Химические свойства меди. медь

Способы получения меди

В природе медь существует в соединениях и в виде самородков. Соединения представлены оксидами, гидрокарбонатами, сернистыми и углекислыми комплексами, а также сульфидными рудами. Самые распространённые руды — это медный колчедан и медный блеск. Содержание меди в них составляет 1-2%. 90% первичной меди добывают пирометаллургическим способом и 10% гидрометаллургическим.

1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование. Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига. Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность. Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.

Окислительному обжигу подлежат медные руды и концентраты со значительным содержанием серы. При нагреве в присутствии кислорода происходит окисление сульфидов, и количество серы снижается почти в два раза. Обжигу подвергаются бедные концентраты, в которых содержится 8-25% меди. Богатые концентраты, содержащие 25-35% меди, плавят, не прибегая к обжигу.

Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.

В горизонтальных конвертерах с боковым дутьём медный штейн продувается сжатым воздухом для того, чтобы произошли процессы окисления сульфидов и феррума. Далее образовавшиеся окислы переводят в шлак, а серу в оксид. В конвертере образуется черновая медь, которая содержит 98,4-99,4% меди, железо, серу, а также незначительное количество никеля, олова, серебра и золота.

Черновая медь подлежит огневому, а далее электролитическому рафинированию. Примеси удаляют с газами и переводят в шлак. В результате огневого рафинирования образуется медь с чистотой до 99,5%. А после электролитического рафинирования чистота составляет 99,95%.

2. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании меди слабым раствором серной кислоты, а затем выделении металлической меди непосредственно из раствора. Такой способ применяется для переработки бедных руд и не допускает попутного извлечения драгоценных металлов вместе с медью.

Основные свойства меди

Соединения меди

Чаще всего в природе встречается медный купорос, сульфат меди. Дачники и огородники хорошо знают этот синий порошок. Его применяют для дезинфекции растений от насекомых.

Ацетат меди — фунгицид, компонент краски для керамики.

Парижская (швейнфуртская) зелень, ацетат-арсенид меди. До сих пор используют в окраске наружных частей морских судов (чтобы они не обрастали моллюсками и прочей морской живностью). Фунгицит, инсектицид.

Оксиды используют в окраске стекла и эмалей.

Нитраты применяют для патинирования медных изделий.

Со временем на них образуется естественная патина — зеленоватая оксидно-карбонатная пленка. Иногда патину наращивают искусственно, для состаривания, придания антикварного вида изделию.

1. Физические свойства.

На воздухе медь приобретает яркий желтовато-красный оттенок за счёт образования оксидной плёнки. Тонкие же пластинки при просвечивании зеленовато-голубого цвета. В чистом виде медь достаточно мягкая, тягучая и легко прокатывается и вытягивается. Примеси способны повысить её твёрдость.

Высокую электропроводность меди можно назвать главным свойством, определяющим её преимущественное использование. Также медь обладает очень высокой теплопроводностью. Такие примеси как железо, фосфор, олово, сурьма и мышьяк влияют на базовые свойства и уменьшают электропроводность и теплопроводность. По данным показателям медь уступает лишь серебру.

Медь обладает высокими значениями плотности, температуры плавления и температуры кипения. Важным свойством также является хорошая стойкость по отношению к коррозии. К примеру, при высокой влажности железо окисляется значительно быстрее.

Медь хорошо поддаётся обработке: прокатывается в медный лист и медный пруток, протягивается в медную проволоку с толщиной, доведённой до тысячных долей миллиметра. Этот металл является диамагнетиком, то есть намагничивается против направления внешнего магнитного поля.

2. Химические свойства.

Медь является сравнительно малоактивным металлом. В нормальных условиях на сухом воздухе её окисления не происходит. Она легко реагирует с галогенами, селеном и серой. Кислоты без окислительных свойств не оказывают воздействия на медь. С водородом, углеродом и азотом химических реакций нет. На влажном воздухе происходит окисление с образованием карбоната меди (II) – верхнего слоя платины.
Медь обладает амфотерностью, то есть в земной коре образует катионы и анионы. В зависимости от условий, соединения меди проявляют кислотные или основные свойства.

Стадии пирометаллургического производства меди

Общие способы получения метала из руды

Промышленное получение меди с использованием пирометаллургического способа имеет преимущества перед другими методами:

технология обеспечивает высокую производительность – с ее помощью можно получать метал из породы, в которой содержание меди даже ниже 0,5%;
позволяет эффективно перерабатывать вторичное сырье;
достигнута высокая степень механизации и автоматизации всех этапов;
при его использовании значительно сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу;
метод экономичный и эффективный.

Обогащение

Схема обогащения руды

На первом этапе производства необходимо подготовить руду, которую доставляют на обогатительные комбинаты прямо с карьера или шахты. Часто встречаются большие куски породы, которые предварительно нужно измельчить.

