Мідь

Мідь (лат. Cuprum), Cu (читається «Купрум»), хімічний елемент I групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 29, атомна маса 63,546.

Природна мідь складається з двох стабільних нуклідів 63Cu (69,09% за масою) і 65Cu (30,91%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів нейтрального атома міді 3s2p6d104s1. Утворює сполуки в ступенях окислення +2 (валентність II) та 1 (валентність I), дуже рідко проявляє ступені окислення 3 і 4.

В періодичної системи Менделєєва мідь розташована в четвертому періоді і входить до групи IВ, до якої належать такі шляхетні метали, як срібло (Ag) і золото (Au).

Радіус нейтрального атома міді 0,128 нм, радіус іона Cu + від 0,060 нм (координаційне число 2) до 0,091 нм (координаційне число 6), іона Cu2 + - від 0,071 нм (координаційне число 2) до 0,087 нм (координаційне число 6). Енергії послідовної іонізації атома міді 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 і 82,7 еВ. Спорідненість до електрона 1,8 еВ. Робота виходу електрона 4,36 еВ. За шкалою Полінга електронегативність міді 1,9; мідь належить до числа перехідних металів. Стандартний електродний потенціал Cu/Cu2 + 0,339 В. В ряду стандартних потенціалів мідь розташована правіше водню (H) і ні з води, ні з кислот водню не витісняє.

Просте речовина мідь - красивий рожево-червоний пластичний метал.

Назва: латинська назва міді походить від назви острова Кіпру (Cuprus), де в давнину добували мідну руду; однозначного пояснення походження цього слова в російській мові немає.

Фізичні та хімічні властивості: кристалічна решітка металевої міді кубічна гранецентрованої, параметр гратки а = 0,36150 нм. Густина 8,92 г/см3, температура плавлення 1083,4 ° C, температура кипіння 2567 ° C. Мідь серед всіх інших металів має одну з найвищих теплопровідності і одним з найнижчих електричних опорів (при 20 ° C питомий опір 1,68 · 10-3 Ом • м).

В сухий атмосфері мідь практично не змінюється. У вологому повітрі на поверхні міді в присутності вуглекислого газу утворюється зеленувата плівка складу Cu (OH) 2 · CuCO3. Так як у повітрі завжди є сліди сірчистого газу і сірководню, то в складі поверхневої плівки на металевій міді зазвичай є й сірчані з'єднання міді. Така плівка, яка виникає з плином часу на виробах із міді та її сплавів, називається патиною. Патина оберігає метал від подальшого руйнування. Для створення на художніх предметах «нальоту старовини» на них наносять шар міді, який потім спеціально патинують.

При нагріванні на повітрі мідь тьмяніє і врешті-решт чорніє через утворення на поверхні оксидного шару. Спочатку утворюється оксид Cu2O, потім - оксид CuO.

Червоно-коричневий оксид міді (I) Cu2O при розчиненні в бромо-і іодоводородной кислотах утворює, відповідно, бромід міді (I) CuBr і іодіда міді (I) CuI. При взаємодії Cu2O з розведеної сірчаною кислотою виникають мідь і сульфат міді:

Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O.

При нагріванні на повітрі або в кисні Cu2O окислюється до CuO, при нагріванні в струмі водню - відновлюється до вільного металу.

Чорний оксид міді (II) CuO, як і Cu2O, c водою не реагує. При взаємодії з CuO кислотами утворюються солі міді (II):

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

При сплаву з лугами CuO утворюються купрати, наприклад:

CuO + 2NaOH = Na2CuO2 + H2O

Нагрівання Cu2O в інертному атмосфері призводить до реакції диспропорціонування:

Cu2O = CuO + Cu.

Такі відновлювачі, як водень, аміак, метан, оксид вуглецю (II) та інші відновлюють CuO до вільної міді, наприклад:

CuO + СО = Cu + СО2.

Крім оксидів міді Cu2O і CuO, отримано також темно-червоний оксид міді (III) Cu2O3, що володіє сильними окисними властивостями.

Мідь реагує з галогенами, наприклад, при нагріванні хлор реагує з міддю з утворенням темно-коричневого дихлорид CuCl2. Існують також діфторід міді CuF2 і дібромід міді CuBr2, але дііодіда міді немає. І CuCl2, і CuBr2 добре розчинні у воді, при цьому іони міді гідратіруются і утворюють блакитні розчини.

При реакції CuCl2 з порошком металевої міді утворюється безбарвний нерозчинний у воді хлорид міді (I) CuCl. Ця сіль легко розчиняється в концентрованої соляній кислоті, при цьому утворюються комплексні аніони [CuCl2] -, [CuCl3] 2 - і [СuCl4] 3 -, наприклад за рахунок процесу:

CuCl + НCl = H [CuCl2]

При сплаву міді з сірої образуетcя нерозчинний у воді сульфід Cu2S. Сульфід міді (II) CuS випадає в осад, наприклад, при пропущенні сірководню через розчин солі міді (II):

H2S + CuSO4 = CuS + H2SO4

C воднем, азотом, графітом, кремнієм мідь не реагує. При контакті з воднем мідь стає крихкою (так звана «воднева хвороба» міді) через розчинення водню в цьому металі.

В присутності окислювачів, перш за все кисню, мідь може реагувати з соляною кислотою і розведеної сірчаною кислотою, але водень при цьому не виділяється:

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

З азотною кислотою різних концентрацій мідь реагує досить активно, при цьому утворюється нітрат міді (II) і виділяються різні оксиди азоту. Наприклад, з 30%-й азотною кислотою реакція міді протікає так:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu (NO3) 2 + 2NO + 4H2O.

З концентрованої сірчаної кислотою мідь реагує при сильному нагріванні:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O.

Практичне значення має здатність міді реагувати з розчинами солей заліза (III), причому мідь переходить в розчин, а залізо (III) відновлюється до заліза (II):

2FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2FeCl2

Цей процес травлення міді хлоридом заліза (III) використовують, зокрема, при необхідності видалити в певних місцях шар напилення на пластмасу міді.

Іони міді Cu2 + легко утворюють комплекси з аміаком, наприклад, складу [Cu (NH3)] 2 +. При пропущенні через аміачні розчини солей міді ацетилену С2Н2 в осад випадає карбід (точніше, ацетіленід) міді CuC2.

Гідроксид міді Cu (OH) 2 характеризується переважанням основних властивостей. Він реагує з кислотами з утворенням солі і води, наприклад:

Сu (OH) 2 + 2HNO3 = Cu (NO3) 2 + 2H2O.

Але Сu (OH) 2 реагує і з концентрованими розчинами лугів, при цьому утворюються відповідні купрати, наприклад:

Сu (OH) 2 + 2NaOH = Na2 [Cu (OH) 4]

Якщо в медноамміачний розчин, отриманий розчиненням Сu (OH) 2 або основного сульфату міді в аміаку, помістити целюлозу, то спостерігається розчинення целюлози і утворюється розчин медноамміачного комплексу целюлози. З цього розчину можна виготовити медноамміачние волокна, які знаходять застосування при виробництві білизняного трикотажу і різних тканин.

Знаходження в природі: в земній корі вміст міді складає близько 5.10 -3% за масою. Дуже рідко мідь зустрічається в самородному вигляді (найбільший самородок в 420 тонн знайдено в Північній Америці). З руд найбільш широко поширені сульфідні руди: Халькопірит, або мідний колчедан, CuFeS2 (30% міді), ковеллін CuS (64,4% міді), халькозін, або мідний блиск, Cu2S (79,8% міді), борної Cu5FeS4 (52-65% міді). Існує також багато і оксидних руд міді, наприклад: Купрій Cu2O, (81,8% міді), малахіт CuCO3 · Cu (OH) 2 (57,4% міді) та інші. Відомо 170 медьсодержащіх мінералів, з яких 17 використовуються в промислових масштабах.

Різних руд міді багато, а от багатих родовищ на земній кулі мало, до того ж мідні руди добувають вже багато сотень років, так що деякі родовища повністю вичерпані. Часто джерелом міді служать поліметалічні руди, в яких, крім міді, присутні залізо (Fe), цинк (Zn), свинець (Pb), та інші метали. Як домішки мідні руди зазвичай містять розсіяні елементи (кадмій, селен, телур, Галій, германій та інші), а також срібло, а іноді й золото. Для промислових розробок використовують руди, у яких вміст міді становить трохи більше 1% за масою, а то й менше. У морській воді міститься приблизно 1.10 -8% міді.

Отримання: промислове отримання міді - складний багатоступеневий процес. Здобуту руду дроблять, а для відділення порожньої породи використовують, як правило, флотаційні метод збагачення. Отриманий концентрат (містить 18-45% міді по масі) піддають випалу в печі з повітряним дуттям. У результаті випалу утворюється недогарок - тверда речовина, що містить, крім міді, також і домішки інших металів. Недогарок плавлять у відбивних печах або електропечах. Після цієї плавки, крім шлаку, утвориться так званий штейн, у якому вміст міді становить до 40-50%. Далі штейн піддають конвертування - через розплавлений штейн продувають стиснене повітря, збагачене киснем. У штейн додають кварцовий флюс (пісок SiO2). В процесі конвертації міститься в штейн як небажана домішка сульфід заліза FeS переходить у шлак і виділяється у вигляді сірчистого газу SO2:

2FeS + 3O2 + 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2

Одночасно сульфід міді (I) Cu2S окислюється:

