Медь и ее сплавы

1

• Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.
• Характеристики основных физико-механических свойств меди

Плотность r , кг/м3	8890
Температура плавления Тпл, ° С	1083
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	208
Теплопроводность l , Вт/ (м ? град), при 20-100 ° С	390
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г ? К), при 20-100 ° С	0,375
Коэффициент линейного расширения a ? 10-6, град-1, при 0-100 ° С	16,8
Удельное электросопротивление r ? 108, Ом ? м, при 20-100 ° С	1,724
Температурный коэффициент электросопротивления, град-1, при 20-100 ° С	4,3? 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)	60
твердой меди (в нагартованном состоянии)	6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	45
твердой меди (в нагартованном состоянии)	110
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 ? 10-3, МПа	42-46
Модуль упругости Е ? 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.

1

• Рисунок 2. Схема строения атома меди.
• ₂₉Cu 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 ⁰C. 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} (Cu₂O) = 84935 кДж.

1

• 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) = 134300 кДж
• Q_{образования} (CuCl₂) = 111700 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)₂CO₃ 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 Cu₂O. 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 ⁰C. 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. [6, с.63]
• 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 CuSO₄*5H₂O, 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(NH₃)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. HNO3			Раствор 1 сразу приобрёл зелёную окраску, которая перешла в голубую после охлаждения
Раствор 1	25% NH3, Добавление 1-2 капли			Раствор стал синим	Это медный сплав
Часть сплава	HNO3, Сначала растворяют часть стружек в 10 каплях 6М HNO3, а затем добавляют 20-25 капель конц. HNO3, нагревают до полного растворения сплава		Раствор 2 может содержать Cu, Zn, Ni, Cd, Fe, Mn, Al, Pb, Sn, Sb	Осадок не выпал
Раствор 2, Ni2+	Диметил-глиоксим			Раствор позеленел	Ni нет
Fe3+	NH4CNS			Кристаллы окрасились в красный цвет, потом раствор позеленел и выпал чёрный осадок	Есть Fe3+
Cd2+	Дифенил-карбазид			Раствор стал красным	Есть Cd
Zn2+	Дитизон			Фаза дитизона окрасилась в малиновый цвет	Есть Zn
Mn	NaBiO3			Ничего не произошло	Mn нет
Al3+	Ализарин			Раствор стал жёлто-коричневым	Al нет
	Окси-хинолин			Выпал зелёно-жёлтый осадок	Al нет
Раствор 2	HCl, H2SO4, добавление		Раствор 3 возможно содержит Sb, Sn	Осадок не выпал	Pb возможно нет
Раствор 3	H2O2 и NaOH	Осадок 1 может содержать Sb	Раствор 4 может содержать Sn	Выпал зелёно-серый осадок (образовался ос.2 и р-р 2)
Осадок 1	HNO3		Раствор 5	Осадок растворился	Sb нет
Раствор 5	NH3, NH4Cl, H2O2			Осадок не выпал
Раствор 4	NH4Cl			Осадок не выпал	Sn нет
Раствор 2	I-			Выпал жёлтый осадок, который приобрёл красный оттенок	Есть Pb2+

Проведённый качественный анализ даёт основания считать, что в сплаве содержится медь, цинк, кадмий, железо, свинец. Таким образом этот сплав является латунью.

Сплавы

Латуни

Латуни -- это двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент -- цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни -- наиболее дешевые медные сплавы.

Двойные (простые) латуни относятся к системе Cu--Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образует кроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b , g и т. д.

Фаза b -- это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм--Розери) с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b -фаза переходит в упорядоченное состояние (b ® b ? ), причем b ? -фаза в отличие от

b -фазы является более твердой и хрупкой.

Фаза g -- твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu5Zn8 отличается очень высокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключается.

Механические свойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочности достигается в двухфазной области (a + b ) при содержании цинка около 45 %. При большем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ? -фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a - и (a + b )-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни.

Все латуни, содержащие более 20 % Zn, склонны к коррозионному растрескиванию. Это растрескивание проявляется при хранении и эксплуатации изделий, в которых имеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной атмосфере с небольшим количеством аммиака или сернистого газа. Установлена определенная связь между данным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезонным растрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни является обесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка (Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаются обесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшое количество мышьяка (0,02-0,06 %).

В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначают основные компоненты сплава, числа -- их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы «Л». В двойных (простых) латунях число после буквы «Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латуней после буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующие обозначения: О -- олово; А -- алюминий; Н -- никель; К -- кремний; Ж -- железо и т. д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди, последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu, 2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначается буквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu -- основа.

Бронзы

Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы.

По химическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и в каждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся на обрабатываемые давлением и литейные.

В марке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017-74) и безоловянных бронз (18175-78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов (например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613-79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493-79) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например, БрА9Ж3Л).

Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов. Для бронз, в которых легирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характерно твердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путем пластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе, упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которой упрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением.

Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Медноникелевые сплавы

Никель -- металл серебристо-белого цвета, кристаллизующийся в решетку ГЦК с параметром а = 0,352 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не имеет. При температуре ниже 358 ° С (точка Кюри) никель является слабым ферромагнетиком. Никель -- прочный, высокопластичный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, повышенной температурой плавления и высокой каталитической способностью. Это обусловило его широкое применение в металлургии, машиностроении, электронике, медицине и других отраслях техники.

Сплавы меди с никелем отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, технологичностью и особыми электрическими свойствами, что обусловливает широкое применение их в технике.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы. Никель существенно упроч-няет медь, причем максимальную прочность и твердость имеют сплавы примерно эквиатомного состава. Важно отметить, что при этом характеристики пластичности и ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристики жаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивления меди.

По назначению медноникелевые сплавы делятся на две группы: конструкционные и электротехнические. К первой группе относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль, ко второй -- константан, манганин и копель, обладающие высоким электрическим сопротивлением и определенными термоэлектрическими свойствами.

Медь и живые организмы, применение меди

Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов и ферментов. При отсутствии или недостатке меди в растительных тканях уменьшается содержание хлорофилла, листья желтеют, растение перестает плодоносить и может погибнуть. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO₄*5H₂O. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. Польские ученые установили, что в тех водоемах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными габаритами. В прудах и озерах, где нет меди, быстро развивается грибок, который поражает карпов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.

Из представителей живого мира небольшие количества меди содержат осьминоги, каракатицы, устрицы и некоторые другие моллюски. В крови ракообразных и головоногих, медь входящая в состав их дыхательного пигмента - гемоциана (0,33-0,38%), - играет ту же роль, что железо в крови других животных. Соединяясь с кислородом воздуха, гемоцианин синеет (поэтому у улиток кровь голубая), а отдавая кислород тканям, - обесцвечивается. У животных, стоящих на более высокой ступени развития, и у человека медь содержится главным образом в печени. Ежедневная потребность человеческого организма - примерно 0,005 грамма этого элемента. При недостаточном поступлении меди с пищей у человека развивается малокровие, появляется слабость.

С биологическими процессами связан и один из способов добычи меди. Еще в начале XX века в Америке были зарыты медные рудники в штате Юта: решив, что запасы руды уже исчерпаны, хозяева рудников затопили их водой. Когда спустя два года воду откачали, в ней оказалось 12 тысяч тонн меди. Подобный случай произошел и в Мексике, где из заброшенных рудников, на который махнули рукой, только за один год было “вычерпано” 10 тысяч тонн меди. Оказалось, что среди многочисленных видов бактерий есть и такие, для которых любимым лакомством служат сернистые соединения некоторых металлов. Поскольку медь в природе связана именно с серой, эти микробы неравнодушны к медным рудам. Окисляя нерастворимые в воде сульфиды, микробы превращают их в легко растворимые соединения, причем процесс этот протекает очень быстро. Так при обычном окислении за 24 дня из халькопирита выщелачивается 5% меди, то в опытах с участием бактерий за 4 дня удалось извлечь 80% этого элемента.

Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в радиотехнике и электротехнической промышленности. Это связано с ее хорошей проводимостью и относительно высокой коррозионной стойкостью. К меди, идущей на изготовление электрических проводов, часто добавляют в небольшом количестве кадмий, который не снижает электропроводимость меди, но повышает ее прочность на разрыв.

Древнейший сплав меди с цинком - латунь и в настоящее время производится в больших количествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-45%. Она применяется для изготовления различной арматуры, соприкасающейся с водой (краны, вентили и т.д.), а также для производства различных труб. Из латуни прокатывают полосы и листы, идущие для выработки самых разнообразных изделий (проволока, произведения искусств, предметы быта и т.д.).

Латунь хорошо прокатывается, штампуется и несколько дешевле меди, так как цинк более дешевый металл по сравнению с медью.

Другие сплавы меди называются бронзами. Наиболее распространенная бронза - оловянная. Она содержит от 5 до 80% олова. В зависимости от содержания олова свойства и назначение меняется. При содержании олова 10-13% ее цвет красновато-желтый, а более 27-30% - белый. Подшипниковая бронза содержит 81-87% меди. Для изготовления подшипников, различных тормозных устройств, где происходит скольжение металла, применяют бронзы, содержащие до 45% свинца. В часовых и других точных механизмах, где нужна высокая механическая прочность и коррозионная стойкость, применяется бериллиевая бронза, содержащая 1-2% бериллия. Ее прочность равна прочности стали.

В быту и особенно в химической промышленности применяют сплавы меди с никелем, например монель-металл, в котором отношение меди к никелю равно 2:1, и мельхиор, в котором это соотношение равно 4:1. Мельхиор по внешнему виду похож на серебро, из него приготовляют предметы домашнего обихода: ложки, вилки, подносы и т.д. Монель-металл применяют для изготовления монет, различных реакторов для химической промышленности, так как это сплав коррозионно-стоек.

Гидроксокарбонат меди (II) - (CuOH)₂CO₃ - применяют для получения хлорида меди (II), для приготовления синих и зеленых минеральных красок, а также в пиротехнике.

Сульфат меди (II) - CuSO₄ - в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощении воды синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влаги в органических жидкостях.

Смешанный ацетат-арсенит меди (II) - Cu(CH₃COO)₂*Cu₃(AsO₃)₂ - применяют под названием “парижская зелень” для уничтожения вредителей растений.

Из солее меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету: зеленых, синих, коричневых, фиолетовых и черных. Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят - покрывают внутри слоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей.

Заключение

Вот и подошла к концу моя работа. Подвести какие-либо итога довольно трудно. Медь использовалась, используется и, скорее всего, будет использоваться до тех пор, пока её ещё возможно будет добывать. Потому как запасы полезных ископаемых уменьшаются с каждым днём, даже с каждым часом, довольно проблематично сказать, когда «грянет гром». Скоро. К сожалению…

Но пока что рано начинать впадать в панику. Да и вообще делать этого никогда не следует. Вместо этого давайте выразим в нескольких предложениях основные мысли реферата.

Медь - жизненно важный элемент. Главный металл электротехники. Один из самых важных, самых древних и самых популярных металлов. Популярных не только в среде инженеров - конструкторов, электриков и машиностроителей, но и у людей гуманитарных профессий - историков, скульпторов, литераторов.

Список литературных источников

1. Л.Ф.Попова. От лития до цезия. М., “Просвещение”, 1972.

2. В.Е.Лунев. Познакомьтесь с медью. М.,”Металлургия”, 1965.

3. Отв. за ред. Л.К.Иугалин. Химия минералов меди. Новосибирск, “Наука”, 1975.

4. Л.Ф.Попова. Медь. М., “Просвещение”, 1989.

5. Н.А.Фигуровский, "Открытие элементов и происхождение их названий". М., “Наука”, 1970.

6. В.С.Котлярова, Н.В.Касимова. Получение плёнок меди и опыты с ними // Химия в школе, №3, 1972.

7. http://www.chem.msu.su/rus/history/element/cu.html

8. И.Г.Подчайнова, Э. Н.Симонова. Аналитическая химия меди. М.,”Наука”, 1990.