Медь и его соединения реферат
Обновлено: 03.07.2024
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Министерство образования и науки РФ
1.Общая характеристика меди.
Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов 63 Cu (69,09% по массе) и 65 Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома меди 3s 2 p 6 d 10 4s 1 . Образует соединения в степенях окисления +2 (валентность II) и +1 (валентность I), очень редко проявляет степени окисления +3 и +4.
В периодической системе Менделеева медь расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ, к которой относятся такие благородные металлы, как серебро (Ag) и золото (Au).
Радиус нейтрального атома меди 0,128 нм, радиус иона Cu + от 0,060 нм (координационное число 2) до 0,091 нм (координационное число 6), иона Cu 2+ — от 0,071 нм (координационное число 2) до 0,087 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома меди 7,726; 20,291; 36,8; 58,9 и 82,7 эВ. Сродство к электрону 1,8 эВ. Работа выхода электрона 4,36 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность меди 1,9; медь принадлежит к числу переходных металлов. Стандартный электродный потенциал Cu/Cu 2+ 0,339 В. В ряду стандартных потенциалов медь расположена правее водорода (H) и ни из воды, ни из кислот водорода не вытесняет.
Простое вещество медь — красивый розовато-красный пластичный металл.
Название: латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого слова в русском языке нет.
2.Физические и химические свойства:
Кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, параметр решетки а = 0,36150 нм. Плотность 8,92 г/см 3 , температура плавления 1083,4°C, температура кипения 2567°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких теплопроводностей и одним из самых низких электрических сопротивлений (при 20°C удельное сопротивление 1,68·10–3 Ом·м).
При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид CuO.
Красновато-коричневый оксид меди (I) Cu2O при растворении в бромо- и иодоводородной кислотах образует, соответственно, бромид меди (I) CuBr и иодид меди (I) CuI. При взаимодействии Cu2O с разбавленной серной кислотой возникают медь и сульфат меди:
При нагревании на воздухе или в кислороде Cu2O окисляется до CuO, при нагревании в токе водорода - восстанавливается до свободного металла.
Черный оксид меди (II) CuO, как и Cu2O, c водой не реагирует. При взаимодействии CuO с кислотами образуются соли меди (II):
При сплавлении со щелочами CuO образуются купраты, например:
Нагревание Cu2O в инертной атмосфере приводит к реакции диспропорционирования:
Такие восстановители, как водород, метан, аммиак, оксид углерода (II) и другие восстанавливают CuO до свободной меди, например:
CuO + СО = Cu + СО2.
Кроме оксидов меди Cu2O и CuO, получен также темно-красный оксид меди (III) Cu2O3, обладающий сильными окислительными свойствами.
Медь реагирует с галогенами, например, при нагревании хлор реагирует с медью с образованием темно-коричневого дихлорида CuCl2. Существуют также дифторид меди CuF2 и дибромид меди CuBr2, но дииодида меди нет. И CuCl2, и CuBr2 хорошо растворимы в воде, при этом ионы меди гидратируются и образуют голубые растворы.
При реакции CuCl2 с порошком металлической меди образуется бесцветный нерастворимый в воде хлорид меди (I) CuCl. Эта соль легко растворяется в концентрированной соляной кислоте, причем образуются комплексные анионы [CuCl2] – , [CuCl3] 2– и [СuCl4] 3– , например за счет процесса:
При сплавлении меди с серой образуетcя нерастворимый в воде сульфид Cu2S. Сульфид меди (II) CuS выпадает в осадок, например, при пропускании сероводорода через раствор соли меди (II):
В присутствии окислителей, прежде всего кислорода, медь может реагировать с соляной кислотой и разбавленной серной кислотой, но водород при этом не выделяется:
С азотной кислотой различных концентраций медь реагирует довольно активно, при этом образуется нитрат меди (II) и выделяются различные оксиды азота. Например, с 30%-й азотной кислотой реакция меди протекает так:
С концентрированной серной кислотой медь реагирует при сильном нагревании:
Практическое значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):
Этот процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы меди Cu 2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)] 2+. При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.
