Какие свойства есть у меди
Медь – это пластичный золотисто-розовый металл с характерным металлическим блеском. В периодической системе Д. И. Менделеева этот химический элемент обозначается, как Сu (Cuprum) и находится под порядковым номером 29 в I группе (побочной подгруппе), в 4 периоде.
Латинское название Cuprum произошло от имени острова Кипр. Известны факты, что на Кипре ещё в III веке до нашей эры находились медные рудники и местные умельцы выплавляли медь. Купить медь можно в комании «КУПРУМ».
По данным историков, знакомству общества с медью около девяти тысячелетий. Самые древние медные изделия найдены во время археологических раскопок на местности современной Турции. Археологи обнаружили маленькие медные бусинки и пластинки для украшения одежды. Находки датируются рубежом VIII-VII тыс. до нашей эры. Из меди в древности изготавливали украшения, дорогую посуду и различные инструменты с тонким лезвием.
Великим достижением древних металлургов можно назвать получение сплава с медной основой – бронзы.
Основные свойства меди
1. Физические свойства.
На воздухе медь приобретает яркий желтовато-красный оттенок за счёт образования оксидной плёнки. Тонкие же пластинки при просвечивании зеленовато-голубого цвета. В чистом виде медь достаточно мягкая, тягучая и легко прокатывается и вытягивается. Примеси способны повысить её твёрдость.
Высокую электропроводность меди можно назвать главным свойством, определяющим её преимущественное использование. Также медь обладает очень высокой теплопроводностью. Такие примеси как железо, фосфор, олово, сурьма и мышьяк влияют на базовые свойства и уменьшают электропроводность и теплопроводность. По данным показателям медь уступает лишь серебру.
Медь обладает высокими значениями плотности, температуры плавления и температуры кипения. Важным свойством также является хорошая стойкость по отношению к коррозии. К примеру, при высокой влажности железо окисляется значительно быстрее.
Медь хорошо поддаётся обработке: прокатывается в медный лист и медный пруток, протягивается в медную проволоку с толщиной, доведённой до тысячных долей миллиметра. Этот металл является диамагнетиком, то есть намагничивается против направления внешнего магнитного поля.
2. Химические свойства.
Медь является сравнительно малоактивным металлом. В нормальных условиях на сухом воздухе её окисления не происходит. Она легко реагирует с галогенами, селеном и серой. Кислоты без окислительных свойств не оказывают воздействия на медь. С водородом, углеродом и азотом химических реакций нет. На влажном воздухе происходит окисление с образованием карбоната меди (II) – верхнего слоя платины.
Медь обладает амфотерностью, то есть в земной коре образует катионы и анионы. В зависимости от условий, соединения меди проявляют кислотные или основные свойства.
Способы получения меди
В природе медь существует в соединениях и в виде самородков. Соединения представлены оксидами, гидрокарбонатами, сернистыми и углекислыми комплексами, а также сульфидными рудами. Самые распространённые руды — это медный колчедан и медный блеск. Содержание меди в них составляет 1-2%. 90% первичной меди добывают пирометаллургическим способом и 10% гидрометаллургическим.
1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование.
Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига. Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность. Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.
Окислительному обжигу подлежат медные руды и концентраты со значительным содержанием серы. При нагреве в присутствии кислорода происходит окисление сульфидов, и количество серы снижается почти в два раза. Обжигу подвергаются бедные концентраты, в которых содержится 8-25% меди. Богатые концентраты, содержащие 25-35% меди, плавят, не прибегая к обжигу.
Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая медная руда с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.
В горизонтальных конвертерах с боковым дутьём медный штейн продувается сжатым воздухом для того, чтобы произошли процессы окисления сульфидов и феррума. Далее образовавшиеся окислы переводят в шлак, а серу в оксид. В конвертере образуется черновая медь, которая содержит 98,4-99,4% меди, железо, серу, а также незначительное количество никеля, олова, серебра и золота.
Черновая медь подлежит огневому, а далее электролитическому рафинированию. Примеси удаляют с газами и переводят в шлак. В результате огневого рафинирования образуется медь с чистотой до 99,5%. А после электролитического рафинирования чистота составляет 99,95%.
2. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании меди слабым раствором серной кислоты, а затем выделении металлической меди непосредственно из раствора. Такой способ применяется для переработки бедных руд и не допускает попутного извлечения драгоценных металлов вместе с медью.
