газом воздуха в присутствии воды

Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO ₄ ∙5H ₂ O, используется как фунгицид .

Соединения меди(III) и меди(IV)

Степени окисления III и IV являются малоустойчивыми степенями окисления и представлены только соединениями с кислородом, фтором или в виде комплексов.

Имеются данные о получении сесквиоксида Cu ₂ O ₃ , также известны различные купраты (III), как в виде смешанных оксидных систем с другими металлами, например, серебром – Ag ₂ Cu ₂ O ₄ , так и координационных соединений; наличие у меди конфигурации d ⁸ в этих соединениях является дискуссионной .

Гексафторкупраты(III) и (IV) получают действием фтора на соли меди и щелочных металлов при нагревании под давлением. Они бурно реагируют с водой и являются сильными окислителями.

Комплексы меди(III) с ортопериодатами и теллуратами относительно стабильны и предложены как окислители в аналитической химии. Описано много комплексов меди(III) с аминокислотами и пептидами.

Аналитическая химия меди

Медь можно обнаружить в растворе по зелёно-голубой окраске пламени бунзеновской горелки , при внесении в него платиновой проволочки, смоченной исследуемым раствором.

• Традиционно количественное определение меди в слабокислых растворах проводилось с помощью пропускания через него сероводорода , при этом сульфид меди выпадает в далее взвешиваемый осадок.
• В растворах, при отсутствии мешающих ионов, медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически , .
• Микроколичества меди в растворах определяют кинетическими и спектральными методами.

Применение

В электротехнике

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру , удельное сопротивление при 20 °C: 0,01724—0,0180 мкОм·м/ ), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых и других кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже . Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках электроприводов ( быт: электродвигателях ) и силовых трансформаторов . Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость . Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 % .

Теплообмен

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления , компьютерных кулерах , тепловых трубках .

Для производства труб

В связи с высокой механической прочностью и пригодностью для механической обработки медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения , отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

В России производство водогазопроводных труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005 , а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.

Сплавы

Сплавы на основе меди

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь . Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые, помимо олова и цинка , могут входить никель , висмут и другие металлы . Например, в состав пушечной бронзы , использовавшейся для изготовления артиллерийских орудий вплоть до XIX века, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллерийских боеприпасов и оружейных гильз , благодаря технологичности и высокой пластичности. Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30—40 кгс/мм² у сплавов и 25—29 кгс/мм² у технически чистой меди.

Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не изменяют механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость определяются только химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900—12000 кгс/мм², ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред (медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) и хорошей электропроводностью. Медь и её сплавы латунь и бронза обладают высокой коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью, антифрикционными показателями. При этом медь хорошо сваривается и обрабатывается резанием.

Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевый сплав ( мельхиор ) используются для чеканки разменной монеты .

Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости. Медь является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 °C , обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения разнообразных металлических деталей, особенно из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей.

Сплавы, в которых медь значима

Дюраль (дюралюминий) определяют как сплав алюминия и меди (меди в дюрали 4,4 %).

Ювелирные сплавы

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото — очень мягкий металл и нестойко к механическим воздействиям.

Соединения меди

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия-бария-меди ( купрата ) YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ , который является основой для получения высокотемпературных сверхпроводников . Медь применяется для производства медно-окисных гальванических элементов и батарей.

Другие сферы применения

Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена . Из-за того, что медь является катализатором полимеризации ацетилена (образует соединения меди с ацетиленом), трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Широко применяется медь в архитектуре. Кровли и фасады из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006 .

Медь может быть использована для снижения переноса инфекции в лечебных учреждениях через поверхности, к которым прикасается рука человека. Из меди могут быть изготовлены ручки дверей, водозапорной арматуры, перила, поручни кроватей, столешницы .

Пары меди используются в качестве рабочего тела в лазерах на парах меди, на длинах волн генерации 510 и 578 нм .

