Медь является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 29 и условным обозначением Cu. Медь в свободном виде представляет розовато-оранжевый мягкий, ковкий и пластичный металл с очень высокой тепло- и электропроводностью.
Открытие
Такой химический элемент как медь известен человечеству с очень давних времен, так как он является достаточно распространенным элементом и встречается в самородном виде. Первое практическое использование меди оценивается учеными 10 тысячелетием до Нашей Эры. Доказательств использования меди древними цивилизациями очень много и на сегодняшний день археологи добыли очень много артефактов подтверждающих это. Ярким примером является так называемый «Ледяной человек Эци», живший около 3 тысячелетия до Нашей Эры и которого археологи обнаружили с медным топором. Главными примечательностями этой находки являются то, что топор имел наконечник с чистотой меди 99,7% и в волосах мумии обнаружен мышьяк. Последнее свидетельствует о том, что этот человек принимал участие в выплавке меди.
Позже люди научились медь сплавлять с оловом и свинцом, тем самым образуя бронзу. Этот более твердый и технически более прочный сплав дал название бронзовому веку. Различие между свинцом и оловом было введено только с увеличением знаний о металлах, так что с сегодняшней точки зрения термин «бронза» правильно применяется только к сплавам олова и меди с высоким содержанием меди.
Золотисто-желтый медно-цинковый сплав «латунь» был известен уже в Древней Греции. Его выплавляли путем совместной обработки соответствующих руд, но только римляне все чаще использовали этот процесс. По имеющимся данным римляне добывали уже в те времена около 15 тонн меди в год. Медное покрытие и медная обшивка широко использовались для защиты подводных корпусов кораблей, технология, впервые примененная Британским Адмиралтейством в 18 веке. Немецкое предприятие Norddeutsche Affinerie в Гамбурге была первым современным гальваническим заводом, начавшим производство в 1876 году. Немецкий ученый Готфрид Осанн изобрел порошковую металлургию в 1830 году, определяя атомную массу металла.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1083,4 ° С |
| Точка кипения | 2567°С |
| Плотность при Н.У. | 8,92 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 3 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 13,02 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 304,6 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 24,44 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 7,1 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 29 |
| Атомная масса | 63.546 |
| Электронная конфигурация | 3d104s1 |
| Радиус атома | 135 пм |
| Ковалентный радиус | 132 пм |
| Степени окисления | 0; +1; +2; +3; +4 |
| Радиус иона | 73 пм |
| Электроотрицательность | 1.90 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 745 кДж/моль |
| Изотопы | ⁶³Cu; ⁶⁴Cu; ⁶⁵Cu; ⁶⁷Cu |
Интересное:
Добыча и производство
Большая часть меди добывается или извлекается в виде сульфидов меди из крупных открытых карьеров в порфировых медных месторождениях, которые содержат от 0,4 до 1,0% меди. К таким объектам относятся Chuquicamata в Чили, Bingham Canyon Mine в штате Юта, США, и El Chino Mine в Нью-Мексико, США. По данным Британской геологической службы , в 2005 году Чили была крупнейшим производителем меди с не менее чем одной третью мировой доли, за ней следовали США, Индонезия и Перу. Медь также можно извлекать с помощью процесса подземного выщелачивания. Несколько объектов в США (штате Аризона) считаются основными кандидатами для этого метода.
Количество используемой меди увеличивается, а доступного количества едва достаточно, чтобы позволить всем странам достичь уровня использования в развитых странах. Альтернативным источником меди для сбора, который в настоящее время исследуется, являются полиметаллические конкреции, которые находятся на глубине Тихого океана примерно на 3000 – 6500 метров ниже уровня моря. Эти конкреции содержат другие ценные металлы, такие как кобальт и никель.
В природе медь обычно образуется в базальтовых лавах либо в виде «медно-красных», блестящих металлических самородков (затвердевших из расплава), либо в виде разветвленных структур, так называемых дендритов. Иногда встречаются кристаллические образования. Медь встречается в парагенезисе с различными, в основном вторичными медными минералами, такими как борнит, халькоцит, корнуоллит, куприт, азурит и малахит, а также с теноритом, но также может быть связана со многими другими минералами, такими как кальцит, клиноклаз, пренит, пумпеллиит, кварц и серебро.
В настоящее время во всем мире известно более 4000 месторождений самородной меди, в числе стран обладательниц Афганистан, Аргентина, Австралия, Бельгия, Боливия, Бразилия, Болгария, Чили , Китай, Демократической Республике Конго, Германия, Финляндия, Франция, Греция, Индия, Иран, Ирландия, Италия, Япония, Канада, Казахстан, Марокко, Мексика, Монголия, Намибия, Новая Зеландия, Норвегия, Австрия, Перу, Филиппины, Польша, Португалия, Румыния, Россия, Замбия, Швеция, Швейцария, Зимбабве, Словакия, Испания, Южная Африка, Чехия, Турция, Украина, Венгрия, Соединенные Штаты Америки (США) и Великобритания (Великобритания).