Гидроксид меди Cu(OH)2 характеризуется преобладанием основных свойств. Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, например:
Но Сu(OH)2 реагирует и с концентрированными растворами щелочей, при этом образуются соответствующие купраты, например:
Если в медноаммиачный раствор, полученный растворением Сu(OH)2 или основного сульфата меди в аммиаке, поместить целлюлозу, то наблюдается растворение целлюлозы и образуется раствор медноаммиачного комплекса целлюлозы. Из этого раствора можно изготовить медноаммиачные волокна, которые находят применение при производстве бельевого трикотажа и различных тканей.
3.Нахождение в природе
В земной коре содержание меди составляет около 5·10–3% по массе. Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит, или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4 (52-65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu2O, (81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.
Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо (Fe), цинк (Zn), свинец (Pb), и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1 % по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10–8 % меди.
Одновременно сульфид меди (I) Cu2S окисляется:
Образовавшийся на этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S:
В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5-99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки. На заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.
Медь, как полагают, — первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.
С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.
Медь присутствует во всех организмах и принадлежит к числу микроэлементов, необходимых для их нормального развития (см. Биогенные элементы). В растениях и животных содержание меди варьируется от 10–15 до 10–3%. Мышечная ткань человека содержит 1·10–3% меди, костная ткань — (1-26)·10–4 %, в крови присутствует 1,01 мг/л меди. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 72 мг меди. Основная роль меди в тканях растений и животных - участие в ферментативном катализе. Медь служит активатором ряда реакций и входит в состав медьсодержащих ферментов, прежде всего оксидаз, катализирующих реакции биологического окисления. Медьсодержащий белок пластоцианин участвует в процессе фотосинтеза. Другой медьсодержащий белок, гемоцианин, выполняет роль гемоглобина у некоторых беспозвоночных. Так как медь токсична, в животном организме она находится в связанном состоянии. Значительная ее часть входит в состав образующегося в печени белка церулоплазмина, циркулирующего с током крови и деставляющего медь к местам синтеза других медьсодержащих белков. Церулопламин обладает также каталитической активностью и участвует в реакциях окисления. Медь необходима для осуществления различных функций организма — дыхания, кроветворения (стимулирует усвоение железа и синтез гемоглобина), обмена углеводов и минеральных веществ. Недостаток меди вызывает болезни как растений, так и животных и человека. С пищей человек ежедневно получает 0,5-6 мг меди.
Сульфат меди и другие соединения меди используют в сельском хозяйстве в качестве микроудобрений и для борьбы с различными вредителями растений. Однако при использовании соединений меди, при работах с ними нужно учитывать, что они ядовиты. Попадание солей меди в организм приводит к различным заболеваниям человека. ПДК для аэрозолей меди составляет 1 мг/м 3 , для питьевой воды содержание меди должно быть не выше 1,0 мг/л.
Считается, что латинское название меди Cuprum (Cu) произошло от названия острова Кипр, где римляне добывали медь из богатых медью рудников.
Никто не знает точно, где имеет свое начало история открытия меди. Археологические данные свидетельствуют, что медь была в употреблении еще 10.000 лет назад в Западной Азии. В доисторический период энеолита, медь использовали для производства украшений и орудий. Уже с 3-4-го тысячелетия до н.э., медь активно извлекают из рудников в районе города Уэльвы в Испании. Около 2500 г. До н.э., открытие полезных свойств медно-оловянных сплавов привело к бронзовому веку.
Археологи восстановили часть водной системы водопровода пирамиды Хеопса в Египте. Медные трубы, использованные в ней, были в исправном состояниине смотря на то что им более чем 5000 лет.
Было документально подтверждено, что в израильской долине Тимна добывали медь для фараонов. Запись на папирусе из Древнего Египта показывает, что медь была использована для лечения инфекций и стерилизации воды. Остров Кипр, как известно, поставлял много меди, необходимой для Финикии, Греции и Рима.
Хотя греки в эпоху Аристотеля были знакомы с латунью, однако до Римской империи Августа, медь не была активно использованной. В Южной Америке племена майя, ацтеков, инков и прочих древних цивилизаций использовали медь, а также золото и серебро. В средние века, использование меди и бронзы процветает в Китае, Индии и Японии.
Бронзовый век назван в честь бронзы, сплава меди и олова.
Открытия и изобретения в конце 18 и начале 19 веков сделанные Ампером, Фарадеем, Омом привели мир в новую медную эпоху. Демонстрация отличных электропроводящих и теплопроводящих свойств меди сыграла ключевую роль в начале промышленной революции.
История открытия меди считается историей развития человечества.
Медь и ее сплавы являются одной из основных групп коммерческих металлов. Они широко используются из-за их отличных электрической и тепловой проводимости, высокой стойкости к коррозии, и простоты изготовления, а также хорошей прочность и сопротивлению усталости. Они, как правило, немагнитные.
Электролиз широко применяют для очистки (рафинирования) меди. Для очистки меди из черновой меди отливают аноды – толстые пластины. Их подвешивают в ванну, содержащую раствор медного купороса. В качестве катодов используют тонкие листы чистой меди, на которые во время электролиза осаждается чистая медь. На аноде происходит растворение меди. Ионы меди передвигаются к катоду, принимают от катода электроны и переходят в атомы: Cu +2 +2e=>Cu. Чистая медь оседает на катоде.
Примеси, входящие в состав черновой меди ведут себя по-разному. Более электроотрицательные элементы – цинк, железо, кадмий и другие растворяются на аноде. Но на катоде эти металлы не выделяются, так как электрохимическом ряду напряжений они находятся левее меди и имеют более отрицательные потенциалы.
· Металлотермический метод получения .
3CuO+2Al=>Al2O3+3Cu
3Cu+2Fe=>Fe2O3+3Cu+Q
· Пирометаллургический способ получения меди.
Поскольку содержание меди не превышает 1.5-2%, их подвергают обогащению, т.е. отделяют соединения меди от пустой породы, применяя флотационный метод. Для этого руду размалывают до тончайшего порошка и смешивают его с водой, добавив в неё предварительно флоторагенты – сложные органические вещества. Они покрывают мельчайшие крупинки соединений меди и сообщают им несмачиваемость. В воду добавляют ещё вещества, создающие пену. Затем через взвесь пропускают сильный поток воздуха. Поскольку частички (крупинки соединений меди) водой не смачиваются, они прилипают к пузырькам воздуха и всплывают наверх. Всё это происходит во флотационных аппаратах. Пену, которая содержит крупинки соединений меди, собирают, отфильтровывают, отжимают от воды и высушивают. Так получают концентрат, из которого выделяется медь. В зависимости от состава руды существует несколько методов её переработки.
Сульфидную руду сначала обжигают при свободном токе воздуха для удаления части серы: 2CuS+3O2. Этот обжиг проводят в механических печах, похожих на устройства для обжига серного колчедана. В последнее время начали применять обжиг в кипящем слое. Продукты обжига затем переплавляют совместно с флюсами в отражательной печи. При этом протекает множество химических процессов, например
3Cu'>2CuO+4CuS=>3Cu 2S+SO2.
Пустая порода, часть сульфидов и окислов железа переходит в шлак, а на дне печи скапливается штейн – расплав сульфида меди Cu2S и сульфида железа FeS. Штейн сливают из печи и перерабатывают в конвекторе, который по устройству похож на конвектор для переработки стали. Частичное удаление серы происходит за счет продувки воздуха через расплавленный штейн:
2Cu2S+3O2 =>2Cu2O+2SO2.
Сульфид меди и закись меди дают металлическую черновую медь:
Cu 2S+2Cu2O=>SO2+6Cu
Она содержит около 95-98% меди. При последующей переплавке на поду отражательной печи содержание меди может быть повышено до 99,7%. Дальнейшая очистка меди проводится электролизом.
