Реферат: Медь
Содержание
Вступление……………………………………….1
Химическиесвойства……………………………1
Минералы………………………………………...4
Медныесплавы…………………………………..4
Маркимедных сплавов………………………….5
Медно-цинковыесплавы. Латуни………………6
Оловянныебронзы………………………………7
Алюминиевыебронзы…………………………..8
Кремнистыебронзы……………………………..9
Бериллиевыебронзы…………………………….9
Медьв промышленности………………………..9
Медьв жизни растений и животных……………12
Медь
Вступление
Медь (лат. Cuprum) — химический элемент. Один из семиметаллов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данныммедь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р. Христова. Знакомствочеловечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; этообъясняется, с одной стороны, более частым нахождением меди в свободномсостоянии на поверхности земли, а с другой — сравнительной легкостью полученияее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum),откуда и название ее Cuprum.
Медь как художественный материалиспользуется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые илитые изделия из Меди и сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением.Лёгкость обработки Меди (обусловленная её мягкостью) позволяет мастерамдобиваться разнообразия фактур, тщательности проработки деталей, тонкоймоделировки формы. Изделия из Меди отличаются красотой золотистых иликрасноватых тонов, а также свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередкозолотят, патинируют, тонируют, украшают эмалью. С 15 века Медь применяетсятакже для изготовления печатных форм.
Химические и физические свойстваэлементаМедь — химический элемент I группы периодической системы Менделеева;атомный номер — 29, атомная масса — 63,546. Температура плавления- 1083° C; температура кипения — 2595° C; плотность — 8,98 г/см3.По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильнымэлементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части накривой атомных объемов.
Чистая медь- тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонкихслоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны идля многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.
Общеесодержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако оначаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородкимеди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лёгкостьюобработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использованачеловеком.
Академиком В.И. Вернадским в первой половине 1930 г были проведеныисследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разныхминералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимическихпроцессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями. Какэлемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu(63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu (65) — 30,91%. Всоединениях медь проявляет валентность +1 и +2, известны также немногочисленныесоединения трехвалентной меди.
К валентности 1 относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды иминерал куприт — Cu2O. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентностидва. Радиус одновалентной меди +0.96. Величина атомного радиуса двухвалентноймеди — 1,28; ионного радиуса 0,80.
Медь — металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде принормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакциис галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь невзаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающиеокислительными свойствами, на медь не действуют.
Электроотрицательность атомов — способность при вступлении в соединенияпритягивать электроны. Электроотрицательность Cu2+ — 984 кДж/моль,Cu+ — 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионнуюсвязь, а элементы с близкой ЭО — ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеютпромежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984,Pb-733). Медь является амфотерным элементом — образует в земной коре катионы ианионы.
МинералыМедь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленностиважны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов,сульфатов. Главными рудными минералами являются халькопирит CuFeS2,ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4, халькозин Cu2S.
Окислы: тенорит, куприт. Карбонаты: малахит, азурит. Сульфаты:халькантит, брошантит. Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит.
Чистая медь — тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, вочень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета,характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и врастворах.
Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двухпримеров:
CuCl — белый, Cu2O — красный, CuCl2+H2O- голубой, CuO — черный
Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержанияводы.
Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли икарбонаты (силикаты).
Медные сплавы
Для деталей машин используют сплавы меди с цинком,оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большейпрочности: 30-40 кгс/мм2 у сплавов и 25-29 кгс/мм^2 у техническичистой меди.
Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторыхалюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механическиесвойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием наструктуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже,чем у стали).
Основное преимущество медных сплавов — низкийкоэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парахскольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошейстойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошейэлектропроводностью.
Величина коэффициента трения практически одинакова увсех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а такжеповедение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, отструктуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных.
Марки медныхсплавов.Марки обозначаются следующим образом.
Первые буквы в марке означают: Л — латунь и Бр — бронза.
Буквы, следующие за буквой Л в латуни или Бр. Вбронзе, означают:
А — алюминий, Б — бериллий, Ж — железо, К — кремний,Мц — марганец,
Н — никель, О — олово, С — свинец, Ц — цинк, Ф. — фосфор.
Цифры, помещенные после буквы, указывают среднеепроцентное содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый длялатуней, отличается от порядка, принятого для бронз.
В марках латуни первые две цифры (после буквы)указывают содержание основного компонента — меди. Остальные цифры, отделяемыедруг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов.
Эти цифры расположены в том же порядке, как и буквы,указывающие присутствие в сплаве того или иного элемента. Таким образомсодержание цинка в наименовании марки латуни не указывается и определяется поразности. Например, Л68 означает латунь с 68% Cu (в среднем) и не имеющуюдругих легирующих элементов, кроме цинка; его содержание составляет (поразности) 32%. ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с 60% Cu, легированную алюминием (А) в количестве 1%, с железом (Ж) в количестве 3% и марганцем (Мц) вколичестве 1%. Содержание цинка (в среднем) определяется вычетом из 100% суммыпроцентов содержания меди, алюминия, железа и марганца.
В марках бронзы (как и в сталях) содержание основногокомпонента — меди — не указывается, а определяется по разности. Цифры послебукв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержаниелегирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы,указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом.
Например, Бр.ОЦ10-2 означает бронзу с содержаниемолова (О) ~ 4% и цинка (Ц) ~ 3%.Содержание меди определяется по разности (из100%). Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al, 4% Fe и 4% Ni (и 82% Cu). Бр.КМц3-1 означает бронзу с 3% Si, и 1% Mn (и 96% Cu).
Медно-цинковые сплавы. Латуни
По химическому составу различают латуни простые исложные, а по структуре — однофазные и двухфазные. Простые латуни легируютсяодним компонентом: цинком.
Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность;она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70, Л67). Латуни с болеенизким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 впластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляютсяв прокате и поковках.
Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (ноглавным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются нетолько в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердыхчастиц второй фазы.
Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 приоднофазной структуре и 40-45 кгс/мм2 при двухфазной. Прочностьоднофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластическойдеформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией).
Оловянные бронзыОднофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни впрочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).
Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно послезначительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные иупругие свойства .
Для двухфазных бронз характерна более высокаяизносостойкость.
Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз — высокие литейные свойства; они получают при литье наиболее низкий коэффициентусадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзыприменяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов иподобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара.Недостаток отливок из оловянных бронз — их значительная микропористость.Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяютсяалюминиевыми бронзами.
Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы,в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).
Алюминиевые бронзы
Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широкозаменяют латуни и оловянные бронзы.
Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеютнаибольшую пластичность. Их используют для листов (в том числе небольшойтолщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холоднойпластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость.Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. Уалюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных;коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечиваетполучение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением вуказанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, вчастности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей приповышенных напряжениях.
Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют болеевысокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложныхалюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60кгс/мм2 .
Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошоустойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации,и т.д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, вчастности для токоведущих пружин.
Кремнистые бронзы
Применение кремнистых бронз ограниченно. Используютсяоднофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы илатуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.
Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих вуказанных средах.
Кремнистые бронзы, дополнительно легированныемарганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенныепрочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различныхупругих элементов.
Бериллиевые бронзы
Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (до 120 кгс/мм2 ) и коррозионную стойкость с повышеннойэлектропроводностью.
Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллияиспользуют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения ввиде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрическихмашинах, аппаратах и приборах.
Указанные свойства бериллиевые бронзы получаются послезакалки и старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается спонижением температуры.
Выделение при старении частиц химического соединенияCuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.
Медь в промышленности
В настоящее время медь добывают изруд. Последние, в зависимости от характера входящих в их состав соединений,подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшеезначение, поскольку из них выплавляется 80% всей добываемой меди.
Важнейшими минералами, входящими всостав медных руд, являются: халькозин или медный блеск — Cu2S;халькопирит или медный колчедан — CuFeS2; малахит — (CuOH)2CO3.Медные руды, как правило, содержат большоеколичество пустой породы, так что непосредственное получение из них медиэкономически невыгодно. Поэтому в металлургии меди особенно важную роль играетобогащение (обычно флотационный метод), позволяющее использовать руды снебольшим содержанием меди.
Выплавка меди их её сульфидных рудили концентратов представляет собою сложный пpо-цесс. Обычно он слагается изследующих операций:
· обжиг
· плавка
· конвертирование
· огневое рафинирование
· электролитическое рафинирование
В ходе обжига большая часть сульфидовпpимесных элементов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинствамедных руд, пирит — FeS2 — превращается в Fe2O3.Газы, отходящие при обжиге, содержат SO2 и используются дляполучения серной кислоты.
Получающиеся в ходе обжига оксидыжелеза, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Основной жепродукт плавки — жидкий штейн (Cu2S с примесью FeS) поступает вконвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяетсядиоксид серы и получается черновая или сырая медь.
Для извлечения ценных спутников (Au,Ag, Te и др.) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергаетсяогневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневогорафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом пpимеси железа,цинка, кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. Медь же разливают вформы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.
Чистая медь — тягучий вязкий металлсветло-розового цвета, легко пpокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошопроводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. Всухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхноститончайшая плёнка оксидов придает меди более тёмный цвет и также служит хорошейзащитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углеродаповерхность меди покрывается зеленоватым налётом гидpоксокаpбоната меди — (CuOH)2CO3. При нагревании на воздухе в интервалетемператур 200-375oC медь окисляется до черного оксида меди(II) CuO.При более высоких температурах на её поверхности образуется двухслойнаяокалина: поверхностный слой представляет собой оксид меди(II), а внутренний — красный оксид меди(I) — Cu2O.
