Металлы и их сплавы 2

Реферат на тему:
Металлы и их сплавы
Ученицы 10класса
Школы № 31
Таковой Екатерины
г. Севастополь
2010 г.
Оглавление:
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
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”. --PAGE_BREAK--
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    продолжение
--PAGE_BREAK--
Строение атома.
Рисунок 2. Схема строения атома меди.
29Cu 1s1 2s2sp63s23p63d104s1
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    продолжение
--PAGE_BREAK--
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+     продолжение
--PAGE_BREAK--
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.