Более просто перерабатывают окисные руды меди, состоящие из закиси меди, окиси меди и карбонатов меди (Cu2O, CuO, CuCO3•Cu(OH)2). Эти руды обогащения прокаливают с коксом при высокой температуре:
Добыча и получение солей меди из природных месторождений.
Около 15% всех руд меди перерабатывается гидрометаллургическим методом – на измельченную руду действуют растворителем, который переводит медь в раствор. На руды, содержащие оксид меди, действуют разбавленной серной кислотой:
CuO+H 2SO4 =>CuSO4+H2O
По сравнению со многими другими оксидами, встречающимися в руде, оксид меди растворяется сравнительно хорошо. Выделение металлической меди из раствора проводят электролизом.
Если медь находится в руде в виде сульфида, то ее в раствор можно перевести, обрабатывая ее руду раствором сульфата железа:
CuSO4+2Fe2SO4 =>4FeSO4+2CuSO+S
· Гидрометаллургическом способе получения
Этот способ используют бедные медные руды, которые подвергают выщелачиванию. Для выщелачивания руду желательно мелко раздробить. Процесс ведется в кучах, а также в деревянных и бетонных чанах. Выщелачивания ведется при помощи растворителей H2S04, Fe (SO4)3, NH4OH и др.
Легче всего растворяются окисленные медные руды:
CuO + H2SO4 =>CuSO4 + H2O
СuСО3 * Сu(ОН)2 + 2 Н 2SO4 =>2СuSO4 + 3 Н2О +СO2.
Сернистые соединения меди выщелачиваются сернокислым железом:
Cu2S + 2 Fe2 (SО4)3 =>2 СuSO4 + 4 FeSO4 + S.
При выщелачивании медных руд достигается почти полное извлечение меди, что дает возможность перерабатывать даже к бедные окисленные руды. Полученные растворы солей меди при выщелачивании подвергают дальнейшей обработке с целью извлечения меди. Из бедных цттиоров медь добывают методом цементации. В раствор опускают обрезки железа (листы, проволоку). Железо замещает медь в сернокислых солях и медь выделяется в виде металлического мелкого порошка:
CuSО4 + Fe =>FeSО4 + Cu.
По международному стандарту по отожженной меди ( International Annealed Copper Standard – IACS ) плотность меди принята равной 8890 кг/м 3 при температуре 20°С. Однако в зависимости от вида обработки и химического состава плотность меди может иметь небольшие отличия. Например, литая медь имеет плотность 8920 кг/м 3 . При холодной деформации отожженной меди уменьшается ее плотность.
При нагреве плотность меди заметно уменьшается, что видно на примере марки M 1:
t ,°С 20 600 700 800 900 1000
γ, кг/м 3 8890 8680 8610 8550 8470 8400
Электрические свойства.
Высокая электропроводность меди является основным свойством, обусловливающим ее широкое применение. Электропроводность меди в твердом состоянии зависит в первую очередь от чистоты металла. Примеси и легирующие элементы уменьшают электропроводность меди и повышают ее удельное электросопротивление.
Тепловые свойства.
Удельная теплоемкость с меди заметно увеличивается с повышением температуры. В жидком состоянии в интервале температур перегрева при литье слитков удельная теплоемкость меди практически не зависит от температуры и может быть принята равной 545 Дж/(кгК).
в чистом виде плотность металла составляет 8.93 г/см 3 ;
хорошая электропроводность с показателем 55,5S, при температуре около 20⁰;
теплопередача 390 Дж/кг;
кипение происходит на отметке 2600°, после чего начинает выделение углерода;
удельное электрическое сопротивление в среднем температурном диапазоне – 1.78×10 Ом/м.
Степень окисления меди в соединениях
Медь может существовать в виде простого вещества – металла, а степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.
В своих соединениях медь может проявлять степени окисления:
(+1) (Cu +1 2O, Cu +1 OH, K[Cu +1 (CN)2] Cu +1 Cl и т.д.)
Читайте также: