Медь и её сплавы

Содержание Введение История меди. Распространение меди в природе. Месторождения. Физические и химические свойства меди. Физические свойства
Цвет меди и её соединений. Электропроводимость. Характеристики основных физико-механических свойств меди Химические свойства Отношение к кислороду. Взаимодействие с водой. Взаимодействие с кислотами. Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам. Оксид меди. Гидроксиды меди. Сульфаты. Карбонаты. Комплексообразование. Качественные реакции на ионы меди. Сплавы Латуни Бронзы Медноникелевые сплавы Медь и живые организмы, применение меди Заключение Список литературных источников
















Введение Тема, конечно, звучит несколько обыденно. Ну, медь, ну металл. Ну что нового, кроме кучки сухих цифр может предоставить такая работа для изучения? Это не о культуре разглагольствовать, не о высоких материях вспоминать – тут нужна чёткость, сухость… Примерно такие мысли возникали у меня в голове, когда реферат только начинал создаваться. Но, как это часто случается в нашем нелепом мире, всё повернулось совсем по-другому. У металла, название которого мы слышим каждый день, к которому давно привыкли и не обращаем на него никакого внимания, оказалась богатая история, а где эта история берёт своё начало – про то не ведает ни один человек на нашей планете. В принципе, мы, обладая достаточно развитой фантазией, можем представить себе всё, что происходило в далёком прошлом. Мы мысленно можем увидеть, как совершенно дикий человек, закутанный, быть может, в звериные шкуры идёт по горам, сжимая в кулаке каменный топор. Как человек натыкается на странный для него камень красноватого оттенка и начинает стучать по нему своим топором. Мы можем увидеть, как из обрабатываемого куска меди постепенно появляется копия топора каменного, который затем будет выброшен за ненадобностью. Так медный век подошёл к колыбели человечества, так прогресс набирал свою скорость. Медь, использовавшаяся на заре человечества и сопровождавшая его на протяжении тысячелетий, используется и по сей день. В современном мире, она занимает видное место, равно как и её сплавы, речь о которых ещё зайдёт позже. В моём реферате была предпринята попытка предоставить исчерпывающие сведения по данной теме. Надеюсь, мне это удалось.
История меди Первое знакомство человека с медью произошло, очевидно, в доисторические времена. В природе медь иногда встречается в самородном состоянии в виде отдельных кристаллов, кусочков и крупных кусков. Самый крупный из когда-либо найденных самородков меди весил 420 т. Интересно отметить, что у некоторых крупных самородков меди, найденных еще в древности, иногда выступающие части обрублены . каменными топорами. Нетрудно представить, сколько усилий потратили первобытные люди для этой операции. Как известно, вначале человек освоил камень. Из камня он научился делать свои первые орудия и в том числе каменный топор. С помощью каменного топора впоследствии, возможно, был изготовлен . медный топор. Таким образом, медь стала одним из первых металлов, который человек начал применять в своей сознательной деятельности. Медь хорошо была известна в доисторические времена людям, населявшим районы Северной Америки. Там, на побережье Гудзонова залива и берегах Верхнего Озера, находили большие самородки меди и обрабатывали ее холодным способом. Этот способ обработки самородной меди сохранился у индейцев до времен Колумба. Но самородки меди встречаются редко, и уже за несколько тысяч лет до нашей эры человек нашел способ получения меди из медных руд. У египтян, например, медь была известна очень давно и уже при первых фараонах(4000- 5000 лет до н. э.) добыча меди производилась в рудниках Синайского полуострова. С глубокой древности известны медные руды на острове Кипр в Средиземном море. Ученые полагают, что научное название меди "купрум" происходит от наименования острова Кипр, где были медные рудники древних римлян. Русское слово "медь", по мнению некоторых исследователей, произошло от слова "смида", которое у некоторых древних племен, населявших европейскую часть бывшей территории СССР, обозначал вообще металл. Опыт применения этого металла показывал людям древности малую твердость меди, что заставляло задумываться над способами улучшения ее качества. Случайное образование сплава меди с оловом при обработке некоторых руд, содержащих медь и олово вместе, не прошло мимо внимания первобытных "металлургов". Преимущества полученного таким образом сплава послужили толчком к искусственному его воспроизводству. Это открытие, по-видимому, было сделано в Месопотамии (Ирак), откуда впоследствии распространилось по странам Ближнего и Дальнего Востока. Название сплава меди с оловом - бронза - имеет значительно более позднее происхождение и связано с названием небольшого итальянского торгового городка Бриндизи на берегу Адриатического моря. Среди предметов торговли были и изделия из бронзы от латинского "Эс брундуси", т. е. медь из Бриндизи. Бронза тверже меди, более легкоплавка, устойчива на воздухе, легко полируется, хорошо отливается в формы. Медный век длился около тысячи лет – вдвое меньше, чем бронзовый. Характерно, что в Греции культура меди зародилась позже, чем в Египте, а бронзовый век наступил раньше. Руда, из которой выплавляли медь египтяне, не содержала олова. Грекам в этом отношении повезло больше. Они добывали «оловянный камень» иногда там же, где и медную руду. Открытие бронзы произошло, по-видимому, случайно, однако большие твердость и плотность, а также относительная легкоплавкость (добавка 15%Sn снижает температуру плавления меди с 1083 до 960°C) позволили бронзе быстро вытеснить медь из многих производственных сфер. В практическую деятельность человека вошла бронза, положив начало бронзовому веку. Изделия из бронзы отливались у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше пятого века до нашей эры. Некоторые из этих произведений искусства достигали гигантских размеров. Таким, например, был разрушенный землетрясением в 227 г. до нашей эры Колосс Родосский- достопримечательность древнего порта Родоса, находившегося на одноименном самом восточном острове Эгейского моря. Созданный Харесом около 290 г. до н. э. в честь бога солнца Гелиоса, 32-метровый Колосс Родосский стоял над входом во внутреннюю гавань порта. Самые крупные суда свободно проходили под ним с развернутыми парусами.
Высокого мастерства в получении литья из бронзы достигли японцы. Достаточно указать на гигантскую статую Будды в храме Тодайдзи весом более четырехсот тонн, отлитую в 749 г., чтобы судить, на каких высотах мастерства находились японские литейщики. Дошедшие до наших дней статуи (Марк Аврелий, Дискобол, Спящий сатир, Никея и. др.) свидетельствуют о большом распространении и значении бронзы в искусстве древнего мира.
Медь широко использовалась для разнообразных нужд. По свидетельству историков древности, в Александрии изготовляли фальшивые "золотые" монеты. За 330 лет до нашей эры Аристотель писал: "В Индии добывают медь, которая отличается от золота только своим вкусом". Аристотель, конечно, ошибался, но следует, однако, отдать должное его наблюдательности. Вода из золотого сосуда, действительно, не имеет вкуса. Некоторые медные сплавы по внешнему виду трудно отличимы от золота, например томпак. Однако жидкость в сосуде из такого сплава имеет металлический привкус. О таких подделках медных сплавов под золото, очевидно, и говорит Аристотель в своих произведениях. Не только сама медь, или медные сплавы, были известны древним. Химические анализы древних фресок, произведенные английским химиком Г. Дэви, доказывают наличие в них уксуснокислой меди в виде ярко-зеленой краски, известной с давних времен под названием ярь-медянки. Эта краска найдена в живописи терм (бань) римского императора Тита и в стенных фресках Помпеи. В списках товаров, вывозившихся из древней Александрии, значится "медная зелень", представлявшая, между прочим, предмет роскоши. С помощью этой краски древние модницы подводили зеленые круги под глазами - тогда такой "грим" считали красивым. В старину медными листами покрывались купола многих московских храмов. Одно из величайших сооружений мировой архитектуры XVI в.- колокольня Ивана Великого, находящаяся в центре Московского Кремля, увенчана луковичной формы главой, покрытой позолоченными листами из чистой меди. Расположенная под главой трехстрочная надпись славянской вязью также выполнена на медных листах по синему фону медными позолоченными буквами. Медными листами покрыта и южная дверь Успенского собора - главного храма древней Руси. После того как во второй половине XVI в. француз Христофор Планети - крупнейший издатель и владелец типографии в Антверпене и Лейдене - ввел для воспроизведения иллюстраций гравюру на меди, этот металл стал в больших количествах расходоваться в книгопечатании. Медь - металл многочисленных