Химия

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           |
|Сu2+ + Вr -  + е = СuВr                      |0,64           |
|Сu2+ + Сl- + е = CuCl                        |0,54           |
|Сu2+ + I- + е = CuI                          |0,86           |
|Cu(NH3)42+ + е = Cu(NH3)2+ + 2NH3            |-0,01          |
|Cu(NH3)2+ + е = Сu0 + 2NH3                   |-0,12          |
|Cu(NH3)42+ + 2e = Cu0 + 4NH3                 |-0,07          |


   Химическая активность меди невелика, при температурах ниже 185°С с  сухим
воздухом  и  кислородом  не  реагирует.  В  присутствии  влаги  и   СО2   на
поверхности  меди  образуется  зеленая  пленка  основного   карбоната.   При
нагревании  меди  на  воздухе  идет  поверхностное  окисление;  ниже   375°С
образуется СuО, а в интервале  375—1100°С  при  неполном  окислении  меди  —
двухслойная окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с  медью  уже
при комнатной температуре, образуя хлорид  меди(II),  хорошо  растворимый  в
воде. Медь реагирует и с другими галогенами.
   Особое сродство проявляет  медь  к  сере:  в  парах  серы  она  горит.  С
водородом,  азотом,  углеродом  медь   не   реагирует   даже   при   высоких
температурах. Растворимость водорода в  твердой  меди  незначительна  и  при
400°С составляет 0,06 г в 100 г меди.  Присутствие  водорода  в  меди  резко
ухудшает ее механические свойства  (так  называемая  "водородная  болезнь").
При пропускании аммиака над  раскаленной  медью  образуется  Cu2N.  Уже  при
температуре каления медь подвергается воздействию оксидов азота:  N2O  и  NO
взаимодействуют с образованием Сu2О, a NO2 —  с  образованием  СuО.  Карбиды
Сu2С2 и СuС2 могут быть получены действием ацетилена на  аммиачные  растворы
солей меди.  Окислительно-восстановительные  равновесия  в  растворах  солей
меди в обеих степенях окисления осложняются легкостью  диспропорционирования
меди(I) в медь(0) и медь(II), поэтому комплексы  меди(I)  обычно  образуются
только в том случае, если они нерастворимы (например, CuCN и Cul)  или  если
связь металл—лиганд имеет ковалентный характер, а  пространственные  факторы
благоприятны.
   Исследование комплексных соединений меди(П) может быть проведено методами
протонного  резонанса  и  ЭПР.  Большое  число  работ  по  ЭПР   комплексных
соединений меди(II)  обусловлено  устойчивостью  этого  состояния  окисления
меди и относительно узкими линиями спектра ЭПР меди(П) в  широком  интервале
температур.
   Спектры  ЭПР  комплексов  меди(II)  в  растворах   часто   имеют   хорошо
разрешенную сверхтонкую структуру из четырех линий от ядер  63  Сu  и  65Сu,
ядерный спин  которых  3/2.Так  как  магнитные  моменты  ядер  63Сu  и  65Сu
несколько различаются,  то  в  случае  узких  линий  сверхтонкой  структуры,
например для серосодержащих комплексов, в  спектрах  ЭПР  видны  разрешенные
линии от ядер  63Сu  и  65Сu.  При  интерпретации  спектров  ЭПР  необходимо
учитывать сосуществование в растворах, как правило,  нескольких  комплексов.
Ниже кратко рассматриваются химические свойства меди  в  различных  степенях
окисления.

   Медь(I).  Комплексы  меди(I)  обычно  имеют  (в  зависимости  от  природы
лиганда)  линейное  или  тетраэдрическое  строение.  Ионы  меди(I)  содержат
десять   3d-электронов   и   обычно   образуют   четырех    координированные
тетраэдрические  структуры  типа   [CuCl4]3-.   Однако   с   сильноосновными
высокополяризованными или легко поляризующимися лигандами  медь(I)  образует
двухкоординированные линейные комплексы.
   В  соединениях  меди(I)  ион  имеет  конфигурацию   3d'°,   поэтому   они
диамагнитны  и  бесцветны.  Исключение  составляют  случаи,  когда   окраска
обусловлена  анионом  или  поглощением   в   связи   с   переносом   заряда.
Относительная устойчивость ионов Сu+ и Сu2+  определяется  природой  анионов
или  других  лигандов.  Примерами  устойчивого  в  воде  соединения  меди(I)
являются малорастворимые CuCl и  CuCN,  соли  Cu2SO4  и  других  оксоанионов
можно получить в неводной среде. В  воде  они  быстро  разлагаются,  образуя
медь металлическую и соли  меди(I).  Неустойчивость  солей  меди(I)  в  воде
обусловлена  отчасти  повышенными  значениями  энергии  решетки  и   энергии
сольватации  для  иона   меди(П),   вследствие   чего   соединения   меди(I)
неустойчивы.
   Оксид меди(I) Сu2О красного цвета, незначительно растворяется в воде. При
взаимодействии сильных щелочей с  солями  меди(I)  выпадает  желтый  осадок,
переходящий при нагревании  в  осадок  красного  цвета,  по-видимому,  Cu2O.
Гидроксид  меди(I)  обладает  слабыми  основными  свойствами,  он  несколько
растворим в концентрированных растворах щелочей.

   Медь(II).  Двухзарядный  положительный  ион  меди  является  ее  наиболее
распространенным состоянием.  Большинство  соединений  меди(I)  очень  легко
окисляется в соединения  двухвалентной  меди,  но  дальнейшее  окисление  до
меди(Ш) затруднено.
   Конфигурация 3d9 делает ион  меди(II)  легко  деформирующимся,  благодаря
чему  он  образует  прочные  связи  с  серосодержащими   реагентами   (ДДТК,
этилксантогенатом,   рубеановодородной   кислотой,   дитизоном).    Основным
координационным  полиэдром  для  двухвалентной  меди  является   симметрично
удлиненная квадратная бипирамида. Тетраэдрическая  координация  для  меди(П)
встречается довольно редко  и  в  соединениях  с  тиолами,  по-видимому,  не
реализуется.
   Большинство комплексов меди(II) имеет октаэдрическую структуру, в которой
четыре координационных места  заняты  лигандами,  расположенными  к  металлу
ближе, чем два других лиганда, находящихся выше и ниже  металла.  Устойчивые
комплексы  меди(II)  характеризуются,  как  правило,  плоскоквадратной   или
октаэдрической    конфигурацией.    В    предельных    случаях    деформации
октаэдрическая  конфигурация  превращается   в   плоскоквадратную.   Большое
аналитическое применение имеют внешнесферные комплексы меди.
   СuО  встречается  в  природе  и  может  быть  получен   при   накаливании
металлической меди на  воздухе,  хорошо  растворяется  в  кислотах,  образуя
соответствующие соли.
   Гидроксид меди(II) Сu(ОН)2 в виде объемистого осадка голубого цвета может
быть получен при действии избытка водного раствора щелочи на растворы  солей
меди(II). ПР(Сu(ОН)-) = 1,31.10-20. В воде этот осадок малорастворим, а  при
нагревании переходит в  СuО,  отщепляя  молекулу  воды.  Гидроксид  меди(II)
обладает слабо выраженными амфотерными свойствами  и  легко  растворяется  в
водном растворе аммиака с образованием осадка темно-синего цвета.  Осаждение
гидроксида меди происходит при рН 5,5.
   Последовательные значения констант гидролиза для  ионов  меди(II)  равны:
рК1гидр = 7,5; рК2гидр = 7,0; рК3гидр = 12,7; рК4гидр =  13,9.  Обращает  на
себя внимание необычное соотношение pK1гидр > рК2гидр.  Значение  рК  =  7,0
вполне реально, так как рН полного осаждения Сu(ОН)2 равно 8—10.  Однако  рН
начала  осаждения  Сu(ОН)2  равно  5,5,  поэтому  величина  рК1гндр  =  7,5,
очевидно, завышена. Гидролиз ионов меди(II) в водных растворах протекает  по
схеме:
   Сu2+ + n Н20 = Cu(OH)n2-n + n Н+;  (n = 1; 2).
1-я  и  2-я  константы гидролиза равны  109  и   1017  соответственно  и  не
зависят от концентрации меди в пределах 4-1 0"4 — 1 М.
   Медь(III). Доказано, что медь(III) с конфигурацией 3d8 может существовать
в кристаллических соединениях и в  комплексах,  образуя  анионы  —  купраты.
Купраты некоторых  щелочных  и  щелочноземельных  металлов  можно  получить,
например, нагреванием смеси оксидов  в  атмосфере  кислорода.  КСuО2  —  это
диамагнитное соединение голубовато-стального цвета.
   При действии  фтора  на  смесь  КСl  и  СuСl2  образуются  светло-зеленые
кристаллы парамагнитного соединения К3СuF6.
   При окислении  щелочных  растворов  меди(II),  содержащих  периодаты  или
теллураты, гипохлоритом или  другими  окислителями  образуются  диамагнитные
комплексные соли  состава  K7[Cu(IO6)2].7H2O.  Эти  соли  являются  сильными
окислителями и при подкислении выделяют кислород.
   Соединения меди(Ш). При действии спиртового раствора щелочи  и  пероксида
водорода на охлажденный до 50° спиртовой раствор хлорида  меди(II)  выпадает
коричнево-черный   осадок   пероксида   меди   СuО2.   Это   соединение    в
гидратированной форме можно получить  при  действии  пероксида  водорода  на
раствор соли сульфата меди,  содержащего  в  небольших  количествах  Na2CO3.
Суспензия Сu(ОН)2 в растворе КОН взаимодействует с  хлором,  образуя  осадок
Сu2О3 красного цвета, частично переходящий в раствор.

                               7. Применение.

    Большая роль меди в технике  обусловлена  рядом  её  ценных  свойств  и,
прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью.
Благодаря этим свойствам медь - это основной материал для  проводов;  свыше
50 % добываемой меди применяют  в  электротехнической  промышленности.  Все
примеси  понижают  электропроводность  меди,  а  потому  в   электротехнике
используют металл высших сортов, содержащий не менее  99,9  %  Cu.  Высокие
теплопроводность и сопротивление коррозии  позволяют  изготовлять  из  меди
ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов  и
т. п. Около 30-40 % меди используют в виде различных сплавов, среди которых
наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 % Zn) и различные виды  бронз;
оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. (подробнее  см.
Сплавы  меди).  Кроме  нужд  тяжёлой  промышленности,  связи,   транспорта,
некоторое количество меди (главным образом в виде солей)  потребляется  для
приготовления минеральных  пигментов,  борьбы  с  вредителями  и  болезнями
растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов,
а  также  в  кожевенной  и  меховой  промышленности  и   при   производстве
искусственного шёлка.
   Медь как художественный материал используется с медного века  (украшения,
скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые  изделия  из  меди  и  сплавов
украшаются чеканкой,  гравировкой  и  тиснением.  Лёгкость  обработки  меди
(обусловленная её мягкостью)  позволяет  мастерам  добиваться  разнообразия
фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы.  Изделия
из меди отличаются красотой  золотистых  или  красноватых  тонов,  а  также
свойством обретать блеск при шлифовке. Медь  нередко  золотят,  патинируют,
тонируют,  украшают  эмалью.  С  15  века  медь   применяется   также   для
изготовления печатных форм.
   В медицине сульфат меди применяют как антисептическое и вяжущее  средство
в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей  для  лечения
трахомы. Раствор сульфата меди используют также при ожогах  кожи  фосфором.
Иногда сульфат меди применяют как рвотное средство. Нитрат меди употребляют
в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.
                               8. Сплавы меди.