Также медь применяется в пиротехнике для окрашивания в синий цвет. ^{[ источник не указан 1159 дней ]}

Производство, добыча и запасы меди

По объёму мирового производства и потребления металлов медь занимает третье место после железа и алюминия.

Разведанные мировые запасы меди на конец 2008 года составляют 1 млрд т, из них подтверждённые — 550 млн т. Причём, оценочно, считается, что глобальные мировые запасы на суше составляют 3 млрд т, а глубоководные ресурсы оцениваются в 700 млн т.

Мировая добыча меди в 2000 году составляла около 15 млн т, a в 2004 году — около 14 млн т . Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т, из них 687 млн т — подтверждённые запасы , на долю России приходилось 3,2 % общих и 3,1 % подтверждённых мировых запасов . Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет.

Выплавка меди в 2019 ожидается 25,5 млн т .

Объём мирового потребления меди в 2023 году, по последним оценкам компании « Норникель », составит 25,4 млн тонн (рост на 2 % по отношению к прошлому году). В то же время «Норникель» прогнозирует объем добычи меди в 2023 году в размере 22,4 млн тонн (рост на 2 % год к году). Объем дефицита рынка прогнозируется на уровне 160 тыс. тонн.

Лидеры производства:

1. Чили (5,560 млн т в 2007 г. и 5,600 млн т в 2008 г.),
2. США (1,170/1,310),
3. Перу (1,190/1,220),
4. Китай (0,946/1,000),
5. Австралия (0,870/0,850),
6. Россия (0,740/0,750),
7. Индонезия (0,797/0,650),
8. Канада (0,589/0,590),
9. Замбия (0,520/0,560),
10. Казахстан (0,407/0,460),
11. Польша (0,452/0,430),
12. Мексика (0,347/0,270).

Запасы и добыча в России: см. Добыча полезных ископаемых в России#Медь . Производство рафинированной меди в России в 2006 году составило 881,2 тыс. т, потребление — 591,4 тыс. т .

Основными производителями меди в России являлись:

Компания	тыс. тонн	%
Норильский никель	425	45 %
Уралэлектромедь	351	37 %
Русская медная компания	166	18 %

К указанным производителям меди в России в 2009 году присоединился Холдинг « Металлоинвест », выкупивший права на разработку нового месторождения меди « Удоканское » . Мировое производство меди в 2007 году составляло 15,4 млн т, а в 2008 году — 15,7 млн т.

Современные способы добычи

Сейчас известно более 200 минералов, содержащих медь, но из них только 14—15 имеют промышленное значение. Это — халькопирит (он же медный колчедан), малахит, встречается и самородная медь. В медных рудах часто в качестве примесей встречаются молибден, никель, свинец, кобальт, реже — золото, серебро. Обычно медные руды обогащаются на фабриках, прежде чем поступают на медеплавильные комбинаты. Богаты медью Казахстан, США, Чили, Канада, африканские страны — Заир, Замбия, Южно-Африканская Республика. Эскондида — самый большой в мире карьер, в котором добывают медную руду (расположен в Чили ). В зависимости от глубины залегания, руда добывается открытым или закрытым методом .

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её растворения в слабом растворе серной кислоты и последующего выделения металлической (черновой) меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки — 1450 °C.

С целью окисления сульфидов и железа полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит раствор серной кислоты с медным купоросом. В ходе электролиза происходит повышение концентрации серной кислоты. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлама, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. При получении 1000 тонн электролитической меди можно получить до 3 кг серебра и 200 г золота. Катоды выгружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах .

Влияние на экологию

При открытом способе добычи после её прекращения карьер становится источником токсичных веществ. Самое токсичное озеро в мире — Беркли Пит — образовалось в карьере медного рудника.

Стоимость

В январе 2008 года, впервые за всю историю, на Лондонской бирже металлов цены на медь превысили 8000 долларов США за тонну. В начале июля цены возросли до 8940 долларов за тонну, что стало абсолютным рекордом начиная с 1979 года — момента начала ведения торгов на ЛБМ. Цена достигла пика в почти 10,2 тыс. долларов в феврале 2011 года .