сплавов. Вот, например, состав некоторых бронз: 90% меди и 10% олова - пушечный металл, еще сравнительно недавно он применялся для отливки артиллерийских орудий; сплав, содержавший 77-80% меди, 20-23% олова и 1-4% свинца под названием колокольного металла, употреблялся для отливки колоколов. Из колокольного металла состоит один "часовой" и 10 "четвертных" колоколов, звон которых ежедневно передается со Спасской башни Московского Кремля. Вес "четвертных" колоколов ее колеблется от 300 до 350 кг, "часовой" колокол весит 2160 кг. Колокола отлиты в XVII-XVIII вв., все они украшены художественным орнаментом, некоторые имеют надписи. Одна из них гласит: "Сей колокол для битья четвертей Спасской башни вылит в 1769 г., майя 27 дня. Весу 21 пуд. Лил мастер Семен Можжухин". Из художественной бронзы состоит и находящийся в юго-западном углу Успенского собора в Московском Кремле чудесный образец мастерства русских умельцев - изящный шатер ажурного литья, выполненный в 1625 г. котельных дел мастером Димитрием Сверчковым. В шатре - гробница патриарха Гермогена, замученного в 1612 г. польско-шляхетскими интервентами.

Распространение меди в природе. Месторождения Металлы подгруппы меди обладают небольшой химической активностью, поэтому они находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном виде, особенно золото. Медь в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде сернистых соединений – халькопирита (или ) и халькозина . Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы, например: . При температуре ниже 10000C происходило образование окиси меди, которая в небольших количествах встречается в природе: . Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами: . Подобные процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах. Такие природные “металлургические заводы” выплавляют громадные количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов. Некоторые другие минералы меди получились из окисных руд. Например, под действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и образование основных карбонатов: . В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В “лаборатории” природы сроки в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности камня. Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III): . Растворы сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе и в настоящее время. Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же – медный колчедан) CuFeS2, халькозин (медный блеск) Cu2S, ковеллин CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu5FeS4. Иногда встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10-3 % по массе (1015 - 1016 тонн).
Соединения элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно, что объясняется различием в геологических условиях, сложившихся в различных местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго (Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.
Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”, где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская газета “Ведомости”, которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: “Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству”. В начале этого столетия главнейшими месторождениями, которые разрабатывались, были: в районе Северного Урала – Богословский завод, в районе Нижнего Тагила – Выйский завод, а на Кавказе – Калакентский и Кедабекский заводы. В наше время известны месторождения меди на восточном склоне Урала, Средней Азии, Закавказье и т.д. Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов, которое покрыто так называемыми конкрециями – скоплениями в виде камней округлой неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам ученых запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн.
Физические и химические свойства меди Физические свойства Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах. Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием “зазоров” между ион-атомами. Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.
Цвет меди и её соединений Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском. При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl – белый, Cu2O – красный, CuCl + H2O – голубой, CuO – черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.
Электропроводимость Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено её применение в электронике. Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.