   Для деталей машин используют сплавы меди  с  цинком,  оловом,  алюминием,
кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм2
у сплавов и    25-29 кгс/мм2 у технически чистой меди.
   Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не
принимают   термической   обработки,   и   их   механические   свойства   и
износостойкость  определяются  химическим  составом  и  его   влиянием   на
структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже,  чем  у
стали).
   Основное преимущество медных сплавов -  низкий  коэффициент  трения  (что
делает  особенно  рациональным  применением   их   в   парах   скольжения),
сочетающийся  для  многих  сплавов  с  высокой  пластичностью   и   хорошей
стойкостью  против   коррозии   в   ряде   агрессивных   сред   и   хорошей
электропроводностью.
   Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов,
тогда как механические свойства и  износостойкость,  а  также  поведение  в
условиях  коррозии  зависят  от  состава  сплавов,  а,  следовательно,   от
структуры.  Прочность  выше  у  двухфазных  сплавов,   а   пластичность   у
однофазных.

                                 8.1 Латуни.

   Латунями называют сплавы меди и цинка. Медь может растворять цинк в любом
количестве. По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по
структуре -  однофазные  и  двухфазные.  Простые  латуни  легируются  одним
компонентом: цинком.

   Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность;  она  наибольшая  у
латуней  с  30-32%  цинка  (латуни  Л70  ,  Л67).  Латуни  с  более  низким
содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают  латуням  Л68  и  Л70  в
пластичности,  но  превосходят  их  в  электро-  и  теплопроводности.   Они
поставляются в прокате и поковках.
   Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом  при
нагреве) и повышенные литейные свойства и используются  не  только  в  виде
проката, но и в отливках. Пластичность их ниже, чем у однофазных   латуней,
а прочность и износостойкость выше за счет  влияния  более  твердых  частиц
второй фазы.
   Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной структуре и  40-45
кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть  значительно
повышена холодной пластической деформацией. Эти  латуни  имеют  достаточную
стойкость  в  атмосфере  воды  и  пара   (при  условии  снятия  напряжений,
создаваемых холодной деформацией).

                            8.2 Оловянные бронзы.


   Однофазные  и  двухфазные  бронзы  превосходят  латуни  в   прочности   и
сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).
   Однофазные  бронзы  в  катаном  состоянии,  особенно  после  значительной
холодной пластической деформации, имеют повышенные  прочностные  и  упругие
свойства (?>= 40 кгс/мм2).
   Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость.

   Важное преимущество  двухфазных  оловянистых  бронз  -  высокие  литейные
свойства; они получают при литье  наиболее  низкий  коэффициент  усадки  по
сравнению с другими металлами,  в  том  числе  чугунами.  Оловянные  бронзы
применяют для литых деталей сложной формы. Однако  для  арматуры  котлов  и
подобных деталей они используются лишь в случае  небольших  давлений  пара.
Недостаток отливок из оловянных бронз -  их  значительная  микропористость.
Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше  заменяются
алюминиевыми  бронзами.  Из-за  высокой  стоимости  олова  чаще  используют
бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

                           8.3 Алюминиевые бронзы.
   Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют  латуни  и
оловянные бронзы.
   Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют  наибольшую  пластичность
(? до 60%). Их используют для листов (в  том  числе  небольшой  толщины)  и
штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной  пластической
деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные  бронзы
подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок.  У  алюминиевых
бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент
усадки больше, но они не образуют пористости,  что  обеспечивает  получение
более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением  в  указанные
бронзы  небольших  количеств  фосфора.  Бронзы  в  отливках  используют,  в
частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей
при повышенных напряжениях.
   Кроме  того,  алюминиевые  двухфазные   бронзы,   имеют   более   высокие
прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных  алюминиевых
бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2.
   Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии
в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
   Алюминиевые бронзы используют в судостроении,  авиации,  и  т.д.  В  виде
лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для
токоведущих пружин.

                           8.4 Кремнистые бронзы.


   Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные  бронзы
как более  пластичные.  Они  превосходят  алюминиевые  бронзы  и  латуни  в
прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.
   Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.
   Кремнистые бронзы, дополнительно  легированные  марганцем,  в  результате
сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость  и
в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.

                           8.5 Бериллиевые бронзы.


   Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (? до 120 кгс/мм2)  и
коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.
   Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия  используют  лишь  для
особо ответственных в изделиях небольшого сечения в  виде  лент,  проволоки
для  пружин,  мембран,  сильфонов  и  контактах  в  электрических  машинах,
аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы после закалки и
старения, т.к. растворимость бериллия   в  меди  уменьшается  с  понижением
температуры.
   Выделение  при  старении  частиц  химического  соединения  CuBe  повышает
прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

                         8.6 Сплавы меди с никелем.

   Никель сильно повышает твердость меди. Сплав 50% Сu  и  50%  Ni  обладает
наибольшей  твердостью.  Кроме  высокой  твердости,  эти   сплавы   обладают
пониженной   электропроводностью,   вследствие    чего    употребляются    в
электротехнике.
   Хорошие механические  свойства,  высокая  стойкость  против  коррозии  во
многих средах, ценные физические свойства в сочетании  с  простотой  плавки,
литья и обработки давлением обусловили широкое применение медных  сплавов  в
многочисленных отраслях техники: в авиа-,  авто-,  судостроении,  химической
промышленности,   станкостроении,   электротехнике,    приборостроении,    в
производстве паровой и водяной арматуры,  посуды,  художественных  и  других
изделий.



                                 Заключение.


   Медь является одним из металлов,  известных  с  древнейших  времён,  и  в
настоящее  время  занимает  второе  место   (после   алюминия)   по   объёму
промышленного производства.

   Медь  применяется  для  изготовления   кабелей,   токопроводящих   частей
электрических установок, теплообменников. Она является основным  компонентом
латуней  бронз,  медно-никелевых  и  других  сплавов,  обладающих   высокими
антифрикционными   свойствами,   сочетающимися   с   хорошей    коррозионной
стойкостью на воздухе.  Эти  сплавы  характеризуются,  кроме  того,  хорошей
электрической проводимостью.
   Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при
нормальных условиях медь не окисляется.  Она  достаточно  легко  вступает  в
реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и  азотом
медь  не  взаимодействует  даже  при  высоких  температурах.   Кислоты,   не
обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.
   Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в
очень тонких слоях на  просвет  медь  выглядит  зеленовато-голубой.  Эти  же
цвета, характерны и для многих соединений меди,  как  в  твердом  состоянии,
так и в растворах.
   Медь широко используется в промышленности из-за:
     1. высокой теплопpоводимости
     2. высокой электpопpоводимости
     3. ковкости
     4. хороших литейных качеств
     5. большого сопротивления на pазpыв
     6. химической стойкости
   Физические и химические свойства меди  зависят  от  степени  ее  чистоты.
Примеси меди в продуктах различных производств  также  влияют  на  свойства
этих материалов. Поэтому во многих производственных лабораториях проводится
контроль содержания меди. Большое число  публикаций  посвящено  определению
меди в биологических объектах,  особенно  в  крови,  так  как  медь  играет
большую роль в биохимических процессах, протекающих в организме, и является
индикатором некоторых заболеваний. При  аналитическом  контроле  используют
как классические химические методы, так и физические, требующие совершенной
инструментальной  техники  и  позволяющие   с   высокой   чувствительностью
определять медь в присутствии многих других элементов часто без  разрушения
образца. Переработка медных руд невозможна  без  предварительного  фазового
анализа.
   Медь входит в число жизненно  важных  микроэлементов.   Она  участвует  в
процессе фотосинтеза и  усвоении  растениями  азота,   способствует  синтезу
сахара, белков,  крахмала,  витаминов.  Чаще всего медь вносят  в  почву   в
виде пятиводного сульфата - медного купороса.   В  значительных  количествах
он ядовит,  как и многие  другие  соединения  меди,   особенно  для   низших
организмов.  В  малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.



                                 Литература.

   1. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. – 249с.);
   2. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. –
      234с.);
   3. Газарян Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. – 189с.);
   4. Справочник металлурга по цветным металлам, под редакцией Н. Н. Мурача,
      (2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2, М., 1947. – 211с.);



смотреть на рефераты похожие на "Химия меди "