Властивості міді

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введення

Мідь - елемент 1В групи Періодичної системи, щільність 8,9 г см ^-3, один з перших металів, які стали відомими людині. Вважають, що мідь почали використовувати близько 5000 р. до н.е. У природі мідь зрідка зустрічається у вигляді металу. З мідних самородків, можливо, за допомогою кам'яних сокир, були виготовлені перші металеві знаряддя праці. Близько 3500 р. до н.е. на Близькому Сході мідь навчилися отримувати з руд, її отримували відновленням вугіллям. Мідні рудники були і в Давньому Єгипті. Відомо, що брили для знаменитої піраміди Хеопса обробляли мідним інструментом.До 3000 р. до н.е. в Індії, Месопотамії і Греції для виплавки більш твердої бронзи в мідь стали додавати олово. Відкриття бронзи могло статися випадково, проте її переваги в порівнянні з чистою міддю швидко вивели цей сплав на перше місце. Так почався "бронзовий вік". Вироби з бронзи були у ассірійців, єгиптян, індусів та інших народів давнини. Однак цільні бронзові статуї стародавні майстри навчилися відливати не раніше 5 ст. до н.е. Близько 290 до н.е. Харесом на честь бога сонця Геліоса був створений Колос Родоський. Він мав висоту 32 м і стояв над входом у внутрішню гавань древнього порту острова Родосу в східній частині Егейського моря. Гігантська бронзова статуя була зруйнована землетрусом в 223 н.е.

Предки древніх слов'ян, які жили в басейні Дону і в Придніпров'ї, застосовували мідь для виготовлення зброї, прикрас і предметів домашнього ужитку. Російське слово «мідь», на думку деяких дослідників, походить від слова «Демида», яке у древніх племен, що населяли Східну Європу, позначало метал взагалі. Символ Cu походить від латинського aes cyproum (пізніше, Cuprum), так як на Кіпрі (Cyprus) знаходилися мідні рудники древніх римлян. Відносний вміст міді в земній корі складає 6,8 · 10 ^-3%. Самородна мідь зустрічається дуже рідко. Зазвичай елемент знаходиться у вигляді сульфіду, оксиду або карбонату. Найважливішими рудами міді є халькопірит CuFeS _2, який, за оцінками, становить близько 50% всіх родовищ цього елемента, мідний блиск (халькоціт) Cu₂ S, Купрій Cu₂ O і малахіт Cu ₂ CO₃ (OH)_2. Великі родовища мідних руд знайдені в різних частинах Північної та Південної Америк, в Африці і на території нашої країни. У 18-19 ст. поблизу Онезького озера добували самородну мідь, яку відправляли на монетний двір у Петербург. Відкриття промислових родовищ міді на Уралі і в Сибіру пов'язано з ім'ям Микити Демидова.

Саме він за указом Петра I в 1704 почав карбувати мідні гроші. Багаті родовища міді давно вироблені. Сьогодні майже весь метал видобувається з низькосортних руд, що містять не більше 1% міді. Деякі оксидні руди міді можуть бути відновлені безпосередньо до металу нагріванням з коксом. Однак більша частина міді проводиться з залізовмісних сульфідних руд, що вимагає більш складної переробки. Ці руди порівняно бідні, і економічний ефект при їх експлуатації може забезпечуватися лише зростанням масштабів видобутку. Руду зазвичай видобувають у величезних кар'єрах, де використовуються екскаватори з ковшами до 25 м ³ та вантажівки вантажопідйомністю до 250 т.