Медь широко используется впромышленности из-за :
· высокой теплопроводимости
· высокой электропроводимости
· ковкости
· хороших литейных качеств
· большого сопротивления на разрыв
· химической стойкости
Около 40% меди идёт на изготовлениеразличных электрических проводов и кабелей. Широкое применение вмашиностроительной промышленности и электротехнике нашли различные сплавы медис другими веществами. Наиболее важные из них являются латуни (сплав медис цинком), медноникеливые сплавы и бронзы.
Все медные сплавы обладают высокойстойкостью против атмосферной коррозии.
В химическом отношении медь —малоактивный металл. Однако с галогенами она реагирует уже при комнатнойтемпературе. Например, с влажным хлором она образует хлорид — CuCl2.При нагревании медь взаимодействует и с серой, образуя сульфид — Cu2S.
Находясь в ряду напряжения послеводорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленнаясерная кислоты на медь не действуют. Однако в присутствии кислорода медьрастворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей:
2Cu + 4HCl +O2 —> 2CuCl2 + 2H2O
Летучие соединения меди окрашиваютнесветящееся пламя газовой горелки в сине-зелёный цвет.
Соединения меди(I) в общем менееустойчивы, чем соединения меди(II), оксид Cu2O3 и егопроизводные весьма нестойки. В паре с металлической медью Cu2Oприменяется в купоросных выпрямителях переменного тока.
Оксид меди(II) (окись меди) — CuO — черное вещество, встречающееся в природе (например в виде минерала тенеpита).Его легко можно получит прокаливанием гидpоксокаpбоната меди(II) (CuOH)2CO3или нитрата меди(II) — Cu(NO3)2. При нагревании сразличными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод вдиоксид углерода, а водород – в воду и восстанавливаясь при этом вметаллическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализеорганических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.
Гидроксокарбонат меди(II) — (CuOH)2CO3 — встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивыйизумрудно-зелёный цвет, применяется для получения хлорида меди(II), дляприготовления синих и зелёных минеральных красок, а также в пиротехнике.
Сульфат меди(II) — CuSO4 — в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощенииводы синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влаги в органическихжидкостях.
Смешанный ацетат-арсенит меди(II) — Cu(CH3COO)2•Cu3(AsO3)2 — применяется под названием «парижская зелень» для уничтожениявредителей растений.
Из солей меди вырабатывают большое количество минеральныхкрасок, разнообразных по цвету: зелёных, синих, коричневых, фиолетовых ичерных. Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят – покрывают внутрислоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей.
Хаpактеpноесвойство двухзарядных ионов меди – их способность соединяться с молекуламиаммиака с образованием комплексных ионов.
Медь принадлежит к числумикроэлементов. Такое название получили Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co в связи стем, что малые количества их необходимы для нормальной жизнедеятельностирастений.
Медь в жизни растений и животных
Медь — необходимый для растений иживотных микроэлемент. Основная биохимическая функция Меди — участие вферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащихферментов. Количество Меди в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05 % (на сухоевещество) и зависит от вида растения и содержания Меди в почве. В растенияхМедь входит в состав ферментов-оксидов и белка пластоцианина. В оптимальныхконцентрациях Медь повышает холодостойкость растений, способствует их росту иразвитию. Среди животных наиболее богаты Медью некоторые беспозвоночные (умоллюсков и ракообразных в гемоцианине содержится 0,15 — 0,26 % Меди). Поступаяс пищей, Медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови —альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка церулоплазминавозвращается в кровь и доставляется к органам и тканям.
Содержание Меди у человека колеблется(на 100 г сухой массы) от 5 мг в печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела —от 100 мкг (на 100 мл) в крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего Медив организме взрослого человека около 100 мг. Медь входит в состав рядаферментов (например, тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворнуюфункцию костного мозга. Малые дозы Меди влияют на обмен углеводов (снижениесодержания сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количествафосфора) и других. Увеличение содержания Меди в крови приводит к превращениюминеральных соединений железа в органические, стимулирует использованиенакопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.
При недостатке Меди злаковые растенияпоражаются так называемой болезнью обработки, плодовые — экзантемой; у животныхуменьшаются всасывание и использование железа, что приводит к анемии,сопровождающейся поносом и истощением. Применяются медные микроудобрения иподкормка животных солями Меди. Отравление Медью приводит к анемии, заболеваниюпечени, болезни Вильсона. У человека отравление возникает редко благодарятонким механизмам всасывания и выведения Меди. Однако в больших дозах Медьвызывает рвоту; при всасывании Меди может наступить общее отравление (понос,ослабление дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).
В медицине сульфат Меди применяют какантисептическое и вяжущее средство в виде глазных капель при конъюнктивитах иглазных карандашей для лечения трахомы. Раствор сульфата Меди используют такжепри ожогах кожи фосфором. Иногда сульфат Меди применяют как рвотное средство.Нитрат Меди употребляют в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.