Химические свойства меди и ее сплавов

Содержание

Вступление

Химические свойства

Минералы

Медные сплавы

Марки медных сплавов

Медно-цинковые сплавы. Латуни

Оловянные бронзы

Алюминиевые бронзы

Кремнистые бронзы

Бериллиевые бронзы

Медь в промышленности

Медь в жизни растений и животных

Вступление

Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р. Христова. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется, с одной стороны, более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum.

Медь как художественный материал используется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из Меди и сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки Меди (обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия из Меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют, тонируют, украшают эмалью. С 15 века Медь применяется также для изготовления печатных форм.

Химические и физические свойства элемента

Медь - 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 халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов.

Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.

Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком.

Академиком В.И. Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями. Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu (63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu (65) - 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.

К валентности 1 относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт - Cu2O. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентности два. Радиус одновалентной меди +0.96. Величина атомного радиуса двухвалентной меди - 1,28; ионного радиуса 0,80.

Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.

Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu²⁺ - 984 кДж/моль, Cu⁺ - 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984, Pb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы.

Минералы

Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны 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, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.

Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух примеров:

CuCl - белый, Cu₂O - красный, CuCl₂+H₂O - голубой, CuO - черный

Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды.

Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли и карбонаты (силикаты).

Медные сплавы

Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм^2 у технически чистой меди.

Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм² ниже, чем у стали).

Основное преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью.

Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных.

Марки медных сплавов

Буквы, следующие за буквой Л в латуни или Бр. В бронзе, 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 среднее процентное содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый для латуней, отличается от порядка, принятого для бронз.

В марках латуни первые две цифры (после буквы) указывают содержание основного компонента - меди. Остальные цифры, отделяемые друг 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 образом содержание цинка в наименовании марки латуни не указывается и определяется по разности. Например, Л68 означает латунь с 68% Cu (в среднем) и не имеющую других легирующих элементов, кроме цинка; его содержание составляет (по разности) 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) в количестве 1%. Содержание цинка (в среднем) определяется вычетом из 100% суммы процентов содержания меди, алюминия, железа и марганца.

В марках бронзы (как и в сталях) содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих 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 содержанием олова (О) ~ 4% и цинка (Ц) ~ 3%.Содержание меди определяется по разности (из 100%). 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 и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком.

Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и поковках.

Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы.

Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм² при однофазной структуре и 40-45 кгс/мм² при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией).

Оловянные бронзы

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 широко заменяют латуни и оловянные бронзы.

Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность. Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях.

Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм² .

Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы 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, в частности для токоведущих пружин.

Кремнистые бронзы

Применение кремнистых бронз ограниченно. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.

Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.

Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.

Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность ( до 120 кгс/мм² ) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.

Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах.

Указанные свойства бериллиевые бронзы получаются после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением температуры.

Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

Медь в промышленности

В настоящее время медь добывают из руд. Последние, в зависимости от характера входящих в их состав соединений, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляется 80% всей добываемой меди.

Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются: халькозин или медный блеск - Cu₂S; халькопирит или медный колчедан - CuFeS₂; малахит - (CuOH)₂CO₃.Медные руды, как правило, содержат большое количество пустой породы, так что непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому в металлургии меди особенно важную роль играет обогащение (обычно флотационный метод), позволяющее использовать руды с небольшим содержанием меди.

Выплавка меди их её сульфидных руд или концентратов представляет собою сложный процесс. Обычно он слагается из следующих операций:

обжиг

плавка

конвертирование

огневое рафинирование

электролитическое рафинирование

В ходе обжига большая часть сульфидов пpимесных элементов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд, пирит - FeS₂ - превращается в Fe₂O₃. Газы, отходящие при обжиге, содержат SO₂ и используются для получения серной кислоты.

Получающиеся в ходе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Основной же продукт плавки - жидкий штейн (Cu₂S с примесью FeS) поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь.

Для извлечения ценных спутников (Au, Ag, Te и др.) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом пpимеси железа, цинка, кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. Медь же разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.