Применение меди
Благодаря ценным качествам медь и медные сплавы используются в электротехнической и электромашиностроительной отрасли, в радиоэлектронике и приборостроении. Существуют сплавы меди с такими металлами, как цинк, олово, алюминий, никель, титан, серебро, золото. Реже применяются сплавы с неметаллами: фосфором, серой, кислородом. Выделяют две группы медных сплавов: латуни (сплавы с цинком) и бронзы (сплавы с другими элементами).
Медь обладает высокой экологичностью, что допускает её использование в строительстве жилых домов. К примеру, медная кровля за счёт антикоррозионных свойств, может прослужить больше ста лет без специального ухода и покраски.
Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле. Такой сплав увеличивает прочность изделия, повышает стойкость к деформированию и истиранию.
Для соединений меди характерна высокая биологическая активность. В растениях медь принимает участие в синтезе хлорофилла. Поэтому её можно увидеть в составе минеральных удобрений. Недостаток меди в организме человека может вызвать ухудшение состава крови. Она есть в составе многих продуктов питания. К примеру, этот металл содержится в молоке. Однако важно помнить, что избыток соединений меди может вызвать отравление. Именно поэтому нельзя готовить пищу в медной посуде. Во время кипячения в пищу может попасть большое количество меди. Если же посуда внутри покрыта слоем олова, то опасности отравления нет.
В медицине медь используют, как антисептическое и вяжущее средство. Она является компонентом глазных капель от конъюнктивита и растворов от ожогов.
Свойства меди, которая в природе встречается и в виде достаточно крупных самородков, люди изучили еще в древние времена, когда из этого металла и его сплавов делали посуду, оружие, украшения, различные изделия бытового назначения. Активное использование данного металла на протяжении многих лет обусловлено не только его особыми свойствами, но и простотой обработки. Медь, которая присутствует в руде в виде карбонатов и окислов, достаточно легко восстанавливается, что и научились делать наши древние предки.
Медный слиток
Интересное о меди
Изначально процесс восстановления этого металла выглядел очень примитивно: медную руду просто нагревали на кострах, а затем подвергали резкому охлаждению, что приводило к растрескиванию кусков руды, из которых уже можно было извлекать медь. Дальнейшее развитие такой технологии привело к тому, что в костры начали вдувать воздух: это повышало температуру нагревания руды. Затем нагрев руды стали выполнять в специальных конструкциях, которые и стали первыми прототипами шахтных печей.
О том, что медь используется человечеством с древних времен, свидетельствуют археологические находки, в результате которых были найдены изделия из данного металла. Историками установлено, что первые изделия из меди появились уже в 10 тысячелетии до н.э, а наиболее активно она стала добываться, перерабатываться и использоваться спустя 8–10 тысяч лет. Естественно, предпосылками к такому активному использованию данного металла стали не только относительная простота его получения из руды, но и его уникальные свойства: удельный вес, плотность, магнитные свойства, электрическая, а также удельная проводимость и др.
В наше время уже сложно найти медь в природе в виде самородков, обычно ее добывают из руды, которая подразделяется на следующие виды.
- Борнит — в такой руде медь может содержаться в количестве до 65%.
- Халькозин, который также называют медным блеском. В такой руде меди может содержаться до 80%.
- Медный колчедан, также называемый халькопиритом (содержание до 30%).
- Ковеллин (содержание до 64%).
Халькопирит
Медь также можно извлекать из множества других минералов (малахит, куприт и др.). В них она содержится в разных количествах.
Физические свойства
Медь в чистом виде представляет собой металл, цвет которого может варьироваться от розового до красного оттенка.
Радиус ионов меди, имеющих положительный заряд, может принимать следующие значения:
- если координационный показатель соответствует 6-ти — до 0,091 нм;
- если данный показатель соответствует 2 — до 0,06 нм.
Радиус атома меди составляет 0,128 нм, также он характеризуется сродством к электрону, равном 1,8 эВ. При ионизации атома данная величина может принимать значение от 7,726 до 82,7 эВ.
Медь — это переходный металл, показатель электроотрицательности которого составляет 1,9 единиц по шкале Полинга. Кроме этого, его степень окисления может принимать различные значения. При температурах, находящихся в интервале 20–100 градусов, его теплопроводность составляет 394 Вт/м*К. Электропроводность меди, которую превосходит лишь серебро, находится в интервале 55,5–58 МСм/м.
Так как медь в потенциальном ряду стоит правее водорода, она не может вытеснять этот элемент из воды и различных кислот. Ее кристаллическая решетка имеет кубический гранецентрированный тип, величина ее составляет 0,36150 нм. Плавится медь при температуре 1083 градусов, а температура ее кипения — 26570. Физические свойства меди определяет и ее плотность, которая составляет 8,92 г/см3.
Самородная медь
Из ее механических свойств и физических показателей стоит также отметить следующие:
- термическое линейное расширение — 0,00000017 единиц;
- предел прочности, которому медные изделия соответствуют при растяжении, составляет 22 кгс/мм2;
- твердость меди по шкале Бринелля соответствует значению 35 кгс/мм2;
- удельный вес 8,94 г/см3;
- модуль упругости составляет 132000 Мн/м2;
- значение относительного удлинения равно 60%.
Совершенно уникальными можно считать магнитные свойства данного металла, который является полностью диамагнитным. Именно эти свойства, наряду с физическими параметрами: удельным весом, удельной проводимостью и другими, в полной мере объясняют широкую востребованность данного металла при производстве изделий электротехнического назначения. Похожими свойствами обладает алюминий, который также успешно используется при производстве различной электротехнической продукции: проводов, кабелей и др.
Основную часть характеристик, которыми обладает медь, практически невозможно изменить, за исключением предела прочности. Данное свойство можно улучшить практически в два раза (до 420–450 МН/м2), если осуществить такую технологическую операцию, как наклеп.
Химические свойства
Химические свойства меди определяются тем, какое положение она занимает в таблице Менделеева, где она имеет порядковый номер 29 и располагается в четвертом периоде. Что примечательно, она находится в одной группе с благородными металлами. Это лишний раз подтверждает уникальность ее химических свойств, о которых следует рассказать более подробно.
Оттенки медных сплавов
В условиях невысокой влажности медь практически не проявляет химическую активность. Все меняется, если изделие поместить в условия, характеризующиеся высокой влажностью и повышенным содержанием углекислого газа. В таких условиях начинается активное окисление меди: на ее поверхности формируется зеленоватая пленка, состоящая из CuCO3, Cu(OH)2 и различных сернистых соединений. Такая пленка, которая называется патиной, выполняет важную функцию защиты металла от дальнейшего разрушения.
Окисление начинает активно происходить и тогда, когда изделие подвергается нагреву. Если металл нагреть до температуры 375 градусов, то на его поверхности формируется оксид меди, если выше (375-1100 градусов) — то двухслойная окалина.
Медь достаточно легко реагирует с элементами, которые входят в группу галогенов. Если металл поместить в пары серы, то он воспламенится. Высокую степень родства он проявляет и к селену. Медь не вступает в реакцию с азотом, углеродом и водородом даже в условиях высоких температур.
Внимание заслуживает взаимодействие оксида меди с различными веществами. Так, при его взаимодействии с серной кислотой образуется сульфат и чистая медь, с бромоводородной и иодоводородной кислотой — бромид и иодид меди.
Иначе выглядят реакции оксида меди с щелочами, в результате которых образуется купрат. Получение меди, при котором металл восстанавливается до свободного состояния, осуществляют при помощи оксида углерода, аммиака, метана и других материалов.
Медь при взаимодействии с раствором солей железа переходит в раствор, при этом железо восстанавливается. Такая реакция используется для того, чтобы снять напыленный медный слой с различных изделий.
Одно- и двухвалентная медь способна создавать комплексные соединения, отличающиеся высокой устойчивостью. Такими соединениями являются двойные соли меди и аммиачные смеси. И те и другие нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.
Бухты медной проволоки
Области применения меди
Применение меди, как и наиболее схожего с ней по своим свойствам алюминия, хорошо известно — это производство кабельной продукции. Медные провода и кабели, характеризуются невысоким электрическим сопротивлением и особыми магнитными свойствами. Для производства кабельной продукции применяются виды меди, характеризующиеся высокой чистотой. Если в ее состав добавить даже незначительное количество посторонних металлических примесей, к примеру, всего 0,02% алюминия, то электрическая проводимость исходного металла уменьшится на 8–10%.
Невысокий вес меди и ее высокая прочность, а также способность поддаваться различным видам механической обработки — это те свойства, которые позволяют производить из нее трубы, успешно использующиеся для транспортировки газа, горячей и холодной воды, пара. Совершенно не случайно именно подобные трубы применяются в составе инженерных коммуникаций жилых и административных зданий в большинстве европейских стран.
