Химия меди

Химия меди

Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Кафедра Химии

Реферат на тему:

Химия меди

Исполнитель: Кузьмич А.Н. гр. 104312

______________________

Руководитель: Медведев Д.И.

______________________

Минск - 2003

Содержание.

| | |стр. |

| |Введение |2 |

|1. |Историческая справка |4 |

|2. |Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева |5 |

|3. |Распространение в природе |6 |

|4. |Получение |8 |

|5. |Физические свойства |10 |

|6. |Химические свойства |11 |

|7. |Применение |16 |

|8. |Сплавы меди |18 |

|8.1 |Латуни |18 |

|8.2 |Оловянные бронзы |19 |

|8.3 |Алюминиевые бронзы |19 |

|8.4 |Кремнистые бронзы |20 |

|8.5 |Бериллиевые бронзы |21 |

|8.6 |Сплавы меди с никелем |21 |

| |Заключение |22 |

| |Литература |24 |

Введение.

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 н. э. 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. Особенно важна медь для электротехники. По

электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после

серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые

раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из

алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и

многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в.

медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-

ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран

перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.

Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная

биохимическая функция меди – это 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-оксидаз 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 др. 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).

1. Историческая справка.

Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему

знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в

природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают

значительных размеров. Медь и её сплавы сыграли большую роль в развитии

материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и

карбонатов, медь была, по-видимому, первым металлом, который человек

научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах.

Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и

название ее Сuprum.

В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и

быстро охлаждали, причём порода растрескивалась. Уже в этих условиях были

возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в

кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и

мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело

к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место

окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных

продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь, и

шлака (сплава окислов).

2. Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева.

Медь (Cuprum), Сu — химический элемент побочной подгруппы первой группы

периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 29,

атомная масса 63,54. Распределение электронов в атоме меди —

Is22s22p63s23p63d104s1.

Природная медь состоит из смеси 2-х стабильных изотопов с массовыми

числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Сечение захвата тепловых нейтронов атомов

меди 3,59-10-28 м-2. Путем бомбардировки никеля протонами или дейтронами

искусственно получают радиоактивные изотопы меди 61Сu и 64Сu с периодами

полураспада 3,3 и 12,8 ч соответственно. Эти изотопы обладают высокой

удельной активностью и используются в качестве меченых атомов.

В химическом отношении медь занимает промежуточное положение между

элементами первой плеяды VIII группы и щелочными элементами I группы

периодической системы. Ниже приведены значения потенциалов ионизации атомов

меди (в эВ):

|1-й |

|2-й |

|3-й |

|4-й |

|5-й |

|6-й |

|7-й |

|8-й |

| |

|7,72 |

|20,29 |

|36,83 |

|58,9 |

|82 |

|106 |

|140 |

|169 |

| |

Заполненная d-оболочка меди менее эффективно экранирует s-электрон от

ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди

выше, чем у щелочных металлов. Так как в образовании металлической связи

принимают участие и электроны d-оболочки, теплота испарения и температура

плавления меди значительно выше, чем у щелочных металлов, что обусловливает

более «благородный» характер меди по сравнению с последними. Второй и

третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных металлов, что в

значительной степени объясняет проявление свойств меди как переходного

элемента, который в степени окисления II и III имеет парамагнитные свойства

окрашенных ионов и комплексов. Медь(I) также образует многочисленные

соединения по типу комплексов переходных металлов (табл. 1).

Таблица 1

Состояние окисления и стереохимия соединений меди.

|Состояние |Координационное |Геометрия |Примеры |

|окисления |число | |соединений |

|Cu(I) d10 |2 |Линейная |Cu2O |

| |3 |Плоская |K[Cu(CN)2] |

| |4 |Тетраэдр |Cu(I) |

|Cu(II) d9 |4 |Тетраэдр (искажённый) |Cs[CuCl4] |

| |5 |Тригональная бипирамида|[Cu(Dipy)2I]+ |

| |5 |Квадратная пирамида |[Cu(ДМГ)2]2(тв)|

| |4 |Квадрат |CuO |

| |6 |Октаэдр (искажённый) |K2CuF4, CuCl2 |

|Cu(III) d8 |4 |Квадрат |KCuO2 |

| |6 |Октаэдр |K3CuF6 |

П р и м е ч а н и е. Dipy – дипиридил; ДМГ – диметилглиоксим.

3. Распространение в природе.

Среднее содержание меди в земной коре 4,7-10-3 % (по массе), в нижней

части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10-2 %), чем

в верхней (2-10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные

породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в

холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод

различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди

многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты,

хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.

Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических

процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2-10-4 %, известны

организмы - концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного

климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь

местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и

животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с

характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на

участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях,

отчего болеют домашние животные.

В речной воде очень мало меди, 1-10-7 %. Приносимая в океан со стоком

медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы

несколько обогащены медью (5,7-10-3 %), а морская вода резко недосыщена

медью (3-10-7 %).

В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное

накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например,

Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах

биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.

Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное

значение.

Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное значение

имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется медный

колчедан (халькопирит) CuFeS2. В природе он встречается главным образом в

смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si,

Al, Ca и др. Часто сульфидные руды содержат примеси благородных металлов

(Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных

элементов (Ge и др.).

Содержание меди в руде обычно составляет 1—5%, но благодаря легкой

флотируемости халькопирита его можно обогащать, получая концентрат,

содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее крупные запасы медных руд

сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане, Средней Азии, Африке

(Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).

4. Получение.

Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед

плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при

этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в

результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый,

пиритный).

В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов

пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы

материала. В процессе плавки, вследствие большего родства меди к сере, а

компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в

сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от

шлака отстаиванием.

На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в

электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в

горизонтальном направлении; площадь подачи 300 м2 и более (30 м; 10 м),

необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива

(естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над

поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через

расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через

погруженные в него графитовые электроды).

Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних

источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие

основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной

способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых

используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух,

воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие,

предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода

или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во

взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять

сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и

за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в

развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.

Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы

(35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных

печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из

разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют

мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной

серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.

Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в

конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри

магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и

устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают

сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала

окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер

добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид

меди с образованием металлической меди и SO2. Эту черновую медь разливают в

формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с

целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления

вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на

большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и

частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2)

удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления

растворённой в ней Cu2O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых

берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для

электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором

CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды

растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах,

также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения

плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки

(столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают

водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники

меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной

переработкой.

Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллурги-ческие

методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных

руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих

минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора меди,

либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами.

Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные

гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди

растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией.

Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы,

идущие при повышенных температурах и давлении.

5. Физические свойства.

Техническая медь — металл красного, в изломе розового цвета, при

просвечивании в тонких слоях — зеленовато-голубой. Имеет

гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,36074 нм,

плотность 8,96 кг/м3 (20° С). Ионные радиусы меди (в нм) приведены ниже:

| |По Белову и Бокию|По Гольдшмидту |По Полингу |

|Cu+ |0,098 |0,095 |0,096 |

|Cu2+ |0,080 |0,070 |— |

Основные физические свойства меди

Температура плавления, °С

1083

Температура кипения, °С

2600

Теплота плавления, кДж/г-ат.

0,7427

Теплота испарения, кДж/г-ат.

17,38

Удельная теплоемкость, Дж/(г.град) (20°С)

0,022

Теплопроводность, Дж/(м.град.с) (20°С)

2,25-10-3

Электрическое сопротивление, Ом.м (20°С)

1,68-Ю-4

Удельная магнитная восприимчивость,

0,086.10-6

абс. эл.-магн. ед./г (18 °С)

Медь — вязкий, мягкий и ковкий металл, уступающий только серебру высокой

теплопроводностью и электропроводностью. Эти качества, а также пластичность

и сопротивление коррозии обусловили широкое применение меди в

промышленности.

6. Химические свойства.

Медь — электроположительный металл. Относительную устойчивость ее ионов

можно оценить на основании следующих данных:

Cu2+ + e > Cu+ E0 = 0,153 B,

Сu+ + е > Сu0 E0 = 0,52 В,

Сu2+ + 2е > Сu0 E0 = 0,337 В.

Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами и

не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь растворяется в

азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц.

H2SO4 — с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь

растворяется только при продувании через раствор воздуха.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди в водных

растворах по отношению к водородному электроду при 25° С приведены в табл.

2.

Таблица 2.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди.

|Уравнение полуреакции |EL В |

|HCuO2- + ЗН+ + е = Сu+ + 2Н2О |1,73 |

|CuO22- + 4Н+ + е = Сu+ + 2Н2О |2,51 |

|HCuO2- + ЗН+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,13 |

|СuО22- + 4Н+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,52 |

|2Сu2+ + Н2О + 2е = Сu2О + 2Н+ |0,20 |

|2НСuО2- + 4Н+ + 2е = Сu2О + ЗН2О |1,78 |

|2CuO22- + 6Н+ +2е = Сu2О + ЗН2О |2,56 |

|СuО + 2Н+ + е = Сu+ + Н20 |0,62 |

Страницы: 1, 2