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 окисления

Координационное

число

Геометрия

Примеры 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