2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SO2

утворився на цій стадії Cu2О далі реагує з Cu2S:

2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2

В результаті виникає так звана чорнова мідь, в якій зміст самої міді становить уже 98,5-99,3% за масою. Далі чорнову мідь піддають рафінуванню. Рафінування на першій стадії - вогняна, воно полягає в тому, що чорнову мідь розплавляють і через розплав пропускають кисень. Домішки більш активних металів, які містяться в чорнової міді, активно реагують з киснем і переходять в оксидні шлаки. На завершальній стадії мідь піддають електрохімічного рафінуванню в сірчанокисле розчині, при цьому чорнова мідь служить анодом, а очищена мідь виділяється на катоді. При такій очищення домішки менш активних металів, які були присутні в чорнової міді, випадають в осад у вигляді шламу, а домішки більш активних металів залишаються у електроліті. Чистота рафінованої (катодного) міді досягає 99,9% і більше.

Застосування: мідь, як вважають, - перший метал, що людина навчилася обробляти і використовувати для своїх потреб. Знайдені в верхів'ях річки Тигр вироби з міді датуються десятий тисячоліттям до нашої ери. Пізніше широке застосування сплавів міді визначило матеріальну культуру бронзового віку (кінець 4 - початок 1 тисячоліття до нашої ери) і надалі супроводжувала розвиток цивілізації на всіх етапах. Мідь і її використовувалися для виготовлення посуду, начиння, прикрас, різних художніх виробів. Особливо велика була роль бронзи.

З 20 століття головне застосування міді обумовлено її високою електропровідністю. Більше половини що добувається міді використовується в електротехніці для виготовлення різних проводів, кабелів, струмопровідних частин електротехнічної апаратури. З-за високої теплопровідності мідь - незамінний матеріал різних теплообмінників і холодильної апаратури. Широко застосовується мідь в гальванотехніки - для нанесення мідних покриттів, для одержання тонкостінних виробів складної форми, для виготовлення кліше в поліграфії та ін

Велике значення мають мідні сплави - латуні (основна добавка цинк (Zn)), бронзи (сплави з різними елементами, головним чином металами - оловом (Sn), алюмінієм (Al), Беріл (Be), свинцем (Pb), кадмію (Cd) та іншими, крім цинку (Zn) і нікелю (Ni)) та мідно-нікелеві сплави, у тому числі мельхіор і нейзильбер. У залежно від марки (складу) сплави використовуються в самих різних областях техніки як конструкційні, антідікціонние, стійкі до корозії матеріали, а також як матеріали із заданою електро-і теплопровідністю Так звані монетні сплави (мідь із "алюмінієм (Al) і мідь з нікелем (Ni)) застосовують для карбування монет - «меди» і «срібла», та мідь входить до складу і справжніх монетного срібла і монетного золота.

Біологічна роль: мідь присутня у всіх організмах і належить до числа мікроелементів, необхідних для їх нормального розвитку (див. Біогенні матеріалів). У рослинах і тварин вміст міді варіюється від 10-15 до 10-3%. М'язова тканина людини містить 1.10 -3% міді, кісткова тканина -- (1-26) · 10-4%, у крові присутній 1,01 мг/л міді. Усього в організмі середнього людини (маса тіла 70 кг) міститься 72 мг міді. Основна роль міді в тканинах рослин і тварин - участь у ферментативному каталізі. Мідь слугує активатором ряду реакцій і входить до складу медьсодержащіх ферментів, перш всього оксидаз, каталізують реакції біологічного окислення. Медьсодержащій білок пластоціанін бере участь у процесі фотосинтезу. Інший медьсодержащій білок, Гемоціанін, виконує роль гемоглобіну у деяких безхребетних. Так як мідь токсична, в тваринному організмі вона знаходиться у зв'язаному стані. Значна її частина входить до складу утворюється в печінці білка церулоплазміну, що циркулює з током крові і деставляющего мідь до місць синтезу інших медьсодержащіх білків. Церулоплазмін володіє також каталітичної активністю і бере участь в реакціях окислення. Мідь необхідна для здійснення різних функцій організму - дихання, кровотворення (стимулює засвоєння заліза і синтез гемоглобіну), обміну вуглеводів і мінеральних речовин. Недолік міді викликає хвороби як рослин, так і тварин і людини. З їжею людина щодня одержує 0,5-6 мг міді.

Сульфат міді та інші сполуки міді використовують у сільському господарстві як мікродобрив і для боротьби з різними шкідниками рослин. Однак при використанні сполук міді, при роботах з ними потрібно враховувати, що вони отруйні. Попадання солей міді в організм призводить до різних захворювань людини. ГДК для аерозолів міді складає 1 мг/м 3, для питної води вміст міді має бути не вище 1,0 мг/л.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimikov.net/