Медь и её сплавы

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Тема, конечно, звучит несколько обыденно. Ну, медь, ну металл. Ну что нового, кроме кучки сухих цифр может предоставить такая работа для изучения? Это не о культуре разглагольствовать, не о высоких материях вспоминать – тут нужна чёткость, сухость…

    Примерно  такие мысли возникали у меня в голове, когда реферат только начинал создаваться. Но, как это часто случается в нашем нелепом мире, всё повернулось совсем по-другому. У металла, название которого мы слышим каждый день, к которому давно привыкли и не обращаем на него никакого внимания, оказалась богатая история, а где эта история берёт своё начало – про то не ведает ни один человек на нашей планете. В принципе, мы, обладая достаточно развитой фантазией, можем представить себе всё, что происходило в далёком прошлом. Мы мысленно можем увидеть, как совершенно дикий человек, закутанный, быть может, в звериные шкуры идёт по горам, сжимая в кулаке каменный топор. Как человек натыкается на странный для него камень красноватого оттенка и начинает стучать по нему своим топором. Мы можем увидеть, как из обрабатываемого куска меди постепенно появляется копия топора каменного, который затем будет выброшен за ненадобностью. Так медный век подошёл к колыбели человечества, так прогресс набирал свою скорость.

    Медь, использовавшаяся на заре человечества и сопровождавшая его на протяжении тысячелетий, используется и по сей день. В современном мире, она занимает видное место, равно как и её сплавы, речь о которых ещё зайдёт позже. В моём реферате была предпринята попытка предоставить исчерпывающие сведения по данной теме. Надеюсь, мне это удалось. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Распространение меди в природе. Месторождения

    Металлы подгруппы меди обладают небольшой  химической активностью, поэтому они  находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном виде, особенно золото.

    Медь  в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде сернистых соединений – халькопирита (или ) и халькозина . Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы, например: .

    При температуре ниже 1000⁰C происходило образование окиси меди, которая в небольших количествах встречается в природе: .

    Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами: .

    Подобные  процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах. Такие  природные “металлургические заводы”  выплавляют громадные количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов.

    Некоторые другие минералы меди получились из окисных  руд. Например, под действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и образование основных карбонатов: .

    В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В  “лаборатории” природы сроки  в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности камня.

    Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III): .

    Растворы  сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе  и в настоящее время.

    Медь  входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же – медный колчедан) CuFeS₂, халькозин (медный блеск) Cu₂S, ковеллин CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu₅FeS₄. Иногда встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10^-3 %  по массе (10¹⁵ - 10¹⁶ тонн).

    Соединения  элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно, что  объясняется различием в геологических  условиях, сложившихся в различных местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго (Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.

    Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”, где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская газета “Ведомости”, которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: “Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству”.

    В начале этого столетия главнейшими  месторождениями, которые разрабатывались, были: в районе Северного Урала  – Богословский завод, в районе Нижнего  Тагила – Выйский завод, а на Кавказе  – Калакентский и Кедабекский заводы.

    В наше время известны месторождения  меди на восточном склоне Урала, Средней  Азии, Закавказье и т.д.

    Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов, которое  покрыто так называемыми конкрециями  – скоплениями в виде камней округлой неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам ученых запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  и химические свойства меди

Физические  свойства

    Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.

    Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению  с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием “зазоров” между ион-атомами.

    Необходимо  отметить, что твердость и прочность  металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.

    Цвет  меди и её соединений

    Чистая  медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней  кислорода. Оказалось, что медь, многократно  возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

    При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl – белый, Cu₂O – красный, CuCl + H₂O – голубой, CuO – черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.

    Электропроводимость

    Медь  обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено  её применение в электронике.

    Медь  кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

    

    Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди. 

    Характеристики  основных физико-механических свойств меди

Плотность r , кг/м3	8890
Температура плавления Тпл, ° С	1083
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	208
Теплопроводность l , Вт/ (м × град), при 20–100 ° С	390
Удельная  теплоемкость Ср, Дж/ (г × К), при 20–100 ° С	0,375
Коэффициент линейного расширения a ×  10–6, град–1, при 0–100 ° С	16,8
Удельное  электросопротивление r × 108, Ом × м, при 20–100 ° С	1,724
Температурный коэффициент электросопротивления, град–1, при 20–100 ° С	4,3× 10–3
Предел  прочности s в, МПа
мягкой  меди (в отожженном состоянии)	190-215
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280-360
Относительное удлинение d , %
мягкой  меди (в отожженном состоянии)	60
твердой меди (в нагартованном состоянии)	6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой  меди (в отожженном состоянии)	45
твердой меди (в нагартованном состоянии)	110
Предел  текучести s t , МПа
мягкой  меди (в отожженном состоянии)	60-75
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280-340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	630-470
Модуль  сдвига G × 10–3, МПа	42-46
Модуль  упругости Е × 10–3, МПа
мягкой  меди (в отожженном состоянии)	117-126
твердой меди (в нагартованном состоянии)	122-135
Температура рекристаллизации, ° С	180-300
Температура горячей деформации, ° С	1050-750
Температура литья, ° С	1150-1250
Линейная  усадка, %	2,1

 
 

Химические  свойства

    Строение  атома.

    

    Рисунок 2. Схема строения атома меди. 

    ₂₉Cu 1s¹ 2s² sp⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹

    E_{ионизации 1} = 7.72 эВ

    E_{ионизации 2} = 20.29 эВ

    E_{ионизации 3} = 36.83 эВ

    Отношение к кислороду

    Медь  проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном  воздухе  постепенно окисляется и покрывается  пленкой зеленоватого цвета, состоящей из основных карбонатов меди:

    В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется тончайший слой оксида меди:

    Внешне  медь при этом не меняется, так как  оксид меди (I) как и сама медь, розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет, т.е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например при 600-800 ⁰C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I), которая с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется двухслойное окисное покрытие.

Q_{образования} (Cu₂O) = 84935 кДж.

Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди. 

    Взаимодействие  с водой

    Металлы подгруппы меди стоят в конце  электрохимического ряда напряжений, после иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В то же время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди из растворов их солей, например: . Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход электронов:

    Молекулярный  водород вытесняет металлы подгруппы  меди с большим трудом. Объясняется  это тем, что связь между атомами  водорода прочная и на ее разрыв затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами водорода.

    

    Медь  при отсутствии кислорода с водой  практически не взаимодействует. В  присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и  покрывается зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната: