Медь и сплавы на ее основе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Калужский государственный университет имени К.Э. Циолковского

Технология конструкционных материалов

Медь и сплавы на ее основе.

Выполнил:

студента 1 курса заочного отделения ФТИ ТТП

Самойлов Дмитрий Игоревич

Проверил: Кряжева Елена Вячеславовна

Калуга 2013

Оглавление

Введение

1. Определение меди

2. Свойства и применения меди

3. Сплавы на основе меди

Введение

Медь является одним из самых «древних» металлов: считается, что люди начали использовать ее для изготовления орудий труда еще в IV тыс. до н.э. Распространение меди в древности объясняется тем, что она встречается в природе в самородном, т.е. металлическом, состоянии. В таком виде медь находили в нашей стране на Урале, в Америке, Японии, Китае и некоторых других странах. На территории США был найден крупнейший из известных самородков - его масса составляла 420 т. Однако такие находки встречаются редко.

Медь довольно легко можно получить из природных соединений руд. Когда люди научились восстанавливать углем медные руды, а из полученного металла изготовлять бронзу-сплав меди с оловом, в истории человечества начался так называемый бронзовый век. Он продолжался приблизительно с конца IV тыс. до н.э. до начала I тыс. до н.э., когда началось использование железных орудий. В бронзовом веке медь играла важнейшую роль в развитии хозяйства. И в настоящее время роль меди, ее сплавов и соединений в развитии промышленности и сельского хозяйства очень велика. Однако сейчас приходится сталкиваться со значительной нехваткой этого запаса металла медных руд постепенно истощаются. Ведь медь занимает по распространению в природе лишь 23-е место среди всех элементов: ее массовая доля в земной коре равна 0,01%.

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS₂, также известный как медный колчедан, халькозин Cu₂S и борнит Cu₅FeS₄. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS,куприт Cu₂O, азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)₂, малахит Cu₂CO₃(OH)₂. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах -- медистые песчаники и сланцы. Наиболее известные из месторождений такого типа -- Удокан в Забайкальском крае, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси). Одним из крупнейших в мире также является перспективное медно-порфировое месторождение Песчанка на Чукотке.

1. Определение меди

Медь - элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь - это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки).

Что представляет собой металлическая медь? Это тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий, плавится при температуре 1084,5°С, очень хорошо проводит электрический ток и теплоту: электрическая проводимость меди в 1,7 раза выше, чем алюминия, в 6 раз выше, чем железа, и лишь немного уступает электрической проводимости серебра.

Электронная формула атома меди имеет следующий вид: 1s ²2s ²2p ⁶3s ²3p⁶3d¹⁰4s ¹.

Содержание меди в земной коре (4,7^.5,5)^.10^-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3^.10^-7% по массе, в речной --1^.10^-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7^.10^-3%. Ионы меди участвуют во многих физиол. процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2^.10^-4% по массе, в крови человека ок. 0,001 мг/л.

В земной коре медь встречается в осн. в виде соед. с S (св. 90% мировых запасов и добычи меди) и в виде кислородосодержащих соединений. Среди многочисл. минералов меди (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS₂, ковеллин CuS, халькозин Cu₂S, борнит Cu₅FeS₄, куприт Сu₂О, малахит CuCO₃^.Cu(OH)₂, хризоколла CuSiO₃^.2H₂O др. Редко встречается самородная медь. Медные руды по минералогическому составу подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Си в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллич.), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллич., помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, платиновые металлы и др. Осн. мировые запасы меди (кроме СССР) сосредоточены в Сев. Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Юж. Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд (без СССР) составляют 847,6 млн. т, в т. ч. доказанные 447,4 млн. т.

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 2 мг/л (средняя величина за период из 14 суток), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) сформулировала в 1998 году это правило так: «Риски для здоровья человека от недостатка меди в организме многократно выше, чем риски от её избытка».

В 2003 году в результате интенсивных исследований ВОЗ пересмотрела прежние оценки токсичности меди. Было признано, что медь не является причиной расстройств пищеварительного тракта.

Существовали опасения, что Гепатоцеребральная дистрофия (болезнь Вильсона -- Коновалова) сопровождается накоплением меди в организме, так как она не выделяется печенью в желчь. Эта болезнь вызывает повреждение мозга и печени. Однако причинно-следственная связь между возникновением заболевания и приёмом меди внутрь подтверждения не нашла. Установлена лишь повышенная чувствительность лиц, в отношении которых диагностировано это заболевание к повышенному содержанию меди в пище и воде.

2. Свойства и применения меди

Физические свойства меди

Медь -- золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь - один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвертой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55,5-58 МСм/м^]. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры.

Существует ряд сплавов меди: латуни -- с цинком, бронзы -- с оловом и другими элементами, мельхиор -- с никелем, баббиты -- со свинцом и другие. химический медь руда сплав

Химические свойства меди

Образуя химические соединения, атом может отдавать один, два или три электрона, проявляя степень окисления соответственно +1, +2 и +3. При этом наиболее устойчивыми являются соединения меди (II), а наименее устойчивыми - соединения меди (III).

Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой.

Однако в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной)-медь растворяется:

Сu + 8HN0₃ = 3Cu(N0₃ )₂ + 2NO + 4Н₂0

Разбавленная

Сu + 4HN0₃ = Cu(N0₃)₂ + 2N0₂+ 2Н₂0

Концентрированная

Сu+ 2H₂S04 = CuS04 + S0₂ + 2 Н₂0

концентрированная. Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом карбоната меди:

2 Сu + O₂ + С0₂ + Н₂0 =Сu (ОН)₂ * СuС0₂.

В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2.

Соединения меди (II)-оксид СиО и гидроксид Си(ОН)₂-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах:

Cu(OH)₂ + 2НС1 = СuСl₂ + 2Н20

и в концентрированных щелочах.

Гидроксид меди (II)-труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается,образуя оксид меди (II) черного цвета:

Сu(ОН)₂ =СuО + Н₂0

Темный цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого оксида. Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия:

CuCl2 + 4KCN = К₂ [Cu(CN)₄] + 2КСl

Из других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II):

CuCl₂ + 2NH₃ + 2Н20 = Сu(ОН)₂ + 2NH₄Cl

Если добавить избыток аммиака, то гидроксид растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной для аммиачного комплекса меди:

Си(ОН)₂+ 4NH3 = [Cu(NH3)₄] (ОН)₂

Эта реакция является качественной на ион меди (II).

Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также связана с образованием комплексных соединений:

Cu(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [Cu(OH)₄]

Образованием комплексных соединений объясняется цвет растворов солей меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску:

CuS0₄ + 6Н₂0 = [Сu (Н₂0)₆] SO₄

Соединения меди (III), например Cu20₃ или KCu02, встречаются редко, они малоустойчивы. Устойчивость соединений меди (I) выше, однако и они в водных растворах легко подвергаются диспролорциогнированию (реакции самоокисления-самовосстановления):

2Сu⁺ = Сu + Сu²⁺

Применение меди

Широкое применение меди в пром-сти обусловлено рядом ее ценных св-в и прежде всего высокой электрич. проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% меди используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрич. установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из к-рых - бронзы, латуни, мельхиор и др. (см. Меди сплавы). Медь и ее сплавы используют также для изготовления художеств. изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значит. кол-во меди(10-12%) применяют в виде разл. соед. в медицине (антисептич. и вяжущие ср-ва), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.

Мировое произ-во меди (без СССР) ок. 7,5 млн. т, в т.ч. из вторичного сырья-1,15 млн. т/год (1985). Осн. страны-производители рафинированной меди (1985): США (1,7 млн. т), Япония (1,1), Чили (0,9), Канада (0,8), Замбия (0,53), Заир (0,5).

Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли меди развивается хронич. отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м³, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.

Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.

3. Сплавы на основе меди

Бронза. Бронзами называют сплавы меди с другими металлами. В стоматологии нашла применение алюминиевая бронза. Она представляет собой сплав меди (до 90%), алюминия (5--11%) и некоторых других металлов. Такой сплав обладает хорошей пластичностью, и из него для стоматологических целей изготавливают проволоку диаметром 0,3--0,5 мм. Бронзоалюминиевая проволока применяется как лигатурная для шинирования зубных рядов при переломах челюстей. В полости рта такая проволока медленно окисляется. Паяние алюминиевой бронзы производится припоем, состоящим из 6 частей серебра, 1 части цинка и 2 частей меди.

Латунь представляет собой сплав меди и цинка, в котором содержание меди не меньше 50%. Наиболее известна латунь, состоящая из 2 частей меди и 1 части цинка, -- рандольф. Такой сплав имеет золотистый цвет, в прошлом предпринимались попытки использовать его для изготовления несъемных зубных протезов. Однако исследования показали, что такой сплав для изготовления зубных протезов непригоден: он окисляется с образованием растворимых окислов, вредных для организма. Применяется иногда для изготовления музейных и учебных экспонатов.

Нейзильбер (мельхиор) является сплавом, состоящим из 50 частей меди, 22 частей цинка и 15 частей никеля. Сплав по внешнему виду напоминает серебро, что дало основание назвать его «новым серебром». Нейзильбер в полости рта обладает относительной устойчивостью к коррозии. Образующаяся окисная пленка защищает сплав от дальнейшего окисления. Металл хорошо штампуется и отливается. Сплав иногда применяется в ортодонтии и челюстно-лицевой ортопедии для изготовления временных аппаратов. Паяние нейзильбера производится серебряным припоем (6 частей Ag, 2 части Cu и 1 часть Zn).

Размещено на Allbest.ru