Для производства меди сначала из халькопирита (CuFeS2) получают так называемый медный камень (Cu2S с различным содержанием FeS и содержанием меди около 70%). Для этого исходный материал обжигают с добавлением кокса и содержащиеся в нем оксиды железа шлакуют с помощью добавок, содержащих кремнезем. Этот железосиликатный шлак плавает на медном камне и поэтому его можно легко слить.
Обжарочные работы:
6CuFeS2 + 10O2 → 3Cu2S + 2FeS + 2Fe2O3 + 7SO2
Полученный таким образом медный камень далее перерабатывается в сырую медь (также черную медь ). Для этого его заливают в конвертер в жидком виде и вдувают в этот расплав воздух. На первом этапе (выдувание шлака) содержащийся в нем сульфид железа обжигается до оксида железа, который связывается добавленным кварцем с образованием шлака, который можно слить. На втором этапе (варка пузырьков) две трети оставшегося Cu2S окисляются до Cu2O. Затем оксид реагирует с оставшимся сульфидом с образованием сырой меди.
Шлаковые пузыри:
2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2 → 6Cu + SO2
Необработанная медь имеет содержание меди 98%. Помимо цветных металлов, таких как железо и цинк, оставшиеся 2% также содержат драгоценные металлы, такие как серебро и золото.
Электролитическое рафинирование меди проводят в растворе сульфата меди(II), содержащем серную кислоту, с медным анодом из сырой меди и катодом из чистой меди. Во время электролиза все металлы, менее благородные, чем медь, окисляются и растворяются в виде катионов , тогда как более благородные металлы оседают в виде анодного шлама. В то время как анод медленно растворяется с образованием катионов, на катоде за счет восстановления ионов меди осаждается только медь, которую иногда называют электролитная медь с чистотой 99,99%.
Интересное:
Применение
Медь имеет очень широкий спектр применений, которые человечество постепенно реализовывало и расширяло. Сегодня этот химический элемент является неотъемлемой частью жизни каждого человека на планете. Медь может использоваться как в чистом виде, так и в составе сплавов и соединений. В глобальных масштабах его применение можно условно разделить на производство электропроводки (около 60%), изготовление элементов кровли и сантехники (около 20%), а также изготовления изделий для промышленности (около 15%). Медь в основном используется как чистый металл, но когда требуется большая твердость, она используется в составе сплавов латуни и бронзы (около 5%).
Медь является превосходным проводником и не смотря на конкуренцию со стороны других материалов она продолжает занимать лидирующие позиции при производстве электропроводки. Медная проволока используется в производстве, передаче и распределении электроэнергии, телекоммуникациях, электронных схемах и бесчисленных типах электрооборудования. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая, приливная и гидроэнергетика стали значимыми секторами энергетического рынка в которых медь так же является незаменимым элементом.
С древнейших времен медь характеризуется как прочный, устойчивый к коррозии и атмосферным воздействиям архитектурный материал. Крыши, отливы, водосточные желоба, водосточные трубы, купола, шпили, своды и двери изготавливались из меди в течение сотен или даже тысяч лет. В современности использование меди было еще более распространено и включает внутреннюю и внешнюю облицовку стен, строительные деформационные швы, радиочастотную защиту, антимикробные и декоративные внутренние изделия, такие как привлекательные поручни, сантехника и столешницы.
В промышленности этот химический элемент применяется так же в различных областях начиная от электроники и заканчивая областью автомобилестроения. Его используют в жгутах электропроводки, для подвода технических жидкостей к агрегатам и устройствам, уплотнительных металлических средств благодаря ковкости и многое другое.
Ожидается, что общий объем мирового производства в 2023 году составит почти 23 миллиона метрических тонн. Спрос на медь растет из-за продолжающегося глобального перехода на электроэнергию. Китай в этом плане занимает лидирующие позиции и на его долю приходится более половины спроса.
Интересное:
Безопасность
Медь является важным микроэлементом для человеческого организма, а это означает, что людям необходима медь для выживания. Как компонент жизненно важных ферментов, медь существенно влияет на них. Медь необходима для роста младенцев, прочности костей, созревания красных и белых кровяных телец, транспорта железа, метаболизма холестерина и глюкозы, сокращения сердечной мышцы и развития мозга. Суточная потребность взрослого человека составляет 1,0-1,5 миллиграмма.
Лишняя медь выбрасывается в пищеварительную систему с желчью для выведения. Медный купорос является сильным рвотным средством и поэтому использовался для лечения многих отравлений, например белым фосфором, который в данном конкретном случае имеет еще и то преимущество, что фосфор одновременно связывается как плохо растворимый фосфид меди. Нарушения концентрации меди эксперты связывают со многими заболеваниями в числе которых синдром Паркинсона, болезнь Вильсона и болезнь Альцгеймера.