Происходит это в огромных дробильных агрегатах. После дробления получается однородная масса, с фракцией до 150 мм. Технология предварительного обогащения:

в большую емкость засыпается сырье и заливается водой;
затем добавляется кислород под давлением, чтобы образовалась пена;
частицы металла прилипают к пузырькам и поднимаются наверх, а пустая порода оседает на дне;
далее, медный концентрат отправляется на обжиг.

Обжиг

Этот этап направлен на то, чтобы максимально снизить содержание серы. Рудную массу помещают в печь, где устанавливается температура 700–800оС. В результате термического воздействия содержание серы сокращается в два раза. Сера окисляется и испаряется, а часть примесей (железа и других металлов) переходит в легкошлакуемое состояние, которое облегчит в дальнейшем плавку.

Обжиг руды для снижения уровня серы

Этот этап можно опустить, если порода богатая и содержит после обогащения 25–35% меди, его используют только для бедных руд.

Плавка на штейн

Технология плавки на штейн позволяет получить черновую медь, которая различается по маркам: от МЧ1 – самая чистая до МЧ6 (содержит до 96% чистого металла). В ходе процесса плавки, сырье погружается в специальную печь, в которой температура поднимается до 1450оС.

Технология переработки медной руды и получение черной меди

После расплавления массы она продувается сжатым кислородом в конвертерах. Они имеют горизонтальный вид, а дутье осуществляется через боковое отверстие. В результате продува сульфиды железа и серы окисляются и переводятся в шлак. Тепло в конвертере образуется за счет протекания раскаленной массы, он дополнительно не нагревается. Температура при этом составляет 1300оС.

Общая схема выплавки меди

На выходе из конвертера получают черновой состав, который содержит до 0,04% железа и 0,1% серы, а также до 0,5% прочих металлов:

олова;
сурьмы;
золота;
никеля;
серебра.

Такой черновой металл отливается в слитки массой до 1200 кг. Это так называемая анодная медь. Многие производители останавливаются на этом этапе, реализуют такие слитки. Но поскольку часто производство меди сопровождается добычей драгоценных металлов, которые содержатся в руде, то на обогатительных комбинатах используется технология рафинирования чернового сплава. При этом выделяются и сохраняются прочие металлы.

Рафинирование с использованием катодной меди

Технология получения рафинированной меди довольно простая. Ее принцип используют даже для чистки медных монет от окислов в домашних условиях. Схема производства выглядит следующим образом:

Слитки рафинированной меди

черновой слиток помещается в ванну с электролитом;
в качестве электролита используется раствор со следующим содержанием: сульфат меди – до 200 г/л;
серная кислота – 135–200 г/л;
коллоидные добавки (тиомочевина, столярный клей)– до 60 г/л;
вода.

температура электролита должна быть до 55оС;
помещаются в ванну пластины катодной меди – тонкие листы чистого металла;
подключается электричество. В это время происходит электрохимическое растворение металла. Частицы меди концентрируются на катодной пластине, а прочие включения оседают на дне и называются шлам.

Весь процесс электролиза протекает в течение 20–28 суток. За этот период вынимают катодную медь до 3–4 раз. Вес пластин получается до 150 кг.

Как это делается: добыча меди

В процессе рафинирования, на катодной меди могут образовываться дендриты – наросты, которые сокращают расстояние до анода. В результате чего снижается скорость и эффективность реакции. Поэтому, при возникновении дендритов, их незамедлительно удаляют.

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура меди

Кубическая сингония, гексаоктаэдрический вид симметрии m3m, кристаллическая структура — кубическая гранецентрированная решётка. Модель представляет собой куб из восьми атомов в углах и шести атомов , расположенных в центре граней (6 граней). Каждый атом данной кристаллической решетки имеет координационное число 12. Самородная медь встречается в виде пластинок, губчатых и сплошных масс, нитевидных и проволочных агрегатов, а также кристаллов, сложных двойников, скелетных кристаллов и дендритов. Поверхность часто покрыта плёнками «медной зелени» (малахит), «медной сини» (азурит), фосфатов меди и других продуктов её вторичного изменения.

Это интересно: Латунь ЛС59-1: характеристики и состав сплава, ГОСТ

Применение

В электротехнике

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях

) и силовых трансформаторов.

Теплообмен

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

Для производства труб

В связи с высокой механической прочностью, но одновременно пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

В России производство водопроводных труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005 , а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.

Наиболее распространённые сплавы — бронза и латунь

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, куда помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. В наше время находит применение в военном деле в кумулятивных боеприпасах благодаря высокой пластичности, большое количество латуни идёт на изготовление оружейных гильз. Медноникелевые сплавы используются для чеканки разменной монеты. Медноникелиевые сплавы, в том числе т. н. «адмиралтейский» сплав широко используются в судостроении и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за образцовой коррозионной устойчивости.

Ювелирные сплавы

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.

Соединения меди

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди YBa2Cu3O7-δ, который является основой для получения высокотемпературных сверхпроводников. Медь применяется для производства медно-окисных гальванических элементов, и батарей.

Другие сферы применения

Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена. Из-за этого трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Широко применяется медь в архитектуре. Кровли и фасады из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006 .

Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать ее применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Области и особенности применения

В древние времена металлическая медь использовалась для изготовления самых разных вещей. Умелое применение этого материала позволило древним людям обзавестись:

дорогой посудой;
украшениями;
инструментами, имеющими тонкое лезвие.

Сплавы меди

Говоря о применении меди, нельзя не упомянуть о ее значении в получении различных сплавов, в основу которых ложится именно этот металл. К таким сплавам относятся:

бронза;
латунь.

Две эти разновидности явяются основными видами медных сплавов. Первый бронзовый сплав был создан на Востоке еще за три тысячелетия до нашей эры. Бронза по праву может считаться одним из величайших достижений металлургов древности. По сути, бронза — это соединение меди с прочими элементами. В большинстве случаев в роли второго компонента выступает олово. Но вне зависимости от того, какие элементы входят в сплав, основным компонентом всегда является медь. Формула латуни содержит главным образом медь и цинк, но возможны и дополнения к ним в виде других химических элементов.

Помимо бронзы и латуни, этот химический элемент участвует в создании сплавов с другими металлами, среди которых алюминий, золото, никель, олово, серебро, титан, цинк. Медные сплавы с неметаллами, такими как кислород, сера и фосфор, используются гораздо реже.

Отрасли промышленности

Ценные свойства медных сплавов и чистого вещества способствовали их использованию в таких отраслях, как:

электротехника;
электромашиностроение;
приборостроение;
радиоэлектроника.

Но, разумеется, это еще не все области применения этого металла. Он является высокоэкологичным материалом. Именно поэтому он используется при строительстве домов. Например, кровельное покрытие, выполненное из металлической меди, благодаря своей высочайшей коррозийной устойчивости обладает сроком службы более сотни лет, не требуя при этом особого ухода и покраски.

Еще одна область использования этого металла — ювелирная отрасль. В основном он применяется в форме сплавов с золотом. Изделия из медно-золотого сплава характеризуются повышенной прочностью, высокой стойкостью. Такие изделия на протяжении долгого времени не деформируются и не истираются.

Соединения металлической меди выделяются высокой биологической активностью

В мире флоры этот металл имеет важное значение, так как он участвует в синтезе хлорофилла. Участие данного элемента в этом процессе позволяет обнаружить его в числе компонентов минеральных удобрений для растений

Роль в организме человека

Нехватка этого элемента в человеческом организме может оказать негативное влияние на состав крови, а именно ухудшить его. Восполнить дефицит этого вещества можно при помощи специально подобранного питания. Медь содержится во многих продуктах питания, поэтому составить полезный рацион по душе не составит труда. Для примера, одним из продуктов, в составе которых имеется этот элемент, является обычное молоко.

Но составляя насыщенное этим элементом меню, не следует забывать о том, что переизбыток его соединений может привести к отравлению организма

Поэтому, насыщая организм этим полезным веществом, очень важно не переусердствовать. И касается это не только количества потребляемых продуктов

К примеру, пищевое отравление может вызвать использование медной посуды. Приготовление пищи в такой посуде крайне не рекомендуется и даже воспрещается. Связано это с тем, что в процессе кипячения в пищу поступает значительное количество этого элемента, что может привести к отравлению.

В запрете на медную посуду есть одна оговорка. Использование такой посуды не представляет опасности в том случае, если ее внутренняя поверхность имеет оловянное покрытие. Только при выполнении этого условия использование медных кастрюлек не несет угрозы пищевого отравления.

Помимо всех перечисленных отраслей применения, распространение этого элемента не обошло стороной и медицину. В сфере лечения и поддержания здоровья он применяется в качестве вяжущего вещества и антисептика. Этот химический элемент входит в состав капель для глаз, которые используются при лечении такого заболевания, как конъюнктивит. Кроме того, медь является немаловажным компонентом различных растворов от ожогов.

Получение меди

В природе медь присутствует в виде сернистых соединений, оксидов, гидрокарбонатов, углекислых соединений, в составе сульфидных руд и самородной металлической меди. Наиболее распространенные руды — медный колчедан и медный блеск, содержащие 1-2 % меди. 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. Кроме этого, существуют технологии получения меди из лома. В частности, путем огневого рафинирования из лома получают рафинированную медь.По чистоте медь делится на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%). Химические свойства медиМедь — малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной). Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной). Основные физические свойства медиТемпература плавления °C1084Температура кипения °C2560Плотность, γ при 20°C, кг/м³8890Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж)385Температурный коэфициент линейного расширения, а•106 от 20 до 100°C, К-116,8Удельное электрическое сопротивление, р при 20°C, мкОм•м0,01724Теплопроводность λ при 20°C, Вт/(м•К)390Удельная электрическая проводимость, ω при 20°C, МОм/м58

Способы получения меди

1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование.
Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига. Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность. Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.

Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая медная руда с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.