Металлы и их сплавы

метки: Металл, Основной, Сведение, Закись, Водород, Твердый, Отжечь, Реакция

Распространение меди в природе. Месторождения.

Физические и химические свойства меди.

• Физические свойства
• • Цвет меди и её соединений. Электропроводимость.
  • Характеристики основных физико-механических свойств меди
• Химические свойства
• • Отношение к кислороду.
  • Взаимодействие с водой.
  • Взаимодействие с кислотами.
  • Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам.
  • Оксид меди.
  • Гидроксиды меди.
  • Сульфаты.
  • Карбонаты. Комплексообразование.
  • Качественные реакции на ионы меди.

Сплавы

• Латуни
• • Бронзы
  • Медноникелевые сплавы

Медь и живые организмы, применение меди

Распространение меди в природе.

Месторождения

Металлы подгруппы меди обладают небольшой химической активностью, поэтому они находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном виде, особенно золото.

Медь в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде сернистых соединений — халькопирита (или) и халькозина. Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к сере, в настоящее время сульфиды — наиболее распространенные минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы, например:

.

При температуре ниже 1000⁰ C происходило образование окиси меди, которая в небольших количествах встречается в природе:

.

Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами:

.

5 стр., 2316 слов

Медь и её свойства

... медь не реагирует. При контакте с водородом медь становится хрупкой (так называемая «водородная болезнь» меди) ... меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При взаимодействии Cu2 O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат меди: ... красный оксид меди (III) Cu2 O3 , обладающий сильными окислительными свойствами. Медь реагирует ... 3.Нахождение в природе В земной коре содержание меди составляет около ...

Подобные процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах. Такие природные «металлургические заводы» выплавляют громадные количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов.

Некоторые другие минералы меди получились из окисных руд. Например, под действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и образование основных карбонатов:

.

В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В «лаборатории» природы сроки в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился в изумительный по красоте минерал — малахит. Особенно красив полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности камня.

Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III):

.

Растворы сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе и в настоящее время.

Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же — медный колчедан) CuFeS₂ , халькозин (медный блеск) Cu₂ S, ковеллин CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu₅ FeS₄ . Иногда встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре — 4,7*10^-3 % по массе (10¹⁵ — 10¹⁶ тонн).

Соединения элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно, что объясняется различием в геологических условиях, сложившихся в различных местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго (Катангский пояс).

Материалы, собранные археологами о древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.

Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов «для сыску медные руды», где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: «Медные руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим». Из документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из «Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков». В 1702 г. стала выходить первая русская газета «Ведомости», которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: «Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству».

В начале этого столетия главнейшими месторождениями, которые разрабатывались, были: в районе Северного Урала — Богословский завод, в районе Нижнего Тагила — Выйский завод, а на Кавказе — Калакентский и Кедабекский заводы.

В наше время известны месторождения меди на восточном склоне Урала, Средней Азии, Закавказье и т. д.

Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов, которое покрыто так называемыми конкрециями — скоплениями в виде камней округлой неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам ученых запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн.

Физические и химические свойства меди

Физические свойства

Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет «зазоров» и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.

Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием «зазоров» между ион-атомами.

Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек — «усов». Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.

Цвет меди и её соединений

Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl — белый, Cu₂ O — красный, CuCl + H₂ O — голубой, CuO — черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.

Электропроводимость

Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено её применение в электронике.

Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.

Характеристики основных физико-механических свойств меди

Плотность r, кг/м3
Температура плавления Тпл, ° С
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г
Теплопроводность l, Вт/ (м Ч град), при 20−100 ° С
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г Ч К), при 20−100 ° С	0,375
Коэффициент линейного расширения a Ч 10−6, град-1, при 0−100 ° С	16,8
Удельное электросопротивление r Ч 108, Ом Ч м, при 20−100 ° С	1,724
Температурный коэффициент электросопротивления, град-1, при 20−100 ° С	4,3Ч 10−3
Предел прочности s в, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	190−215
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280−360
Относительное удлинение d, %
мягкой меди (в отожженном состоянии)
твердой меди (в нагартованном состоянии)
Твердость по Бринеллю НВ , МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
твердой меди (в нагартованном состоянии)
Предел текучести s t, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60−75
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280−340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	630−470
Модуль сдвига G Ч 10−3, МПа	42−46
Модуль упругости Е Ч 10−3, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	117−126
твердой меди (в нагартованном состоянии)	122−135
Температура рекристаллизации, ° С	180−300
Температура горячей деформации, ° С	1050−750
Температура литья, ° С	1150−1250
Линейная усадка, %	2,1

Химические свойства

Строение атома.

Рисунок 2. Схема строения атома меди.

₂₉ Cu 1s¹ 2s² sp⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹

E _{ионизации 1} = 7.72 эВ

E _{ионизации 2} = 20.29 эВ

E _{ионизации 3} = 36.83 эВ

Отношение к кислороду

Медь проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном воздухе постепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета, состоящей из основных карбонатов меди:

В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется тончайший слой оксида меди:

Внешне медь при этом не меняется, так как оксид меди (I) как и сама медь, розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет, т. е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например при 600−800 ⁰ C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I), которая с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется двухслойное окисное покрытие.

Q _{образования} (Cu₂ O) = 84 935 кДж.

Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди.

Взаимодействие с водой

Металлы подгруппы меди стоят в конце электрохимического ряда напряжений, после иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В то же время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди из растворов их солей, например:. Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход электронов:

Молекулярный водород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом. Объясняется это тем, что связь между атомами водорода прочная и на ее разрыв затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами водорода.

Медь при отсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната:

Взаимодействие с кислотами

Находясь в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей: .

Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам

Q _{образования} (CuCl) = 134 300 кДж

Q _{образования} (CuCl₂ ) = 111 700 кДж Медь хорошо реагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX₂ . При действии галогенов при комнатной температуре видимых изменений не происходит, но на поверхности вначале образуется слой адсорбированных молекул, а затем и тончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с медью происходит очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим ее в горячем виде в банку с хлором — около меди появятся бурые пары, состоящие из хлорида меди (II) CuCl₂ с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты.

Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической меди с раствором галогенида двухвалентной меди, например:. Монохлорид выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.

Оксид меди

При прокаливании меди на воздухе она покрывается черным налетом, состоящим из оксида меди. Его также легко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH) ₂ CO₃ или нитрата меди (II) Cu (NO₃ )₂ . При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород — в воду восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

Под слоем меди расположен окисел розового цвета — закись меди Cu ₂ O. Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных количеств меди и окиси меди, взятых в виде порошков: .

Закись меди используют при устройстве выпрямителей переменного тока, называемых купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до 1020−1050 ⁰ C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из закиси меди и окиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое время в азотной кислоте: .

Пластинку промывают, высушивают и прокаливают при невысокой температуре — и выпрямитель готов. Электроны могут проходить только от меди через закись меди. В обратном направлении электроны проходить не могут. Это объясняется тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое закиси меди, который примыкает непосредственно к меди, имеется избыток электронов, и электрический ток проходит за счет электронов, т. е. существует электронная проводимость. В наружном слое закиси меди наблюдается нехватка электронов, что равноценно появлению положительных зарядов. Поэтому, когда к меди подводят положительный плюс источника тока, а к закиси меди — отрицательный, то электроны через систему не проходят. Электроны при таком положении полюсов движутся к положительному электроду, а положительные заряды — к отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайший слой, лишенный носителей электрического тока, — запирающий слой. Когда же медь подключена к отрицательному полюсу, а закись меди к положительному, то движение электронов и положительных зарядов изменяется на обратное, и через систему проходит электрический ток. Так работает купроксный выпрямитель.

Гидроксиды меди

Гидроксид меди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при действии щелочи на раствор соли:. Это ионная реакция и протекает она потому, что образуется плохо диссоциированное соединение, выпадающее в осадок:

Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид меди (I) белого цвета:. Это нестойкое соединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II): .

Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди (II) хорошо растворим не только в кислотах, но и в концентрированных растворах щелочей:, .

Таким образом, гидроксид меди (II) может диссоциировать и как основание: и как кислота. Этот тип диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных групп воды:

Сульфаты

Наибольшее практическое значение имеет CuSO ₄ *5H₂ O, называемый медным купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной серной кислоте. Поскольку медь относится к малоактивным металлам и расположена в ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется: .

Медный купорос применяют при электролитическом получении меди, в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, для получения других соединений меди.

Карбонаты

Карбонаты для металлов подгруппы меди не характерны и в практике почти не применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной карбонат меди, который встречается в природе.

Комплексообразование

Характерное свойство двухзарядных ионов меди — их способность соединятся с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.

Качественные реакции на ионы меди

Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появление интенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием комплексного иона меди [Cu (NH ₃ )₄ ]²⁺ :

Медь интенсивно окрашивает пламя в зеленый цвет.

Пример качественного анализа сплава меди

Исследуемый объект	Реагент, действие	Осадок	Раствор	Наблюдение	Выводы
Часть сплава	Нагревание с конц. HNO 3			Раствор 1 сразу приобрёл зелёную окраску, которая перешла в голубую после охлаждения
Раствор 1