Сировина розмелюють і концентрують (до змісту міді 15-20%) з використанням пінної флотації, при цьому серйозною проблемою є скидання багатьох мільйонів тонн тонко подрібнених відходів в навколишнє середовище. До концентрату додають кремнезем, а потім суміш нагрівають у відбивних печах (доменні печі для тонко подрібненої руди незручні) до температури 1400 °С, при якій вона плавиться. Сумарне рівняння протікають реакцій можна з'являтися у вигляді: 2CuFeS ₂ + 5O ₂ + 2SiO ₂ = 2Cu + 2FeSiO ₃ + 4SO ₂ Cu ⁺¹ + 1e ^- = Cu ⁰ | Fe ⁺³ + 1e ^- = Fe ⁺² | -10 e ^- 2S ^-2 - 12E ^- = 2S ⁺⁴ | O ₂ + 4e ^- = 2O ^-2. мідь малахіт мінерал бронза

Більшу частину отриманої чорнової міді очищають електрохімічним методом, переливаючись з неї аноди, які потім підвішують у підкисленою розчині сульфату міді CuSO_4, а катоди покривають листами очищеної міді. У процесі електролізу чиста мідь осідає на катодах, а домішки збираються близько анодів у вигляді анодного шламу, який є цінним джерелом срібла, золота та інших дорогоцінних металів. (А.Л. Николаев “Первые в рядах элементов” ст.69-91)Головне застосування металу - як провідник електричного струму. Крім того, мідь використовується в монетних сплавах, тому її часто називають «монетним металом». Вона також входить до складу традиційних бронзи (сплави міді з 7-10% олова) і латуні (сплав міді з цинком) і спеціальних сплавів, таких як монель (сплав нікелю з міддю). Металообробний інструмент з мідних сплавів не породжувати може використовуватися у вибухонебезпечних цехах. Сплави на основі міді служать для виготовлення духових інструментів і дзвонів.

1. Властивості міді

Мідь - блискучий метал, який має червунувате забарвлення. Мідь, як і її аналоги срібло і золото, відносно малоактивні. Однак, на відміну від срібла і золота, вона безпосередньо реагує з киснем. Помітним чином цей процес відбувається при нагріванні. При температурі близько 100-150 в основному утворюється оксид міді (|), який за забарвленням майже не відрізняється від міді. При подальшому нагріванні до температури 200С утворюється суміш оксид міді (|) і оксид міді (||). При ще більш високій температурі мідь запалюється. Вона горить зеленим вогнем, і в результаті утворюється СuO чорного кольору. Якщо збільшити температуру до 1000*С, то CuO розкладається на Cu2O і O2.

При кімнатній температурі на повітрі мідь покривається захисною плівкою, склад якого залежить від домішок, які містяться в повітрі. Так, в вологому повітрі утворюється суміш оксиду (|) з гідроксидом (||):

2Cu+O2+2H2O=2Cu(OH)2

Cu(OH)2+Cu=Cu2O+H2O

При наявності в повітрі домішок CО2, О2 захисна плівка складається із основного карбонатуі основного сульфату міді:

2Cu+O2+H2O+CO2=(CuOH)2CO3

8Cu+5O2+6H2O+2SO2=2[CuSO4*3Cu(OH)2]

Мідь також реагує з сіркою, селеном і телуром, утворюючи відповіднот CuS, CuSe і CuTe.

Зводнем і азотом мідь не реагує навіть при нагріванні. Краще всього мідь реагує з галогенами. Водний розчин іоду реагує з мідю на холоді, бром при 300С, фтор при 500С. Наявність вологи і дія світла прискорюють ці реакції. В результаті утворюються відповідні галиды (||).

Мідь і її аналоги в ряду напруг стоять після водню, тому решта металів витісняють її із розчину солей:

Zn+CuSO4=Cu+ZnSO4

З тієї ж причини мідь реагує з кислотами окисниками. В HNO3 в залежності від її концентрації мідь розчиняється з утворенням оксидів азоту:

3Cu+8HNO3(розб.)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O

Cu+4HNO3(конц.)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O

З концентрованою сульфатною кислотою мідь реагує при нагріванні, утворюючи сульфат міді і оксид сульфуру:

Cu+2H2SO4=CuSO4+SO2+2H2O

В свою чергу мідь витісняє із розчинів солей менш активні метали.

В присутності кисню мідь реагує з галогеноводнями і органічними кислотами:

2Cu+4HCl+O2=2CuCl2+2H2O

2Cu+2CH3COOH+O2=Cu(CH3COO)2*Cu(OH)2

Продукт другої реакції-основний ацетат міді називається ярьмедянка. Його застосовують в якості краски.

В дуже концентрованій HCl внаслідок комплексоутворення можлива реакція:

2Cu+4HCl=2H[CuCl2]+H2

Також через комплексоутворення протікає реакція розчинення міді в циліндрах:

2Cu+4KCN+2H2O=2K[Cu(CN)2]+2KOH+H2

При нагріванні міді в атмосфері хлороводню протікає зворотня реакція з утворенням помітної кількості водню.(А.Л. Николаев “Первые в рядах элементов” ст.83-85)

2. Малахіт

Малахіт - є з'єднанням міді, склад природного малахіту нескладний: це основний карбонат міді (СuОН) ₂ СО ₃ або СuСО ₃ · Сu (ОН) _2. Це з'єднання термічно нестійке і легко розкладається при нагріванні, навіть не дуже сильному. Якщо нагріти малахіт вище 200 ^о С, він почорніє і перетвориться на чорний порошок оксиду міді, одночасно виділяться пари води і вуглекислий газ: (СuОН) ₂ СО ₃ = 2CuO + CO ₂ + H ₂ O.

Однак отримати знову малахіт - дуже важке завдання: це не могли зробити протягом багатьох десятиліть, навіть після успішного синтезу алмазу. Непросто отримати навіть з'єднання того ж складу, що і малахіт. Якщо злити розчини сульфату міді і карбонату натрію, то вийде пухкий об'ємистий блакитний осад, дуже схожий на гідроксид міді Сu (OH)_2; одночасно виділиться вуглекислий газ. Але приблизно через тиждень пухкий блакитний осад сильно ущільниться і прийме зелений колір.

Повторення досвіду з гарячими розчинами реагентів призведе до того, що ті ж зміни з осадом відбудуться вже через годину. Реакцію солей міді з карбонатами лужних металів вивчали багато хіміки різних країн, проте результати аналізу отриманих опадів у різних дослідників розрізнялися і іноді істотно. Якщо взяти занадто багато карбонату, осад взагалі не випаде, а вийде розчин красивого синього кольору, у якому мідь у вигляді комплексних аніонів, наприклад, [Cu (CO _{3) 2]} ^{2 -}.

Якщо карбонату взяти менше, випадає об'ємистий желеподібний осад світло-синього кольору, спінений бульбашками вуглекислого газу. Подальші перетворення залежать від співвідношення реагентів. При надлишку СuSО _4, навіть невеликому, осад з часом не змінюється. При надлишку ж карбонату натрію синій осад через 4 дні різко (в 6 разів) зменшується в об'ємі і перетворюється на кристали зеленого кольору, які можна відфільтрувати, висушити і розтерти в тонкий порошок, який за складом близький до малахіту. Якщо збільшити концентрацію СuSO ₄ від 0,067 до 1,073 моль / л (при невеликому надлишку Nа ₂ СО _3), то час переходу синього осаду в зелені кристали зменшується від 6 днів до 18 годин. Очевидно, в блакитному студне з часом утворюються зародки кристалічної фази, які поступово зростають.

Таким чином, щоб отримати осад певного складу, відповідного малахіту, треба взяти 10%-ний надлишок Nа ₂ СО _3, високу концентрацію реагентів (близько 1 моль / л) і витримувати синій осад під розчином до його переходу в зелені кристали. До речі, суміш, що отримується додаванням соди до мідного купоросу, здавна використовували проти шкідливих комах у сільському господарстві під назвою «бургундська суміш». Відомо, що розчинні сполуки міді отруйні. Основний карбонат міді розчинимо, але в шлунку під дією соляної кислоти він легко переходить у розчинний хлорид:

(СuОН) ₂ СО ₃ + 2HCl = 2CuCl ₂ + CO ₂ + H ₂ O.

Чи небезпечний в такому випадку малахіт? Колись вважалося дуже небезпечним вколотися мідної шпилькою або шпилькою, кінчик якої позеленів, що вказувало на освіту солей міді - головним чином основного карбонату під дією вуглекислого газу, кисню і вологи повітря. У дійсності токсичність основного карбонату міді, в тому числі і того, який у вигляді зеленої патини утворюється на поверхні мідних і бронзових виробів, дещо перебільшена. Як показали спеціальні дослідження, смертельна для половини піддослідних щурів доза основного карбонату міді становить 1,35 г на 1 кг маси для самця і 1,5 г - для самок.

Максимальна безпечна одноразова доза складає 0,67 г на 1 кг. Звичайно, людина - не щур, але і малахіт - явно не ціаністий калій. І важко уявити, щоб хто-небудь з'їв півсклянки розтертого в порошок малахіту. Те ж можна сказати про основний ацетат міді (історична назва - ярь-мідянка), який виходить при обробці основного карбонату оцтовою кислотою і використовується, зокрема, як пестицид.

Значно небезпечніше інший пестицид, відомий під назвою «паризька зелень», який являє собою суміш основного ацетату міді з її арсенатів Cu (AsO _{2) 2.} Хіміків давно цікавило питання - існує чи не основною, а простий карбонат міді СuСО _3. У таблиці розчинності солей на місці СuCO ₃ коштує прочерк, що означає одне з двох: або ця речовина повністю розкладається водою, або його зовсім не існує. Дійсно, протягом цілого століття нікому не вдавалося отримати це речовина, і у всіх підручниках писали, що карбонат міді не існує. Проте в 1959 ця речовина було отримано, хоча й за особливих умовах: при 150 °С в атмосфері вуглекислого газу під тиском 60-80 атм.

3. Малахіт як мінерал

Природний малахіт завжди утворюється там, де є поклади мідних руд, якщо ці руди залягають в карбонатних породах - вапняках, доломітах та ін Часто це сульфідні руди, з яких найбільш поширені халькозин (інша назва - халькокіт) Cu ₂ S, халькопірит CuFeS _2, борніт Cu ₅ FeS ₄ або 2Cu ₂ S · CuS · FeS, ковеллін CuS. При вивітрюванні мідної руди під дією підземних вод, у яких розчинені кисень і вуглекислий газ, мідь переходить в розчин. Цей розчин, що містить іони міді, повільно просочується через пористий вапняк і реагує з ним з утворенням основного карбонату міді - малахіту.

Отже, для утворення малахіту потрібно сусідство вапняку і мідної руди. Однак бувають випадки, коли знахідки малахіту в природі нікого не тішать. Наприклад, в результаті багаторічної обробки грунтів виноградників бордоської рідиною під орним шаром іноді утворюються справжні малахітові зерна. Виходить цей рукотворний малахіт так само, як і природний: бордоська рідина (суміш мідного купоросу з вапняним молоком) просочується в грунт і зустрічається з вапняними відкладеннями під нею. У результаті вміст міді в грунті може досягати 0,05%, а в золі виноградного листя - більше 1%! Утворюється малахіт і на виробах з міді та її сплавів - латуні, бронзи.

Особливо швидко такий процес йде у великих містах, в яких повітря містить оксиди сірки та азоту. Ці кислотні агенти, спільно з киснем, вуглекислим газом і вологою, сприяють корозії міді та її сплавів. При цьому колір утворюється на поверхні основного карбонату міді відрізняється землистим відтінком. Малахіту в природі часто супроводжує синій мінерал азурит - мідна лазур. Це теж основний карбонат міді, але іншого складу - 2СuСО ₃ · Сu (ОН) _2. Азуріт і малахіт нерідко знаходять разом. Азуріт менш стійкий і у вологому повітрі поступово зеленіє, перетворюючись на малахіт. Таким чином, малахіт в природі зовсім не рідкісний. Він покриває навіть старовинні бронзові речі, які знаходять під час археологічних розкопках. Більш того, малахіт часто використовують як мідну руду: адже він містить майже 56% міді.

Дуже багаті родовища малахіту були колись на Уралі; на жаль, в даний час вони практично виснажені. Уральський малахіт був виявлений ще в 1635, а в 19 ст. там добували в рік до 80 т неперевершеного за якістю малахіту, при цьому малахіт часто зустрічався у вигляді досить важких брил. Найбільша з них, масою 250 т, була виявлена в 1835, а в 1913 знайшли брилу масою понад 100 т. Суцільні маси щільного малахіту йшли на прикраси, а окремі зерна, розподілені в породі, - так званий землистий малахіт, і дрібні скупчення чистого малахіту використовувалися для вироблення високоякісної зеленої фарби, «малахітової зелені. Суцільні шматки щільного малахіту йшли тільки на прикраси.

Всі, хто бачив вироби з малахіту, погодяться, що це один з найкрасивіших каменів. Переливи всіляких відтінків від блакитного до густо-зеленого у поєднанні з химерним малюнком надають мінералу неповторну своєрідність. У залежності від кута падіння світла одні ділянки можуть здаватися світліше інших, а при повороті зразка спостерігається «перебеганіе» світла - так званий муаровий або шовковистий відлив. За класифікацією академіка А.Є. Ферсмана і німецького мінералога М. Бауера малахіт займає вищий перший розряд серед напівдорогоцінного каміння, поряд з гірським кришталем, лазуритом, яшмою, агатом. Свою назву мінерал веде від грецького malache - мальва, листя цієї рослини мають, як і малахіт, яскраво-зелений колір. Термін «малахіт» введений в 1747 шведським мінералогом Ю.Г. Валлеріус. Малахіт відомий з доісторичних часів. Найдавніше з відомих малахітових виробів - підвіска з неолітичного могильника в Іраку, якої більше 10,5 тис. років. Малахітовим бусам, знайденим в околицях древнього Єрихону, 9 тис. років. У Стародавньому Єгипті малахіт, змішаний з жиром, застосовували у косметиці та в гігієнічних цілях. Їм фарбували в зелений колір повіки: мідь, як відомо, має бактерицидні властивості. Розтертий в порошок малахіт використовували для виготовлення кольорового скла і глазурі.

Використовували малахіт в декоративних цілях і в Древньому Китаї. У Росії малахіт відомий з 17 ст., Але масове його використання в якості ювелірного каменю почалося тільки в кінці 18 ст., Коли на Гумешевском руднику були знайдені величезні малахітові моноліти. З тих пір малахіт став парадним облицювальним каменем, що прикрашає палацові інтер'єри. З середини 19 ст. на ці цілі з Уралу щорічно привозили десятки тонн малахіту. Відвідувачі Державного Ермітажу можуть милуватися Малахітовий залом, для прикрашення якого пішло дві тонни малахіту, там же знаходиться і величезна малахітова ваза. [8] У 1851 Росія взяла участь у Всесвітній виставці в Лондоні. Серед інших експонатів була, звичайно, і «російська мозаїка». Особливо вразили лондонців двері в російській павільйоні. Одна з місцевих газет писала з цього приводу: «Перехід від брошки, яку прикрашає малахіт як дорогоцінний камінь, до колосальних дверей здавався незбагненним: люди відмовлялися повірити, що ці двері були зроблені з того ж матеріалу, який всі звикли вважати коштовністю». З уральського малахіту виготовлена також маса прикрас (Малахітова скринька Бажова).

4. Природні сполуки міді

Мідь входить до складу більш ніж у 198 мінералів, з яких для промисловості важливі тільки 17, переважно сульфідів, фосфатів, силікатів, карбонатів, сульфатів. Головними рудними мінералами є халькопірит CuFeS, ковеллін CuS, борніт CuFeS, халькозин CuS. Окисли: тенор, Купрій Карбонати: малахіт, азурит Сульфати: халькантіт, брошантіт Сульфіди: ковеллін, халькозин, халькопірит, борніт Чиста мідь - тягучий, в'язкий метал червоного, в зламі рожевого кольору, в дуже тонких шарах на просвіт мідь виглядає зеленувато блакитний. Ці ж кольори, характерні і для багатьох сполук міді, як у твердому стані, так і в розчинах. Карбонати характеризуються синім і зеленим кольором за умови утримання води, чим намічається цікавий практичний ознака для пошуків. Практичне значення мають: самородна мідь, сульфіди, сульфосолі, і карбонати (силікати).

З'єднання міді (|)

Сульфід міді - Cu ₂ S в природі зустрічається у вигляді ромбічних кристалів мідного блиску; питома вага його 5,785, температура плавлення 1130 ⁰ С. З розплаву Cu ₂ S твердне в кубічних кристалах. Cu ₂ S досить добре проводить електричний струм, однак гірше, ніж сульфід міді (2) Окис міді (I) Cu ₂ O зустрічається в природі у вигляді мінералу купритом - щільною маси кольору від червоного до чорно - коричневого, іноді вона має кристали правильної кубічної форми. При взаємодії сильних лугів із солями міді (I) випадає жовтий осад, який при нагріванні в осад червоного кольору, мабуть, Cu ₂ O. Гідроксид міді (I) має слабкі основними властивостями, він кілька розчинний в концентрованих розчинах лугів. Штучно Cu₂ O отримують додаванням натрієвого лугу і не дуже сильного відновника, наприклад виноградного цукру, гідразину або гідроксиламіну, до розчину сульфіту міді (2) або до фелінговой рідини.У воді окис міді (I) практично нерозчинні. Вона однак, легко розчиняється у водному розчині аміаку і в концентрованих розчинах галогеноводородних кислот з утворенням безбарвних комплексних сполук [Cu (NH_{3) 2]} OH і відповідно H [CuX_2] (де Х - галоген). У розчинах лугів окис міді (I) помітно розчинна. Під дією розбавлених галогеноводородних кислот окис міді (I), перетворюється на галогенід міді (I), також не розчинний у воді. У розведеної кисневої кислоті, наприклад сірчаної, окис міді (I) розчиняється, однак при цьому розпадається на сіль міді (II) і метал: Cu ₂ O + H ₂ SO ₄ = CuSO ₄ + H ₂ O + Cu. Також в природі зустрічаються такі сполуки Міді (I) як: Cu₂ О, в природі званий берцеліанітом (Умангіт). Який искуство отримують взаємодією парів Se або H ₂ Se з Cu або її солями при високих температурах.

З'єднання Міді (II)

Окис міді (II) CuO зустрічається в природі у вигляді чорного землистого продукту вивітрювання мідних руд (мелаконіт). У лаві Везувію вона знайдена закристалізованій у вигляді чорних тріклінной табличок (тенор). Штучно окис міді отримують нагріванням міді у вигляді стружок або дроту на повітрі при температурі червоного розжарювання або прожарюванням нітрату або карбонату. Отримана таким шляхом окис міді аморфна і має яскраво виражену здатність адсорбувати гази. Також зустрічаються сполуки: дігідроксокарбонат міді (гірська зелень) Cu ₂ (OH) ₂ CO ₃ темно-зелені кристали. Утворюється в зоні окиснення мідних родовищ.

1. Методика синтезу

Реактиви: CuSO4*5H2O, NaHCO3

Хід роботи:

В фарфоровій чашці змішують 20г дрібної солі CuSO4*5H2O з гідрокарбонатом Натрію. Масу NaHCO3 підраховують за рівнянням реакції і беруть на 10-12% більше. В стакані нагрівають до кипіння близько 200мл води. Суміш всипають невеликими порціями в кип'ячену воду, швидко перемішують. При цьому спостерігають спінення. Наступну порцію суміші вносять після припинення вспінювання. Вміст стакана кип'ятити 15-20 хв для видалення з розчину CO2.

В результаті утворюються основні солі міді змінного складу. При стояні 10-15год в маточному розчині вони перетворюються в сіль, складу:Cu2(OH)2CO3/

CuSO4+NaHCO3=Cu2(OH)2CO3+2Na2SO4+3CO2+H2O

Осаду дають відстоятись, промивають гарячою водою, відмивають від іона (SО4)^2-, потім спиртом. Основну сіль відстоюють і сушать між листками фільтрувального паперу при кімнатній температурі, а потім в сушильній шафі при 80-90С.(Е.В. леснова, О.А. Вишнякова «Практикум по неорганическому синтезу» ст.120).

Размещено на Allbest.ru