Медь

Медь — это химический элемент 11-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы первой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (от лат. Cuprum). Простое вещество медь — это пластичный, ковкий, тягучий переходный металл красновато-розового цвета (в изломе розовый, в тонких слоях просвечивает зелёно-голубым). Один из семи металлов, известных человечеству с глубокой древности. Обладает высокой тепло- и электропроводностью, уступая в этом отношении только серебру. Широко применяется в электротехнике, машиностроении, строительстве и для производства сплавов.

История

Медь является одним из первых металлов, освоенных человеком. Находки медных изделий датируются IX—VIII тысячелетиями до н. э. (территория современной Турции, Иран). Первоначально использовалась самородная медь, которую обрабатывали холодной ковкой. Позднее, около IV тысячелетия до н. э., была освоена выплавка меди из руд, что положило начало эпохе металлов — энеолиту (медно-каменному веку).

В древности крупнейшими центрами добычи и обработки меди были Кипр (от названия острова, по одной из версий, происходит латинское Cuprum), Синайский полуостров, территория современного Кавказа и Урала. Из меди изготавливали орудия труда, оружие, украшения, посуду и монеты. В Древнем Египте медные трубы использовались для водопровода. В Древнем Риме медь активно применялась в строительстве (кровельные покрытия, водопроводные системы) и чеканке монет (например, римский асс).

В Средние века и Новое время медь оставалась стратегически важным материалом. Из неё отливали пушки (бронза — сплав меди с оловом), колокола, изготавливали предметы быта. С развитием электротехники в XIX веке спрос на медь резко возрос из-за её высокой электропроводности. В XX веке медь стала основным материалом для электрических проводов, кабелей и обмоток генераторов.

Происхождение и нахождение в природе

Геохимия

Медь относится к халькофильным элементам, то есть имеет сродство к сере. В земной коре её содержание составляет около 4,7·10⁻³ % по массе (кларк). В природе встречается в виде самородной меди, сульфидов, оксидов, карбонатов и других соединений.

Минералы и руды

Основные рудные минералы меди:

• Халькопирит (медный колчедан, CuFeS₂) — наиболее распространённый минерал, содержащий около 34,5 % меди.
• Борнит (Cu₅FeS₄) — содержит до 63 % меди.
• Халькозин (медный блеск, Cu₂S) — содержит до 79,8 % меди.
• Ковеллин (CuS) — содержит 66,5 % меди.
• Куприт (Cu₂O) — оксид меди, содержит 88,8 % меди.
• Малахит (Cu₂(CO₃)(OH)₂) — карбонат меди, используется как поделочный камень.
• Азурит (Cu₃(CO₃)₂(OH)₂) — карбонат меди, также используется как поделочный камень.

Месторождения

Крупнейшие месторождения меди находятся в Чили (Эскондида, Чукикамата), Перу (Серро-Верде), США (Моренси, Бингем-Каньон), Демократической Республике Конго, Замбии, России (Норильский промышленный район, Удоканское месторождение в Забайкалье, месторождения Урала), Казахстане (Жезказган), Австралии, Китае и Индонезии.

Физические свойства

Медь — это тяжёлый металл (плотность 8,96 г/см³ при 20 °C) с температурой плавления 1083,4 °C и температурой кипения 2567 °C. Обладает высокой тепло- и электропроводностью (уступает только серебру). Удельное электрическое сопротивление меди при 20 °C составляет 0,0167 Ом·мм²/м. Металл обладает высокой пластичностью, легко куётся, прокатывается в листы и вытягивается в проволоку. Твёрдость по шкале Мооса — 3. Цвет меди — красновато-розовый, на воздухе покрывается оксидной плёнкой, приобретая тёмно-красный оттенок. В тонких слоях медь просвечивает зелёно-голубым цветом.

Химические свойства

Медь — малоактивный металл, стоит в ряду напряжений после водорода. На воздухе при обычных условиях покрывается тонкой плёнкой оксида меди(I) (Cu₂O), которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. При нагревании на воздухе или в кислороде образует оксид меди(II) (CuO) чёрного цвета. При нагревании до 1000 °C в недостатке кислорода образуется оксид меди(I) (Cu₂O) красного цвета.

Медь не реагирует с водой, разбавленными соляной и серной кислотами (без доступа воздуха). Реагирует с концентрированной серной кислотой при нагревании, с азотной кислотой (разбавленной и концентрированной), с концентрированной соляной кислотой при нагревании и в присутствии кислорода. Медь растворяется в водном растворе аммиака в присутствии кислорода, образуя комплексные соединения — аммиакаты меди(II) (например, [Cu(NH₃)₄](OH)₂), которые окрашивают раствор в ярко-синий цвет.