Медь, кроме исключительно высокой электропроводности, отличается способностью хорошо проводить тепло. Благодаря этому свойству она успешно используется в составе следующих систем:
- тепловые трубки;
- кулеры, использующиеся для охлаждения элементов персональных компьютеров;
- системы отопления и охлаждения воздуха;
- системы, обеспечивающие перераспределение тепла в различных устройствах (теплообменники).
Металлические конструкции, в которых использованы медные элементы, отличаются не только небольшим весом, но и исключительной декоративностью. Именно это послужило причиной их активного использования в архитектуре, а также для создания различных интерьерных элементов.
Шина электротехническая медная
Оценка статьи:
Загрузка…
Медь – это пластичный металл с золотисто-розовым оттенком, занимает 29 место в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева и обозначается как Cu (Cuprum). Латинское название меди пошло от острова Кипр, где в древности находились крупнейшие медные рудники.
История меди
Человечество начало добывать медь несколько тысячелетий назад. Самые древние изделия, найденные из этого металла, датируются 7-6 веками до нашей эры. Среди них – украшения, инструменты, посуда и орудия труда.
Большим шагом вперед в развитии металлургии было открытие сплава меди с оловом – бронзы. Этот материал отличался повышенной прочностью и способностью к ковке, благодаря чему все изделия из данного медного сплава получались более качественными.
На территории нашей страны медь издавна добывают на Урале, Алтае и в Сибири. Из нее отлиты известнейшие культурные памятники: Царь-пушка, Царь-колокол, Медный всадник.
Физические характеристики
Характерный цвет медь приобретает в результате взаимодействия с кислородом и образования тонкой оксидной пленки. Более тонкие пластины на просвет выглядят зеленовато-голубыми. Наиболее ярко выраженные физические свойства меди:
- высокая электро- и теплопроводность (уступает только серебру),
- мягкость,
- пластичность,
- легко поддается вытягиванию и обработке,
- коррозионная стойкость.
Из прочих характеристик меди стоит отметить хорошую невосприимчивость к внешним природным факторам (температура, ультрафиолет, химическое воздействие) и приятный внешний вид (возможность патирования). В случаях, когда необходимо использовать более твердый материал, в ход идут латунь и бронза – сплавы меди с цинком и оловом соответственно. Медная продукция обладают высокой плотностью, может прокатываться в проволоку, пруток или лист любой толщины.
Химические свойства
В условия низкой влажности медь почти не демонстрирует каких-либо особенных химических свойств. Однако при контакте с водой и углекислым газом она быстро вступает в окислительную реакцию, на ее поверхности образуется пленка, защищающая ее от разрушения. Также окисление происходит при нагреве до 375 градусов.
Металл вступает в активную реакцию с неметаллами галогеновой группы, селеном и серой. В паре с последней, к примеру, он воспламеняется. Медь с валентностью I и II участвует в создании комплексных соединений (двойных солей и аммиачных смесей), обладающих высокой стойкостью и применяемых во многих промышленных сферах.
Методы добычи
Медь добывают открытым и закрытым способом. Первый актуален, если руда находится в толще до 500 метров. Для более глубоких залежей строят специальные подземные шахты. Чистую медь получают в основном пирометаллургическим способом, реже – гидрометаллургическим.
Пирометаллургическая методика условно подразделяется на два этапа, и в качестве исходного сырья использует халькопирит (медный купорос). Первая стадия – флотация или окислительный обжиг. Целью этой технологии является обогащение медной руды, в которой повышена концентрация серы. В процессе обработки, сера удаляется до 1%, другие содержащиеся в руде металлы переводятся в оксидные соединения.
Химические формулы процесса:
- ZnS + 1.5O2 = ZnO + SO2 + Q – реакция протекает при температуре, превышающей +800 градусов;
- ZnS + 2O2 = ZnSO2 + Q – оптимальная температура варьируется в пределах +600/+700 градусов.
После этого, обогащённая руда плавится в шахтных печах при температуре + 14 500 градусов, преобразуясь в сплав, состоящий из сульфидов железа и меди (штейн). Чтобы повысить качество, проводится конвертерный обдув без подачи топлива. Содержание меди в таком сплаве составляет примерно 91%. Вторая стадия – рафинирование, после чего медная составляющая увеличивается до 99.9%.