Характеристики основных физико-механических свойств меди
Плотность r , кг/м3
8890
Температура плавления Тпл, ° С
1083
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г
208
Теплопроводность l , Вт/ (м × град), при 20–100 ° С
390
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г × К),
при 20–100 ° С
0,375
Коэффициент линейного расширения
a × 10–6, град–1, при 0–100 ° С
16,8
Удельное электросопротивление r × 108, Ом × м, при 20–100 ° С
1,724
Температурный коэффициент электросопротивления, град–1, при 20–100 ° С
4,3× 10–3
Предел прочности s в, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
190-215
твердой меди (в нагартованном состоянии)
280-360
Относительное удлинение d , %
мягкой меди (в отожженном состоянии)
60
твердой меди (в нагартованном состоянии)
6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
45
твердой меди (в нагартованном состоянии)
110
Предел текучести s t , МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
60-75
твердой меди (в нагартованном состоянии)
280-340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2
630-470
Модуль сдвига G × 10–3, МПа
42-46
Модуль упругости Е × 10–3, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
117-126
твердой меди (в нагартованном состоянии)
122-135
Температура рекристаллизации, ° С
180-300
Температура горячей деформации, ° С
1050-750
Температура литья, ° С
1150-1250
Линейная усадка, %
2,1 Химические свойства
Строение атома.

Рисунок 2. Схема строения атома меди. 29Cu 1s1 2s2 sp6 3s2 3p6 3d10 4s1 Eионизации 1 = 7.72 эВ Eионизации 2 = 20.29 эВ
Eионизации 3 = 36.83 эВ
Отношение к кислороду Медь проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном воздухе постепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета, состоящей из основных карбонатов меди: В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется тончайший слой оксида меди: Внешне медь при этом не меняется, так как оксид меди (I) как и сама медь, розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет, т.е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например при 600-800 0C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I), которая с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется двухслойное окисное покрытие. Qобразования (Cu2O) = 84935 кДж.

Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди.
Взаимодействие с водой Металлы подгруппы меди стоят в конце электрохимического ряда напряжений, после иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В то же время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди из растворов их солей, например: . Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход электронов: Молекулярный водород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом. Объясняется это тем, что связь между атомами водорода прочная и на ее разрыв затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами водорода.
Медь при отсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната:
Взаимодействие с кислотами Находясь в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей: .
Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам Qобразования (CuCl) = 134300 кДж Qобразования (CuCl2) = 111700 кДж
Медь хорошо реагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX2 При действии галогенов при комнатной температуре видимых изменений не происходит, но на поверхности вначале образуется слой адсорбированных молекул, а затем и тончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с медью происходит очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим ее в горячем виде в банку с хлором – около меди появятся бурые пары, состоящие из хлорида меди (II) CuCl2 с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты. Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической меди с раствором галогенида двухвалентной меди, например: . Монохлорид выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.
Оксид меди При прокаливании меди на воздухе она покрывается черным налетом, состоящим из оксида меди . Его также легко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)2CO3 или нитрата меди (II) Cu(NO3)2. При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород – в воду восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода. Под слоем меди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu2O. Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных количеств меди и окиси меди, взятых в виде порошков: . Закись меди используют при устройстве выпрямителей переменного тока, называемых купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до 1020-1050 0C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из закиси меди и окиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое время в азотной кислоте: . Пластинку промывают, высушивают и прокаливают при невысокой температуре – и выпрямитель готов. Электроны могут проходить только от меди через закись меди. В обратном направлении электроны проходить не могут. Это объясняется тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое закиси меди, который примыкает непосредственно к меди, имеется избыток электронов, и электрический ток проходит за счет электронов, т.е. существует электронная проводимость. В наружном слое закиси меди наблюдается нехватка электронов, что равноценно появлению положительных зарядов. Поэтому, когда к меди подводят положительный плюс источника тока, а к закиси меди – отрицательный, то электроны через систему не проходят. Электроны при таком положении полюсов движутся к положительному электроду, а положительные заряды – к отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайший слой, лишенный носителей электрического тока, - запирающий слой. Когда же медь подключена к отрицательному полюсу, а закись меди к положительному, то движение электронов и положительных зарядов изменяется на обратное, и через систему проходит электрический ток. Так работает купроксный выпрямитель. [6, с.63]
Гидроксиды меди Гидроксид меди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при действии щелочи на раствор соли: . Это ионная реакция и протекает она потому, что образуется плохо диссоциированное соединение, выпадающее в осадок: Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид меди (I) белого цвета: . Это нестойкое соединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II): .
Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди (II) хорошо растворим не только в кислотах, но и в концентрированных растворах щелочей: , .
Таким образом, гидроксид меди (II) может диссоциировать и как основание: и как кислота. Этот тип диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных групп воды:
Сульфаты Наибольшее практическое значение имеет CuSO4*5H2O, называемый медным купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной серной кислоте. Поскольку медь относится к малоактивным металлам и расположена в ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется: . Медный купорос применяют при электролитическом получении меди, в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, для получения других соединений меди.
Карбонаты Карбонаты для металлов подгруппы меди не характерны и в практике почти не применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной карбонат меди, который встречается в природе.
Комплексообразование Характерное свойство двухзарядных ионов меди – их способность соединятся с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.
Качественные реакции на ионы меди Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появление интенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием комплексного иона меди [Cu(NH3)4]2+: Медь интенсивно окрашивает пламя в зеленый цвет.
Пример качественного анализа сплава меди Исследуемый объект Реагент, действие Осадок Раствор Наблюдение Выводы Часть сплава Нагревание с конц. HNO3 Раствор 1 сразу приобрёл зелёную окраску, которая перешла в голубую после охлаждения Раствор 1 25% NH3, Добавление 1-2 капли Раствор стал синим Это медный сплав Часть сплава HNO3, Сначала растворяют часть стружек в 10 каплях 6М HNO3, а затем добавляют 20-25 капель конц. HNO3, нагревают до полного растворения сплава Раствор 2 может содержать Cu, Zn, Ni, Cd, Fe, Mn, Al, Pb, Sn, Sb Осадок не выпал Раствор 2, Ni2+ Диметил-глиоксим Раствор позеленел Ni нет Fe3+ NH4CNS Кристаллы окрасились в красный цвет, потом раствор позеленел и выпал чёрный осадок Есть Fe3+ Cd2+ Дифенил-карбазид Раствор стал красным Есть Cd Zn2+ Дитизон Фаза дитизона окрасилась в малиновый цвет Есть Zn Mn NaBiO3 Ничего не произошло Mn нет Al3+ Ализарин Раствор стал жёлто-коричневым Al нет Окси-хинолин Выпал зелёно-жёлтый осадок Al нет Раствор 2 HCl, H2SO4, добавление Раствор 3 возможно содержит Sb, Sn Осадок не выпал Pb возможно нет Раствор 3 H2O2 и NaOH Осадок 1 может содержать Sb Раствор 4 может содержать Sn Выпал зелёно-серый осадок (образовался ос.2 и р-р 2) Осадок 1 HNO3 Раствор 5 Осадок растворился Sb нет Раствор 5 NH3, NH4Cl, H2O2 Осадок не выпал Раствор 4 NH4Cl Осадок не выпал Sn нет Раствор 2 I- Выпал жёлтый осадок, который приобрёл красный оттенок Есть Pb2+ Проведённый качественный анализ даёт основания считать, что в сплаве содержится медь, цинк, кадмий, железо, свинец. Таким образом этот сплав является латунью. Сплавы Латуни Латуни — это двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни — наиболее дешевые медные сплавы.
Двойные (простые) латуни относятся к системе Cu—Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образует кроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b , g и т. д. Фаза b — это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм—Розери) с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b -фаза переходит в упорядоченное состояние (b ® b ¢ ), причем b ¢ -фаза в отличие от b -фазы является более твердой и хрупкой. Фаза g — твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu5Zn8 отличается очень высокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключается. Механические свойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочности достигается в двухфазной области (a + b ) при содержании цинка около 45 %. При большем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ¢ -фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a - и (a + b )-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни. Все латуни, содержащие более 20 % Zn, склонны к коррозионному растрескиванию. Это растрескивание проявляется при хранении и эксплуатации изделий, в которых имеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной атмосфере с небольшим количеством аммиака или сернистого газа. Установлена определенная связь между данным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезонным растрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни является обесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка (Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаются обесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшое количество мышьяка (0,02–0,06 %). В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначают основные компоненты сплава, числа — их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы «Л». В двойных (простых) латунях число после буквы «Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латуней после буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующие обозначения: О — олово; А — алюминий; Н — никель; К — кремний; Ж — железо и т. д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди, последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu, 2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначается буквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu — основа. Бронзы Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы. По химическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и в каждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся на обрабатываемые давлением и литейные. В марке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017–74) и безоловянных бронз (18175–78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов (например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613–79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493–79) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например, БрА9Ж3Л). Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов. Для бронз, в которых легирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характерно твердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путем пластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе, упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которой упрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах. Медноникелевые сплавы Никель — металл серебристо-белого цвета, кристаллизующийся в решетку ГЦК с параметром а = 0,352 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не имеет. При температуре ниже 358 ° С (точка Кюри) никель является слабым ферромагнетиком. Никель — прочный, высокопластичный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, повышенной температурой плавления и высокой каталитической способностью. Это обусловило его широкое применение в металлургии, машиностроении, электронике, медицине и других отраслях техники. Сплавы меди с никелем отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, технологичностью и особыми электрическими свойствами, что обусловливает широкое применение их в технике. Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы. Никель существенно упроч-няет медь, причем максимальную прочность и твердость имеют сплавы примерно эквиатомного состава. Важно отметить, что при этом характеристики пластичности и ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристики жаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивления меди. По назначению медноникелевые сплавы делятся на две группы: конструкционные и электротехнические. К первой группе относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль, ко второй — константан, манганин и копель, обладающие высоким электрическим сопротивлением и определенными термоэлектрическими свойствами.
Медь и живые организмы, применение меди
Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов и ферментов. При отсутствии или недостатке меди в растительных тканях уменьшается содержание хлорофилла, листья желтеют, растение перестает плодоносить и может погибнуть. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата – медного купороса CuSO4*5H2O. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. Польские ученые установили, что в тех водоемах, где присутствует медь, карпы отличаются крупными габаритами. В прудах и озерах, где нет меди, быстро развивается грибок, который поражает карпов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.
Из представителей живого мира небольшие количества меди содержат осьминоги, каракатицы, устрицы и некоторые другие моллюски. В крови ракообразных и головоногих, медь входящая в состав их дыхательного пигмента – гемоциана (0,33-0,38%), – играет ту же роль, что железо в крови других животных. Соединяясь с кислородом воздуха, гемоцианин синеет (поэтому у улиток кровь голубая), а отдавая кислород тканям, – обесцвечивается. У животных, стоящих на более высокой ступени развития, и у человека медь содержится главным образом в печени. Ежедневная потребность человеческого организма – примерно 0,005 грамма этого элемента. При недостаточном поступлении меди с пищей у человека развивается малокровие, появляется слабость. С биологическими процессами связан и один из способов добычи меди. Еще в начале XX века в Америке были зарыты медные рудники в штате Юта: решив, что запасы руды уже исчерпаны, хозяева рудников затопили их водой. Когда спустя два года воду откачали, в ней оказалось 12 тысяч тонн меди. Подобный случай произошел и в Мексике, где из заброшенных рудников, на который махнули рукой, только за один год было “вычерпано” 10 тысяч тонн меди. Оказалось, что среди многочисленных видов бактерий есть и такие, для которых любимым лакомством служат сернистые соединения некоторых металлов. Поскольку медь в природе связана именно с серой, эти микробы неравнодушны к медным рудам. Окисляя нерастворимые в воде сульфиды, микробы превращают их в легко растворимые соединения, причем процесс этот протекает очень быстро. Так при обычном окислении за 24 дня из халькопирита выщелачивается 5% меди, то в опытах с участием бактерий за 4 дня удалось извлечь 80% этого элемента. Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в радиотехнике и электротехнической промышленности. Это связано с ее хорошей проводимостью и относительно высокой коррозионной стойкостью. К меди, идущей на изготовление электрических проводов, часто добавляют в небольшом количестве кадмий, который не снижает электропроводимость меди, но повышает ее прочность на разрыв. Древнейший сплав меди с цинком – латунь и в настоящее время производится в больших количествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-45%. Она применяется для изготовления различной арматуры, соприкасающейся с водой (краны, вентили и т.д.), а также для производства различных труб. Из латуни прокатывают полосы и листы, идущие для выработки самых разнообразных изделий (проволока, произведения искусств, предметы быта и т.д.). Латунь хорошо прокатывается, штампуется и несколько дешевле меди, так как цинк более дешевый металл по сравнению с медью. Другие сплавы меди называются бронзами. Наиболее распространенная бронза – оловянная. Она содержит от 5 до 80% олова. В зависимости от содержания олова свойства и назначение меняется. При содержании олова 10-13% ее цвет красновато-желтый, а более 27-30% - белый. Подшипниковая бронза содержит 81-87% меди. Для изготовления подшипников, различных тормозных устройств, где происходит скольжение металла, применяют бронзы, содержащие до 45% свинца. В часовых и других точных механизмах, где нужна высокая механическая прочность и коррозионная стойкость, применяется бериллиевая бронза, содержащая 1-2% бериллия. Ее прочность равна прочности стали. В быту и особенно в химической промышленности применяют сплавы меди с никелем, например монель-металл, в котором отношение меди к никелю равно 2:1, и мельхиор, в котором это соотношение равно 4:1. Мельхиор по внешнему виду похож на серебро, из него приготовляют предметы домашнего обихода: ложки, вилки, подносы и т.д. Монель-металл применяют для изготовления монет, различных реакторов для химической промышленности, так как это сплав коррозионно-стоек. Гидроксокарбонат меди (II) – (CuOH)2CO3 – применяют для получения хлорида меди (II), для приготовления синих и зеленых минеральных красок, а также в пиротехнике. Сульфат меди (II) – CuSO4 – в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощении воды синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влаги в органических жидкостях. Смешанный ацетат-арсенит меди (II) – Cu(CH3COO)2*Cu3(AsO3)2 – применяют под названием “парижская зелень” для уничтожения вредителей растений. Из солее меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету: зеленых, синих, коричневых, фиолетовых и черных. Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят – покрывают внутри слоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей. Заключение Вот и подошла к концу моя работа. Подвести какие-либо итога довольно трудно. Медь использовалась, используется и, скорее всего, будет использоваться до тех пор, пока её ещё возможно будет добывать. Потому как запасы полезных ископаемых уменьшаются с каждым днём, даже с каждым часом, довольно проблематично сказать, когда «грянет гром». Скоро. К сожалению… Но пока что рано начинать впадать в панику. Да и вообще делать этого никогда не следует. Вместо этого давайте выразим в нескольких предложениях основные мысли реферата. Медь - жизненно важный элемент. Главный металл электротехники. Один из самых важных, самых древних и самых популярных металлов. Популярных не только в среде инженеров – конструкторов, электриков и машиностроителей, но и у людей гуманитарных профессий – историков, скульпторов, литераторов. На этом всё. Список литературных источников: 1. Л.Ф.Попова. От лития до цезия. М., “Просвещение”, 1972. 2. В.Е.Лунев. Познакомьтесь с медью. М.,”Металлургия”, 1965. 3. Отв. за ред. Л.К.Иугалин. Химия минералов меди. Новосибирск, “Наука”, 1975. 4. Л.Ф.Попова. Медь. М., “Просвещение”, 1989. 5. Н.А.Фигуровский, "Открытие элементов и происхождение их названий". М., “Наука”, 1970. 6. В.С.Котлярова, Н.В.Касимова. Получение плёнок меди и опыты с ними // Химия в школе, №3, 1972. 7. И.Г.Подчайнова, Э. Н.Симонова. Аналитическая химия меди. М.,”Наука”, 1990.