Медь образует два ряда соединений: соединения меди(I) (Cu⁺) и меди(II) (Cu²⁺). Соединения меди(II) более устойчивы и распространены. Соединения меди(I) обычно неустойчивы и легко окисляются до соединений меди(II). Медь также образует соединения с серой, галогенами, фосфором и другими элементами.

Получение

Гидрометаллургический способ

Применяется для бедных руд. Руду обрабатывают разбавленной серной кислотой или растворами аммиака, переводя медь в раствор. Затем из раствора медь извлекают цементацией (восстановлением железом) или электролизом.

Пирометаллургический способ

Основной способ получения меди. Включает несколько стадий:

1. Обогащение руды (флотация) — получение концентрата с содержанием меди 10–35 %.
2. Обжиг концентрата — удаление серы в виде SO₂.
3. Плавка на штейн — получение сплава сульфидов меди и железа (штейн), содержащего 20–50 % меди.
4. Конвертирование — продувка жидкого штейна воздухом в конвертере для окисления сульфида железа и получения черновой меди (содержание меди 98–99 %).
5. Огневое рафинирование — очистка черновой меди от примесей в отражательных или вращающихся печах. Получение анодной меди (99,5–99,9 % Cu).
6. Электролитическое рафинирование — окончательная очистка меди в электролитических ваннах. Получение катодной меди (99,99 % Cu и выше).

Применение

Электротехника

Основное применение меди (около 50 % мирового потребления) — в электротехнике. Из неё изготавливают:

• Силовые и сигнальные кабели, провода, шины.
• Обмотки электродвигателей, генераторов, трансформаторов.
• Контакты, разъёмы, печатные платы.

Машиностроение и строительство

• Трубы для водоснабжения, отопления, газоснабжения, кондиционирования.
• Кровельные материалы (листы, черепица).
• Декоративные элементы (фасады, интерьеры).
• Детали теплообменников, радиаторов, холодильников.

Сплавы

Медь является основой для многих сплавов:

• Латунь (сплав с цинком) — применяется в машиностроении, приборостроении, для изготовления сантехники, музыкальных инструментов.
• Бронза (сплав с оловом, алюминием, кремнием, бериллием и др.) — используется для изготовления подшипников, пружин, монет, скульптур, колоколов.
• Мельхиор (сплав с никелем) — применяется для изготовления посуды, столовых приборов, монет.
• Нейзильбер (сплав с никелем и цинком) — используется для изготовления украшений, столовых приборов, медицинских инструментов.

Монетное дело

Медь и её сплавы (латунь, бронза, мельхиор) широко используются для чеканки монет. В России разменные монеты достоинством 1, 5, 10 и 50 копеек изготавливаются из стали с гальваническим покрытием медью, а монеты в 10 и 50 копеек образца 1997 года — из латуни. Монеты номиналом 10 и 5 рублей — из стали с латунным покрытием.

Другие области

• Производство химической аппаратуры (реакторы, теплообменники).
• Изготовление художественных изделий (скульптуры, чеканка, ювелирные украшения).
• Сельское хозяйство (медный купорос — фунгицид).
• Медицина (медь обладает бактерицидными свойствами, используется в некоторых медицинских приборах и имплантах).

Биологическая роль

Медь является жизненно важным микроэлементом для всех живых организмов. Она входит в состав многих ферментов (цитохромоксидаза, супероксиддисмутаза, тирозиназа и др.), участвующих в процессах дыхания, кроветворения, пигментации, синтеза коллагена и эластина. Суточная потребность человека в меди составляет 1–3 мг. Недостаток меди приводит к анемии, нарушениям пигментации, поражению костной ткани. Избыток меди токсичен, вызывает отравление (болезнь Вильсона-Коновалова — нарушение метаболизма меди).

Интересные факты

• Самый большой самородок меди был найден в США (штат Мичиган) в 1857 году. Его масса составляла около 420 тонн.
• Медь является одним из немногих металлов, которые имеют характерный цвет (красновато-розовый). Большинство металлов имеют серый или серебристый цвет.
• Статуя Свободы в Нью-Йорке покрыта медными листами толщиной около 2,4 мм. За время существования статуи медь окислилась и приобрела характерный зелёный цвет (патина).
• Медь обладает бактерицидными свойствами. На медных поверхностях бактерии погибают быстрее, чем на других материалах. Это свойство используется в больницах для снижения риска внутрибольничных инфекций.
• Медь — один из немногих металлов, которые могут образовывать сплавы с золотом и серебром.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 671.
2. Популярная библиотека химических элементов. Книга 1. Водород — палладий / Отв. ред. Петрянов-Соколов И. В. — М.: Наука, 1983. — С. 575.
3. Свойства элементов: Справочник / Под ред. Дрица М. Е. — М.: Металлургия, 1985. — С. 672.
4. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 2. — С. 670.