Медь

                  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, Cu

₂O – 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:

    

    

                    Взаимодействие с кислотами                   

Находясь в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет  его из кислот.

Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако в

присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием

соответствующих солей:

.

        Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам       

Q_{образования} (CuCl) = 134300 кДж

Q_{образования} (CuCl₂) = 111700 кДж

                   

Медь хорошо реагирует  с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX₂

.. При действии галогенов  при комнатной температуре видимых  изменений не

происходит, но на поверхности  вначале образуется слой адсорбированных  молекул,

а затем и тончайший  слой галогенидов. При нагревании реакция  с медью происходит

очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим  ее в горячем виде в

банку с хлором – около  меди появятся бурые пары, состоящие  из хлорида меди (II)

CuCl₂ с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит

самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты.

Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической  меди с

раствором галогенида двухвалентной  меди, например:

. Монохлорид выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.

                            Оксид меди                           

При прокаливании меди на воздухе  она покрывается черным налетом, состоящим из

оксида меди . Его

также легко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)

₂CO₃ или нитрата меди (II) Cu(NO₃)₂. При

нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая

углерод в диоксид углерода, а водород – в воду  восстанавливаясь при этом в

металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе

органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

Под слоем меди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu₂O.

Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных  количеств

меди и окиси меди, взятых в виде порошков:

.

Закись меди используют при  устройстве выпрямителей переменного  тока, называемых

купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до  1020-1050

⁰C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из

закиси меди и окиси  меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое

время в азотной кислоте:

.

Пластинку промывают, высушивают и прокаливают при невысокой  температуре – и

выпрямитель готов. Электроны  могут проходить только от меди через  закись

меди. В обратном направлении  электроны проходить не могут. Это  объясняется

тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое закиси меди,

который примыкает непосредственно  к меди, имеется избыток электронов, и

электрический ток проходит за счет электронов, т.е. существует электронная

проводимость. В наружном слое закиси меди наблюдается нехватка электронов,

что равноценно появлению  положительных зарядов. Поэтому, когда  к меди

подводят положительный  плюс источника тока, а к закиси меди – отрицательный,

то электроны через  систему не проходят. Электроны при  таком положении полюсов

движутся к положительному электроду, а положительные заряды – к

отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайший слой, лишенный

носителей электрического тока, - запирающий слой. Когда же медь подключена к

отрицательному полюсу, а  закись меди к положительному, то движение электронов

и положительных зарядов  изменяется на обратное, и через систему проходит

электрический ток. Так работает купроксный выпрямитель. [6, с.63]

                          Гидроксиды меди                         

Гидроксид меди малорастворимое  и нестойкое соединение. Получают его при действии

щелочи на раствор соли:

. Это ионная реакция  и протекает она потому, что  образуется плохо

диссоциированное соединение, выпадающее в осадок:

Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид  меди (I)

белого цвета: .

Это нестойкое соединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II):

.

Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди

(II) хорошо растворим не  только в кислотах, но и в  концентрированных растворах

щелочей: ,  

.

Таким образом, гидроксид  меди (II) может диссоциировать и как основание:

и как кислота. Этот тип  диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных

групп воды:

                             Сульфаты                            

Наибольшее практическое значение имеет CuSO₄*5H₂O,

называемый медным купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной

серной кислоте. Поскольку  медь относится к малоактивным металлам и расположена

в ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется:

.

Медный купорос применяют  при электролитическом получении  меди, в сельском

хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, для получения других

соединений меди.

                             Карбонаты                            

Карбонаты для металлов подгруппы  меди не характерны и в практике почти не

применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной

карбонат меди, который  встречается в природе.

                       Комплексообразование                      

Характерное свойство двухзарядных ионов меди – их способность соединятся с

молекулами аммиака с  образованием комплексных ионов.

                 Качественные реакции на ионы меди                

Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появление