Какие элементы содержатся меде

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.

Медь — минерал из класса самородных элементов. В природном минерале обнаруживаются Fe, Ag, Au, As и другие элементы в виде примеси или образующие с Cu твёрдые растворы. Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Он входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён. Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных.

СТРУКТУРА

Кубическая сингония, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, кристаллическая структура — кубическая гранецентрированная решётка. Модель представляет собой куб из восьми атомов в углах и шести атомов , расположенных в центре граней (6 граней). Каждый атом данной кристаллической решетки имеет координационное число 12. Самородная медь встречается в виде пластинок, губчатых и сплошных масс, нитевидных и проволочных агрегатов, а также кристаллов, сложных двойников, скелетных кристаллов и дендритов. Поверхность часто покрыта плёнками «медной зелени» (малахит), «медной сини» (азурит), фосфатов меди и других продуктов её вторичного изменения.

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 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.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) — (4,7-5,5)·10−3% (по массе). В морской и речной воде содержание меди гораздо меньше: 3·10−7% и 10−7% (по массе) соответственно. Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %. 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.
Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз. Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Обычно самородная медь образуется в зоне окисления некоторых медносульфидных месторождений в ассоциации с кальцитом, самородным серебром, купритом, малахитом, азуритом, брошантитом и другими минералами. Массы отдельных скоплений самородной меди достигают 400 тонн. Крупные промышленные месторождения самородной меди вместе с другими медьсодержащими минералами формируются при воздействии на вулканические породы (диабазы, мелафиры) гидротермальных растворов, вулканических паров и газов, обогащенных летучими соединениями меди (например, месторождение озера Верхнее, США).
Самородная медь встречается также в осадочных породах, преимущественно в медистых песчаниках и сланцах.
Наиболее известные месторождения самородной меди — Туринские рудники (Урал), Джезказганское (Казахстан), в США (на полуострове Кивино, в штатах Аризона и Юта).

ПРИМЕНЕНИЕ

Из-за низкого удельного сопротивления, медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов и силовых трансформаторов.
Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.
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.
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 этим механическим воздействиям.
Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать её применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Медь (англ. Copper) — Cu

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА