Медь

Медь

Медь (лат. cuprum) – химический элемент с символом Cu и атомным номером 29. Это металл 4-го периода в 11-й группе периодической таблицы химических элементов. Латинское название cuprum происходит от «aes cyprium» (руда с острова Кипр), где медь добывалась в древности.

Как относительно мягкий металл, медь относительна легка по весу и прочна по форме, обладает прекрасной гибкостью и пластичностью. Является отличным проводником тепла и электричества.

Историческая справка

Медь является одним из самых важных элементов древности. Медь, золото, серебро и олово были первыми металлами, которые человечество узнало в своем историческом развитии. Поскольку медь легко обрабатывается, она использовалась древнейшими культурами более 10 000 лет назад. Время широкого использования меди пришлось с 5 тысячелетия до н.э. до 3-го тысячелетия до н.э.

Однако, в чистом виде медь оказалась относительно мягкой для производства оружия и инструментов. Поэтому древние люди путем экспериментов, добавляя в расплавленную медь кусочки свинца и олова, получили бронзу. Это гораздо более твердый материал, чем нелегированная медь. Бронза используется человечеством уже более 5000 лет. Этот сплав дал название целой исторической эпохе.

В алхимии медь ассоциировалась с Венерой (женственностью). Безусловно не в последнюю очередь потому, что первые зеркала, которыми пользовались женщины, были сделаны из этого металла.

Физические свойства

При плотности 8920 кг/куб.м медь является одним из тяжелых металлов с температурой плавления 1083,4 С. Она кристаллизуется в гранецентрированную кубическую систему (ГЦК) и имеет твердость по Моосу от 2,5 до 3. Медь очень хорошо проводит электричество. Немного хуже, чем серебро, и значительно лучше золота. Кроме того, медь является очень хорошим проводником тепла.

Однако алюминий является лучшим электрическим проводником на грамм вещества, чем медь. Но он более объемный, так что медь на квадратный сантиметр сечения кабеля проводит электричество лучше, по сравнению с аналогичным сечением провода из алюминия.

Чистая металлическая медь имеет ярко-красный цвет с розовым отливом. На воздухе медь приобретает красновато-коричневый оттенок. Из-за дальнейшего окисления и коррозии очень медленно (часто в течение столетий) на поверхности меди образуется патина. Металлический блеск теряется, а цвет меняется с красновато-коричневого на голубовато-зеленый.

Месторождения меди

Медь иногда встречается в природе в чистом виде как твердый элемент. В основном в базальтовых лавах. Она находится там в виде самородка (затвердевшего расплава) или в разветвленных породных структурах, так называемых дендритах, очень редко в кристаллической форме. Доля чистой меди в природе очень низка.

Напротив, медные руды очень распространены. Медь добывается из следующих минералов: халькопирита (медный гравий – CuFeS2), халькоцита (медный глянец – Cu2S), реже из борнита (Cu5 FeS4), атакамита, малахита и других. Крупнейшие месторождения меди в мире находятся в Чили, США, России, Замбии, Канаде и Перу.

Основной страной-производителем меди является Чили, за ней следуют Индонезия и США. Основные страны-экспортеры объединены в содружество стран-производителей – CIPEC. К CIPEC принадлежат Чили, Перу, Австралия, Индонезия, Демократическая Республика Конго и Папуа-Новая Гвинея.

Производство меди

Для производства меди из медного гравия (CuFeS2) первоначально получают так называемый медный камень (Cu2S с различным содержанием FeS) с содержанием меди около 70%. Для этого исходный материал нагревают с добавлением кокса и содержащихся в нем оксидов железа, зашлакованных кремнистыми заполнителями. Полученный шлак из силиката железа плавает в расплаве на поверхности и может быть легко слит. Далее медный камень перерабатывается в сырую медь (черная медь) с содержанием меди около 98%.

Для этого расплав заливают в конвертер и вдувают воздух. На первой стадии (продувка шлаком) содержащийся в нем сульфид железа обжаривается до оксида железа, и происходит связывание хлопьевидного кварца со шлаком, который можно слить. На втором этапе две трети оставшегося Cu2S окисляются до Cu2O. Затем оксид реагирует с оставшимся сульфидом с образованием неочищенной меди. Сырая медь (цементная медь) затем очищается электролитическим способом.

Медь мигрирует в виде ионов через электролит к катоду и осаждается там. Итоговое содержание меди – 99,99% с очень маленькой примесью других веществ. Менее благородные металлы этих примесей остаются растворенными в электролите, более благородные металлы (включая серебро и золото) образуют «осадок электролита» и далее обрабатываются отдельно.

Применение меди

Современный рынок предлагает широкий спектр потребительских товаров с содержанием меди: от посуды до компьютеров. Медь используется для производства монет, электрических проводов, ювелирных изделий, столовых приборов, фитингов, чайников, прецизионных деталей, произведений искусства, музыкальных инструментов, трубопроводов и многого другого.

Для электрических токопроводящих кабелей и линий, печатных плат и интегральных схем, электрических компонентов (обмотки трансформаторов, дроссели индуктивности, анодные тела магнетронов) используется только чистая медь из-за ее очень хорошей электропроводности. Для воздушных линий используется бериллиевая медь.

Медь обладает высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне и поэтому используется в качестве зеркал для лазерных установок на углекислом газе. Из-за ее хорошей теплопроводности, медь часто используется в качестве тепловых радиаторов.

Медь является частью многих сплавов, таких как золотисто-желтая латунь (с цинком), бронза (с оловом) и никелированное серебро (с цинком и никелем). Кованые сплавы (латунь и никелированное серебро) приводятся в желаемую форму с помощью пластического формования (горячая штамповка: прокатка, ковка или холодная штамповка: волочение проволоки, ковка, холодная прокатка, глубокая вытяжка), в то время как литые материалы (оружейная сталь, бронза) обычно трудно или невозможно формовать пластическим способом.

Объекты с серебристо-белым (похожим на нержавеющую сталь) внешним видом часто на самом деле представляют собой сплавы с высоким содержанием меди, так как цвет меди полностью исчезает при добавлении никеля. Современные монеты изготовлены из сплава меди, цинка, алюминия и олова. Соединения меди используются в цветных пигментах, в качестве тонеров, в медицинских препаратах и гальванических покрытиях. Благодаря благородному внешнему виду медь незаменима в мебельной промышленности и в области декора.

Биологический эффект

Медь является компонентом голубого гемоцианина, который используется многими моллюсками и членистоногими в качестве красителя крови для транспортировки кислорода. Медь также является жизненно важным микроэлементом высших организмах и входит в состав многих ферментов.

Суточная потребность меди для взрослого человека составляет около 2 миллиграммов.

Депо меди в организме человека находится в печени. Избыток меди выводится через пищеварительную систему вместе с желчью. По сравнению со многими другими тяжелыми металлами переизбыток меди не наносит существенного вреда организму. Человек может съедать 0,04 грамма меди в день, не причиняя вреда своему здоровью. Медь в основном содержится в шоколаде, печени, злаках, овощах и орехах.

Дефицит меди редко диагностируется у людей. В основном он наблюдается при хронической диарее, у недоношенных детях, при длительном голодании. Потребление высоких доз цинка, железа или молибдена может привести к снижению количества меди в организме. В свободной (не связанной с белком) форме медь обладает выраженными антибактериальными свойствами. Такими же качествами обладает и чистое серебро.

Сульфат меди (медный купорос) является сильным рвотным средством и поэтому используется для лечения многих интоксикационных заболеваний на стадии острого реагирования.

Медь и вода

Средняя концентрация меди в морской воде составляет около 0,2–3 частей на миллиард, хотя значения могут сильно варьироваться. Речная вода обычно составляет 2-5 частей на миллиард. Водоросли содержит около 2-68 частей на миллион (сухое вещество), в то время как устрицы содержат около 63 частей на миллион. В растворенном состоянии элемент находится в форме CuOH + или в виде неионного CuCO3. Кроме того, медь имеет сильную тенденцию к образованию хелатов с использованием доступных органических веществ.

Как и в каких соединениях медь реагирует с водой?

Металлическая медь при нормальных условиях является коррозионно-стойким материалом.

Растворимость меди и / или ее соединений в воде

Элементарная металлическая медь нерастворима в воде, как и оксид меди, сульфат меди. С другой стороны, хлорид меди (I) имеет растворимость в воде 200 мг / л, а медный купорос до 220 г / л.

Как медь может попасть в воду?

Медь содержится в различных минералах, таких как халькопирит, малахит, азурит или куприт. Несмотря на возможное выветривание, его можно найти лишь в небольших количествах в природных водах. Соединения меди также используются в сельском хозяйстве и, таким образом, выбрасываются в окружающую среду. Некоторая часть меди и ее соединений может быть переработана. Однако они часто попадают на мусоросжигательные заводы, откуда, в свою очередь, в определенной степени могут попадать в окружающую среду.

Не следует недооценивать количество меди, которая растворяется при взаимодействии дождевой воды с кровельными материалами. В результате также часто увеличивается содержание меди в осадке сточных вод.

Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды медью?

Медь имеет важное значение для многих, если не для всех живых существ, в том числе потому, что она входит в состав многих ферментов.

Содержание меди в нормальных воздушно-сухих почвах в среднем составляет около 10-20 частей на миллион с диапазоном около 1-80 частей на миллион. Однако в загрязненных почвах может встречаться даже 3500 частей на миллион. Медь относительно неподвижна в почве, растворимость этого элемента самая низкая при pH 5-6. Она в основном накапливается в верхних слоях почвы, где связывается как с неорганическими, так и с органическими веществами.

Содержание азота в почве, вероятно, влияет на пассивный перенос меди. Симптомы дефицита у растений обычно возникают при концентрациях ниже 5 ppm. Травянистые растения и листья деревьев обычно содержат около 2-20 частей на миллион (в пересчете на сухое вещество), при этом можно предположить, что дефицит меди проявляется менее 3 частей на миллион. Кроме того, молодые растения содержат больше меди, чем более старые. В лишайниках содержится около 9-24 частей на миллион, а в грибах – около 7-160 частей на миллион.

Ионы Cu 2+ особенно токсичны для многих мелких организмов, таких как бактерии, грибы и водоросли. Таким образом, токсичность металлической меди для теплокровного организма очень ограничена, поскольку она почти не растворяется в нем. Отравление медью более вероятно при приеме уже растворенных соединений или ионов меди. Особенно чувствительны к этому жвачные животные. 

Медь наносит косвенный ущерб окружающей среде, поскольку она катализирует образование диоксинов и фуранов во время сжигания отходов.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

четырнадцать + 4 =

Пролистать наверх