На 2011 год стоимость меди составляла около 8900 долларов за тонну . Вследствие кризиса мировой экономики цена на большинство видов сырья упала, и стоимость 1 тонны меди на 1 сентября 2016 не превышала 4700 долларов .

В мае 2021 года цена меди на Лондонской бирже металлов (LME) взлетела до 10 307 долл. за тонну . Пиковая цена зафиксирована в середине октября 2021 — стоимость контракта на одну тонну меди с поставкой через 3 месяца в моменте превышала 10 тыс. долл. .

Биологическая роль

Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином . После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина.

Медь встречается в большом количестве ферментов , например, в цитохром-с-оксидазе , в содержащем медь и цинк ферменте супероксид дисмутазе и в переносящем молекулярный кислород белке гемоцианине . В крови всех головоногих и большинства брюхоногих моллюсков и членистоногих медь входит в состав гемоцианина в виде имидазольного комплекса иона меди, роль, аналогичная роли порфиринового комплекса железа в молекуле белка гемоглобина в крови позвоночных животных.

Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте , поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента. Здоровому взрослому человеку необходимо поступление меди в количестве 0,9 мг в день.

При недостатке меди в хондро- и остеобластах снижается активность ферментных систем и замедляется белковый обмен, в результате замедляется и нарушается рост костных тканей .

Токсичность

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 1 мг/л (СанПиН 2.1.4.1074-01), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сформулировала в 1998 году это правило так: «Риски для здоровья человека от недостатка меди в организме многократно выше, чем риски от её избытка».

В 2003 году в результате интенсивных исследований ВОЗ пересмотрела прежние оценки токсичности меди. Было признано, что медь не является причиной расстройств пищеварительного тракта .

Существовали опасения, что Гепатоцеребральная дистрофия (болезнь Вильсона — Коновалова) сопровождается накоплением меди в организме, так как она не выделяется печенью в желчь . Эта болезнь вызывает повреждение мозга и печени. Однако причинно-следственная связь между возникновением заболевания и приёмом меди внутрь подтверждения не нашла . Установлена лишь повышенная чувствительность лиц, в отношении которых диагностировано это заболевание к повышенному содержанию меди в пище и воде.

Бактерицидность

Бактерицидные свойства меди и её сплавов были известны человеку давно. В 2008 году после длительных исследований Федеральное Агентство по Охране Окружающей Среды США (US EPA) официально присвоило меди и нескольким сплавам меди статус веществ с бактерицидной поверхностью (агентство подчёркивает, что использование меди в качестве бактерицидного вещества может дополнять, но не должно заменять стандартную практику инфекционного контроля). Особенно выраженно бактерицидное действие поверхностей из меди (и её сплавов) проявляется в отношении метициллин -устойчивого штамма стафилококка золотистого , известного как «супермикроб» MRSA . Летом 2009 была установлена роль меди и сплавов меди в инактивировании вируса гриппа A/ H1N1 (т. н. « свиной грипп ») .

Органолептические свойства

Излишняя концентрация ионов меди придаёт воде отчётливый « металлический вкус ». У разных людей порог органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2—10 мг / л . Естественная способность к такому определению повышенного содержания меди в воде является природным механизмом защиты от приёма внутрь воды с излишним содержанием меди.

См. также

Примечания

Литература

• Данные на начало XX века :. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• Спиридонов А. А. В служеньи ремеслу и музам. — 2-е изд. — М. : Металлургия , 1989. — 176 с. — ( Научно-популярная библиотека школьника ). — 50 000 экз. — ISBN 5-229-00355-3 .
• Фримантл М. Химия в действии. — М. : «Мир», 1991. — Т. 2.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — «Химия», 2000. — С. 286.
• , Горнунг М. Б. . — М. : Недра , 1976. — 96 с. — 40 000 экз.

Ссылки

• на Webelements
• в Популярной библиотеке химических элементов
• (англ.)