Гидрометаллургический способ основывается на выщелачивании. Для этого руду дробят на небольшие куски, и заливают растворителями:
- NH4OH;
- H2SO4;
- Fe (SO4).
В результате получается раствор, в котором выделяется медь и другие металлы. Формулы процесса:
- CuO+H2SO4>CuSO4+H2O – выщелачивание серной кислотой;
- CuSO4+2Fe2SO4>4FeSO4+2CuSO+S – применение сульфата железа;
- Cu2S + 2 Fe2 (SО4)3>2 СuSO4 + 4 FeSO4 + S – выщелачивание сернокислым железом.
Полученный раствор проходит последующую обработку для извлечения металла. Например, может использоваться методика цементации: CuSО4 + Fe>FeSО4 + Cu. Здесь в состав добавляются куски железа, заменяющие медную составляющую в сернокислых солях.
Область применения
Медная плита находит широкое применение в строительстве, автомобильной, корабельной и железнодорожной промышленности.
Медный лист применяется при возведении кровель, фасадов, заборов и ограждений. А из-за бактерицидности металлической поверхности изделий из меди делают предметы для использования в больницах: двери, ручки, поручни, перила и даже посуду.
Медная труба предназначена для транспортировки жидких и воздушных сред в системах водо- и газоснабжения, отопления, кондиционирования, а также в теплообменниках и холодильных установках. Помимо бытовых инженерных коммуникаций, такие трубы применяются в судостроении и энергетике.
Медная проволока идет на производство кабельной продукции и проводов с невысоким сопротивлением и особенными магнитными свойствами.
Медная лента используется в приборостроении, электротехнике и радиоэлектронике, при изготовлении проводников, обмотков, силовых трансформаторов.
Медный пруток также нередко применяется в строительной и промышленной отрасли. Из него могут готовить подшипники, стеклоподъемники, водозапорную арматуру, декоративные конструкции в архитектуре и интерьере зданий.
Особенности популярных медных сплавов
Сплав М1 изготавливается в соответствии с ГОСТ 859-2014, является высокопластичным и хорошо обрабатываемым металлом, отличается наибольшим содержанием меди (99,9%). В качестве дополнительных элементов встречаются цинк, никель, фосфор, железо, мышьяк, кислород, олово, висмут (суммарно не более 0,1%). Удельное электрическое сопротивление составляет 0,018 мкОм. Сплав может быть двух типов – твердый (М1т) и мягкий (М1м), они различаются по пределам прочности и текучести. Металлопрокат востребован в автомобиле- и авиастроении, при создании проводников тока, криогенной техники, проволоки и прутков.
Сплав М2 имеет меньший коэффициент меди в составе (99,7%). Остальные 0,3% приходятся на никель, железо, сурьму, кислород, олово, свинец, серу, мышьяк. Данная марка пластична и не поддается ржавлению, превосходно обрабатывается под давлением и применяется для изготовления сплавов на медной основе и деталей холодильной техники.
Сплав М3 – это медь техническая, она включает наименьший процент металла среди представленных (99,5%). В качестве легирующих компонентов используются те же элементы, что и в М2, только в большей пропорции (до 0,5%), что делает этот сплав самым доступным по стоимости. Оптимально подходит для металлических изделий, которые реализуются прокатным способом, а также литейных сплавов.
Биологическая ценность для человека
Медь относится к категории жизненно-необходимых элементов, и в организме взрослого человека, содержится около 100 граммов этого металла. Переоценка токсичности данного вещества проводилась в 2003 году Всемирной Организацией Здравоохранения. Исследования установили, что медь не является причиной заболеваний пищеварительного тракта, и не провоцирует развитие болезни Вильсона-Коновалова (гепатоцеребральная дистрофия, поражающая печень и головной мозг), как считалось ранее. Учёные пришли к выводу, что для здоровья человека больше вреден недостаток меди, а не её переизбыток.
Бактерицидность меди известна давно, а последние исследования в этой области подтвердили эффективность металла в профилактике свиного гриппа, поражения золотистым стафилококком. В экспериментах было установлено, что на медной поверхности погибает 99% болезнетворных бактерий в течение 2-х часов. Поэтому медь и её сплавы широко применяется для обеззараживания воды. В Европе из этого металла изготавливаются дверные ручки, замки, петли и перила, которые устанавливаются в медучреждениях и местах общего пользования.