Медь это сплав или металл

Глоссарий. Химия

Медь — элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.

История и происхождение названия

Медь — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом — бронзы для изготовления оружия и т. п. (см бронзовый век). Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди. У Страбона медь именуется халкосом, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник. Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков производят русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) от древненемецкого smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). Конечно, родство корней в данном случае несомненно, однако, оба эти слова произведены от греч. рудник, копь независимо друг от друга. От этого слова произошли и родственные названия — медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь венера (Venus). В более древние времена встречается название марс (Mars).

Физические свойства

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет. Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра). Имеет два стабильных изотопа — 63 Cu и 65 Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64 Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами. Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем, баббиты — со свинцом и другие.

Химические свойства

Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не реагирует с водой, разбавленной соляной кислотой. Переводится в раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Реагирует при нагревании с галогеноводородами.

Современные способы добычи

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования. Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди. Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига. После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20-40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 °C. С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4 — 99,4 % меди, 0,01 — 0,04 % железа, 0,02 — 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине. Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0 — 99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Свойства меди и ее применение

Медь широко используется в чистом виде и в виде сплавов в электротехнической и радиотехнической промышленности, где расходуется около 50% получаемой меди, в машиностроении и приборостроении, и военной технике. Чистая медь — металл розо­вого цвета с плотностью 8,93, температурой плавления 1084° С и температурой кипения 2582° С. Медь имеет высокую электро­проводность и теплопроводность, обладает хорошей ковкостью и тягучестью, легко прокатывается в тонкий лист и вытягивается в проволоку.

С давних пор известны и нашли широкое распространение сплавы меди с цинком — латуни и меди с оловом — бронзы. Латунь содержит от 10 до 30% 2п и в ряде случаев небольшие количества олова и свинца. Латуни хорошо обрабатываются, имеют более высокую по сравнению с медью механическую проч­ность и, кроме того, дешевле чистой меди. Бронза содержит до 20% Бп. Несмотря на относительно высокую твердость, бронзы хорошо обрабатываются и хорошо заполняют форму при литье. Бронзы обладают высокой устойчивостью к износу, небольшим коэффициентом трения и поэтому используются для приготовле­ния вкладышей подшипников, шестерен и других деталей. Бронза используется также в химическом производстве.

Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удель­ное сопротивление меди равно 0,018 Ом•мм 2 /м, а тепло­проводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м • К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обла­дает ценными механическими свойствами — ковкостью и тягу­честью.

В присутствии воздуха, влаги и сернистого газа медь постепенно покрывается плотной зеленовато-серой пленкой основной серно-кислой соли, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Поэтому медь и ее сплавы находят широкое применение при строительстве линий электропередач и устройстве различного вида связи, в электромашинострое­нии и приборостроении, в холодильной технике (производст­во теплообменников охлаждающих устройств) и химическом машиностроении (изготовление вакуум-аппаратов, змееви­ков). Около 50 % всей меди расходует электропромышлен­ность. На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Ве, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами P, S, О и др. Область при­менения этих сплавов очень обширна. Многие из них обла­дают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы приме­няют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.

Например, широко применяют сплавы типа оловянных (4— 33 % Sn), свинцовых (

30 % Pb), алюминиевых (5—11 % Al), кремниевых (4—5 % Si) и сурьмяных бронз. Бронзы применяют для изготовления подшипников, теплообменников и других изделий в виде листа, прутков и труб в химической, бумаж­ной и пищевой промышленности.

Сплавы меди с хромом и порошковый сплав с вольфрамом идут на изготовление электродов и электроконтактов.

В химической промышленности и машиностроении также ши­роко применяют латунь — сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). Сплавы меди с фосфором (6—8 %) исполь­зуют в качестве припоев.

Известны два способа извлечения меди из руд и концентра­тов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел широкого применения. Его ис­пользуют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позвляет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Одновременно решает­ся задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ про­изводства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой ме­ди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

Медь: удельный вес, свойства, применение и сплавы

Медь – это металл красно-розового цвета с золотистым отливом, занимающий в таблице химических элементов 29-е место и имеющий плотность 8,93 кг/м3. Удельный вес меди составляет 8,93 г/см3, температура кипения – 2657, а плавления – 1083 градусов по Цельсию.

Этот металл имеет высокую пластичность, мягкость и тягучесть. Располагая высокой вязкостью, он отлично куется. Медь относится к достаточно тяжелым и прочным металлам. В чистом виде она хорошо проводит тепло и электричество (уступает только серебру).

Химические свойства металла

Химические характеристики, как и механические, магнитные и физические свойства, такие как пластичность, вязкость, удельный вес меди, имеют актуальное значение. Металл обладает малой химической активностью. При небольшой влажности и нормальной температуре у нее высокая коррозийная устойчивость. При нагревании окисляется, образуя оксиды. Во влажной среде, содержащей углекислый газ, медная поверхность покрывается зеленоватой пленкой, содержащей оксид и карбонат металла. Медь вступает в реакцию с галогенами, образуя соли, при комнатной температуре. Легко взаимодействует с серой и селеном. Прекрасно растворяется в азотной и подогретой концентрированной серной кислоте. Без доступа кислорода с разбавленной серной и соляной кислотой не реагирует.

Плотность меди

Значение этой величины, содержащееся в специальной таблице, составляет 8,93*103 кг/м3. Удельный вес меди – не менее важная величина, характеризующая металл. Он составляет, как уже было сказано 8,93 г/см3.

Получается, что значение величин параметров плотности и удельного веса для данного металла совпадают, что не характерно для других материалов. От плотности материала зависит вес изделия, изготовленного из него. Для расчетов массы будущей детали обычно пользуются удельным весом, а не плотностью.

Удельный вес металла

Эта величина, как и плотность, является важным показателем различных материалов, который определяют по имеющимся таблицам. По величине удельного веса меди и ее сплавов можно выгодно подобрать соответствующие металлы для изготовления изделия с заданными параметрами. Такие расчеты обычно проводят на стадии проектирования. Удельный вес как физическая величина вычисляется отношением веса вещества к его объему. Не следует путать эту величину с плотностью, как массу с весом. Зная удельный вес меди или сплава, всегда можно вычислить массу изделия из данного материала.

Основные медные сплавы, используемые в промышленности

По технологическому процессу изготовления медные сплавы делятся на литейные и деформируемые, а в зависимости от химического состава – на бронзы и латуни. В последней основой является медь и цинк, могут быть добавлены и другие элементы. Бронзы – это сплав меди (удельный вес 8,93 г/см3) с другими металлами. Выбор легирующего компонента зависит от конкретного использования изделия.

По содержанию основного компонента медное литье бывает следующих видов:

• Оловянная бронза. При производстве применяют закалку и старение для увеличения пластичности и прочности.
• Алюминиевая бронза. Обладает антикоррозийными свойствами, отлично деформируется.
• Свинцовый сплав. Имеет превосходные антифрикционные свойства.
• Латунь. Может состоять из двух или нескольких компонентов.
• Медно-никелевый сплав, содержащий цинк. По свойствам и внешнему виду напоминает мельхиор.
• Сплав меди с железом. Основное его отличие – высокая пористость.

Удельный вес электротехнической меди

Такой она получается после очистки от примесей. Самое малое содержание каких-либо металлов в ней значительно снижает ее электропроводность. Так, например, содержание 0,02 % алюминия понижает проводимость до 10 %, несмотря на то, что этот металл неплохо проводит электрический ток. Самыми важными характеристиками материала являются:

• удельный вес меди;
• сопротивление электрическое;
• температура плавления.

Для нужд электротехники используют технически чистый металл, который содержит от 0,02 до 0,04 % кислорода, а изделия с высокой проводимостью тока изготавливают из особой, бескислородной меди. Для электротехнических изделий (обмотки трансформаторной, провода, кабельной жилы, шин электротехнических) используют разные сорта металла.

Применение меди и ее сплавов в народном хозяйстве

Высокая прочность, удельный вес меди, отличная электропроводность, хорошая механическая обрабатываемость – все это позволяет использовать ее во многих сферах производства:

• Строительная – прекрасно совмещается с кирпичом, деревом, стеклом, камнем. Имеет длительный срок службы, не боится коррозии.
• Электротехническая – провода, кабели, электроды, шины.
• Химическая – изготавливают детали для аппаратуры и инструменты.
• Металлургическая – производство сплавов. Самый востребованный – латунь. Она тверже меди, хорошо куется, обладает вязкостью. Из нее штампуют различные формы и прокатывают в тонкие листы.
• Художественная – медные чеканки, бронзовые статуи.
• Бытовая – использование для изготовления посуды, труб.

Медные руды

В природных условиях медь чаще всего встречается в соединениях, но попадается и в виде самородков. К минералам, которые являются основными ее источниками, относятся:

• Куприт – минерал оксидной группы.
• Малахит – известен как поделочный камень, содержит карбонат меди. Российский малахит – углекислая медная зелень пользуется большой популярностью.
• Азурит – синего цвета минерал, часто сращивается с малахитом, обладает высокой твердостью.
• Медный колчедан и медный блеск – содержат сульфид меди.
• Ковеллин – относится к сульфидным породам, первоначально был обнаружен около Везувия.

Медные руды добывают, в основном, открытым способом. В них может содержаться 0,4-1,0 % меди. По ее производству мировым лидером является Чили, дальше следуют Соединенные Штаты Америки, Россия, Канада, Казахстан.

Полезное о металлах: медь

В ходе многолетней практики создания украшений часто приходится сталкиваться с необходимостью рассказать покупателю или человеку, пришедшему на мастер-класс, о свойствах металлов и их славов.

Понятия — серебро, золото, железо — в целом являются общеизвестными и пояснений не требуют, а вот такие загадочные обозначения как «бижутерный сплав», томпак, бронза, нейзильбер и другие могут вызывать некоторые затруднения.

В связи с этим, возникла потребность написания цикла обзорных статей, которыми я бы хотела поделиться.

Первая статья цикла посвящена меди — первому освоенному человеком металлу.

Медь — элемент одиннадцатой группы IV периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum).

В чистом виде медь — это пластичный, вязкий и легко прокатываемый в тонкие листы металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки), обладающий высокой тепло- и электропроводностью.
Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Медь встречается в природе в самородном виде чаще, чем золото, серебро и железо.

Поэтому из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления медь входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён и один из первых металлов, широко освоенных человеком .
Одни из самых древних изделий из меди, а также шлак — свидетельство выплавки её из руд — найдены на территории Турции, при раскопках поселения Чатал-Гююк, относящегося к периоду медного века.
Медный век, когда значительное распространение получили медные предметы, следует во всемирной истории за каменным веком и предшествует бронзовому. Медь как художественный материал использовался для изготовления украшений, скульптур, утвари и посуды.

В наши дни медь широко используется в промышленности разного рода из-за:

• высокой теплопроводимости;
• высокой электропроводимости;
• ковкости;
• хороших литейных качеств;
• большого сопротивления на разрыв;
• химической стойкости.

Около 40% меди идёт на изготовление различных электрических проводов и кабелей.

Кроме того, медь обладает высокой декоративной возможностью, что активно используется при изготовлении предметов декоративно-прикладного искусства и даже дизайне интерьеров.

На равне с прекрасной деформируемостью и устойчивостью к условиям окружающей среды, высокая декоративность меди обусловлена потрясающей цветовой палитрой патины, образующейся на ее поверхности.

Патина — пленка, образующаяся на поверхности металла в ходе окисления под влиянием окружающей среды.

Химический состав и цвет патины слегка отличается в зависимости от окружающей среды и формирует химически стабильный и прочный защитный слой, изолирующий металл от внешней среды. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения. В случае механических повреждений эта поверхность восстанавливается сама.

Для соединений, образующихся на поверхности металлической меди характерны цвета: Cu2O — красный (в природе в виде минерала куприт), CuO — черный (в природе в виде минерала тенорит), CuCl2+H2O — голубой. Во влажном воздухе на поверхности меди образуются меднозакисные соли: в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка карбонатов состава Cu(OH)2·CuCO3; так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения, в виде основного сульфата (II) — (CuOH)2 SO4.

В естественных условиях цвет меди изменяется несколько раз, начиная с момента рождения и до полного формирования патины на ее поверхности. Непосредственно после изготовления металла он покрывается оксидом Cu2O и поверхность меди становится нежно-розовая и блестящая. Под действием кислорода воздуха пленка из оксида меди Cu2O становится более толстой и цвет густеет; медь становится ярко-красной.

Затем на ней начинает образовываться оксид меди CuO черного цвета. Поэтому, по мере наращивания слоя CuO поверхность меди становится тусклой и матовой. Затем цвет темнеет и постепенно меняется на коричневый. Становясь все более непрозрачным, слой CuO меняет цвет меди с темно-коричневого в итоге на антрацитово-черный.

Затем эта поверхность развивается далее, под воздействием находящихся в воздухе углерода, серы, хлоридов и влаги на ней образуются различные меднозакисные соли, обладающие зеленым цветом, иногда с синеватыми или голубоватыми оттенками. С течением времени наступает последняя стадия процесса окисления и на поверхности образуется ярко-зеленый, иногда зеленый с голубовато-синим оттенком слой патины. В основной своей массе природная патина — это соединения родственные зеленоватому минералу меди — малахиту.

Многообразие и красоту этого металла можно отразить, приведя примеры предметов декоративно-прикладного искуссства, бижутерии и фотографий итерьеров, для создания которых использовалась медь.

Широкое применение в ювелирной, инструментальной и машиностроительной промышленности и электротехнике нашли различные сплавы меди с другими веществами. Наиболее важными из них являются латуни, медноникеливые сплавы и бронзы.
Также необходимо отметить, что медь является важнейшим компонентом лигатур для изготовления драгоценных сплавов различных проб на основе серебра и золота.

Более подробно о сплавах меди, их свойствах и применении будет рассказано в следующих частях обзора

В завершении этой части приведу несколько советов по чистке медных украшений:

1. Для легкой чистки и удаления жирного налета медные украшения можно промыть в мыльной воде и/ или протереть бумагой или ветошью.

2. Для удаления пятен на медной поверхности и некрасивой патины:

• можно взять 9% уксус и мелкую пищевую соль. Из этих двух компонентов делают пасту, которой натирают медь, после чего пасту смывают, и ваше украшение блестит, как новое;

ВНИМАНИЕ: при этом методе счищается ВСЯ патина, т.е. если вы хотите сохранить состаренный вид изделия, данный метод не применять.

• ярко-зеленый налет на медном изделии можно удалить с помощью 10%-ного раствора лимонной кислоты — опустить изделие в нагретый раствор или протереть половинкой лимона. и промыть водой;

ВНИМАНИЕ: при этом методе счищается ВСЯ патина обработанная поверхность приобретает красновато-розовый оттенок, т.е. если вы хотите сохранить состаренный вид изделия, данный метод не применять.

3. Для удаления царапин и крохотных вмятин поверхность изделия можно потереть наждачной бумагой — нулевкой. Выбирать наждачку нужно внимательно, так как слишком грубая оставит полосы и может испортить внешний вид изделия. Самая подходящая — имеющая зернистость 2500 и выше.

ВНИМАНИЕ: не применять, если изделие имеет декоративную патину и вставки — камни, стекло, эмаль (есть риск их поцарапать даже нулевкой).

Хранить медные украшения надо подальше от прямого солнечного света, парфюмерии и воды.