Чистая медь -- тягучий вязкий металл светло-розового цвета, легко пpокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая плёнка оксидов придает меди более тёмный цвет и также служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налётом гидpоксокаpбоната меди - (CuOH)₂CO₃. При нагревании на воздухе в интервале температур 200-375^oC медь окисляется до черного оксида меди(II) CuO. При более высоких температурах на её поверхности образуется двухслойная окалина: поверхностный слой представляет собой оксид меди(II), а внутренний - красный оксид меди(I) - Cu₂O.

Медь широко используется в промышленности из-за :

высокой теплопроводимости

высокой электропроводимости

ковкости

хороших литейных качеств

большого сопротивления на разрыв

химической стойкости

Около 40% меди идёт на изготовление различных электрических проводов и кабелей. Широкое применение в машиностроительной промышленности и электротехнике нашли различные сплавы меди с другими веществами. Наиболее важные из них являются латуни (сплав меди с цинком), медноникеливые сплавы и бронзы.

Все медные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии.

В химическом отношении медь -- малоактивный металл. Однако с галогенами она реагирует уже при комнатной температуре. Например, с влажным хлором она образует хлорид - CuCl₂. При нагревании медь взаимодействует и с серой, образуя сульфид - Cu₂S.

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

2Cu + 4HCl + O₂ --> 2CuCl₂ + 2H₂O

Летучие соединения меди окрашивают несветящееся пламя газовой горелки в сине-зелёный цвет.

Соединения меди(I) в общем менее устойчивы, чем соединения меди(II), оксид Cu₂O₃ и его производные весьма нестойки. В паре с металлической медью Cu₂O применяется 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)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 и восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

Гидроксокарбонат меди(II) - (CuOH)₂CO₃ - встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивый изумрудно-зелёный цвет, применяется для получения хлорида меди(II), для приготовления синих и зелёных 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)₂Cu₃(AsO₃)₂ - применяется под названием "парижская зелень" для уничтожения вредителей растений.

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

Хаpактеpное свойство двухзарядных ионов меди - их способность соединяться с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.

Медь принадлежит к числу микроэлементов. Такое название получили Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co в связи с тем, что малые количества их необходимы для нормальной жизнедеятельности растений.

Медь в жизни растений и животных

Медь -- необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная биохимическая функция Меди -- участие в ферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов. Количество Меди в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05 % (на сухое вещество) и зависит от вида растения и содержания Меди в почве. В растениях Медь входит в состав ферментов-оксидов и белка пластоцианина. В оптимальных концентрациях Медь повышает холодостойкость растений, способствует их росту и развитию. Среди животных наиболее богаты Медью некоторые беспозвоночные (у моллюсков и ракообразных в гемоцианине содержится 0,15 -- 0,26 % Меди). Поступая с пищей, Медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови -- альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка церулоплазмина возвращается 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 Меди в организме взрослого человека около 100 мг. Медь входит в состав ряда ферментов (например, тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Малые дозы Меди влияют на обмен углеводов (снижение содержания сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества фосфора) и других. Увеличение содержания Меди в крови приводит к превращению минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.

При недостатке Меди злаковые растения поражаются так называемой болезнью обработки, плодовые -- экзантемой; у животных уменьшаются всасывание и использование железа, что приводит к анемии, сопровождающейся поносом и истощением. Применяются медные микроудобрения и подкормка животных солями Меди. Отравление Медью приводит к анемии, заболеванию печени, болезни Вильсона. У человека отравление возникает редко благодаря тонким механизмам всасывания и выведения Меди. Однако в больших дозах Медь вызывает рвоту; при всасывании Меди может наступить общее отравление (понос, ослабление дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).

В медицине сульфат Меди применяют как антисептическое и вяжущее средство в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей для лечения трахомы. Раствор сульфата Меди используют также при ожогах кожи фосфором. Иногда сульфат Меди применяют как рвотное средство. Нитрат Меди употребляют в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.