Оглавление 209 210 211 212 213 — — — 270 

Медь (Cuprum); ат. вес 63,54. Медь встречается в природе в самородном состоянии, но главным образом в виде соединений. Важнейшие минералы, входящие в состав медных руд: халькозин, или медный блеск, Cu2S; халькопирит, или медный колчедан, CuFeS2; куприт Cu2О и малахит СuСО3 • Сu(ОН)2. По характеру соединений, образующих медные руды, последние подразделяют на окисленные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляется 80% всей добываемой меди. Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 весовых процента), но она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной легкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком для изготовления орудий и предметов обихода.

В настоящее время медь добывают только из руд. По выплавке меди первое место среди капиталистических стран занимают США. Значительные количества меди добываются также в Чили, Северной Родезии, Канаде и в Бельгийском Конго. В 1957 г. общая выплавка меди из руд составила, только в капиталистических странах, 3 млн. т.

В России годовая выплавка меди в середине XIX в. составляла 6,5 тыс. г, а к 1913 г. — 34 тыс. т.В годы индустриализации наша медная промышленность быстро развивалась. Особенно сильно увеличилась выплавка меди в течение послевоенных пятилеток.

В СССР богатые месторождения медных руд находятся на Урале, в Казахстане и в Закавказье. В Казахстане в 1928 г. было открыто одно из самих крупных в мире месторождений меди — Коунрадское месторождение у озера Балхаш.

Медные руды, как правило, содержат такое количество примесей, что непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому в металлургии меди особенно важную роль играет флотационный способ обогащения руд, позволяющий использовать руды с очень небольшим содержанием меди.

Из окисленных руд медь получают обычным способом — восстановлением руды углем. Обработка же сульфидных руд, особенно содержащих железо, гораздо сложнее. В этом случае руду сперва подвергают неполному обжигу, чтобы удалить часть серы в виде SO2 и превратить содержащийся в руде сульфид железа в закись железа FeO. Выделяющийся сернистый газ обычно используют для производства серной кислоты или для переработки на серу.

Обожженную руду сплавляют в шахтных или отражательных печах с кремнеземом и коксом. При этом большая часть железа переходит в шлак в виде FeSiО3, медь же превращается в сульфид Cu2S, который вместе с остающимся еще в руде сульфидом железа образует штейн, собирающийся на дне печи под слоем шлака.

Дальнейшая обработка штейна с целью удаления из него оставшегося железа ведется в конверторах, сходных с конверторами, применяемыми при выплавке стали . Сквозь находящийся в конверторе расплавленный штейн, к которому добавлено необходимое количество песка, продувают воздух или, что более эффективно, кислород.

Химические процессы, происходящие в конверторе, довольно сложны. Находящийся в штейне сульфид железа превращается в закись железа и удаляется в виде силиката в шлаке.

2FeS + 2 = 2РеО + 2SО2 2FeO + 2SiО2 = 2FeSiО3

Медь восстанавливается до металла. При этом, вероятно, происходят следующие реакции:

2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SО2 2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2

Выделяющееся при этих реакциях тепло поддерживает в конверторе тем-пературу 1100—1200° и делает излишним расход топлива.

Вдувание воздуха продолжают до тех пор, пока не восстановится вся медь, о чем можно судить по характеру вырывающегося из конвертора пламени. Расплавленную медь выпускают из конвертора в песчаные формы, где она и застывает в виде толстых пластин.

Руды, содержащие менее 0,5% меди, подвергают гидрометаллургической переработке .

Полученная выплавкой из руды сырая или черновая медь содержит еще от 2 до 3% различных примесей (цинк, никель, железо, свинец, серебро, золото и др.) и нуждается в дальнейшей очистке, или рафинировании, что производят либо так называемым сухим путем, либо с помощью электролиза.

При рафинировании сухим путем черновую медь сплавляют в токе воздуха. Часть меди окисляется до Cu2О, растворяющейся в расплавленной меди и отдающей свой кислород на окисление примесей неблагородных металлов. Избыток образовавшейся Cu2О восстанавливают путем введения в расплавленную массу дерева или угля. В результате получается рафинированная медь, содержащая всего около 0,5% примесей и идущая на изготовление бронз, латуней и других сплавов.

Для некоторых целей и прежде всего для изготовления электрических проводов требуется медь высокой степени чистоты, так как даже незначительное количество примесей посторонних веществ сильно понижает электропроводность меди, чем вызывается бесполезная трата электрической энергии при передаче ее по проводам. Весьма чистая медь получается из сырой меди путем электролиза.

При электролитическом рафинировании меди толстые пластины сырой меди подвешивают в ванне, содержащей раствор медного купороса, и соединяют с анодом источника тока. Катодом служат тонкие пластины чистой меди, расположенные в промежутках между анодными пластинами и покрытые графитом, благодаря чему отложившаяся при электролизе медь легко от них отделяется. Электролиз ведется при очень низком напряжении тока, не превышающем 0,4 вольта. В этих условиях с анода в раствор переходят только ионы меди и тех металлов, которые стоят впереди меди в ряду напряжений (например: цинка, железа, никеля). Все же остальные примеси, содержащиеся в сырой меди, выпадают на дно ванны в виде осадка, называемого анодным шламом. У катода ввиду низкого напряжения тока разряжаются только ионы меди, и таким образом катод покрывается чистой медью. Из анодного шлама добывают серебро, золото, селен и другие ценные вещества, стоимость которых часто окупает все расходы производства.

Чистая медь — тягучий вязкий металл светлорозового цвета, легко прокатываемый в тонкие листы. Удельный вес меди 8,9, темп. пл. 1083,2°. Медь очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка окислов (придающая меди более темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления, но в присутствии влаги и углекислого газа поверхность меди покрывается зеленоватым налетом основного карбоната меди Сu2(ОН)2СО3. При нагревании на воздухе медь превращается в черную окись меди, которая при более высокой температуре разлагается, теряя кислород и переходя в закись меди Cu2О.

Ввиду высокой тепло- и электропроводности, ковкости, хороших литейных качеств, большого сопротивления на разрыв и стойкости к коррозии медь широко используется в промышленности, занимая по масштабу своего применения первое место среди металлов после железа.

Огромные количества чистой электролитической меди (около 40% всей добываемой меди) идут на изготовление электрических проводов и кабелей. Из более или менее чистой меди выделывают различную заводскую аппаратуру: котлы, чаны для выпаривания, перегонные кубы и т. п. Широкое применение в машиностроительной промышленности, а также в электротехнике и других производствах имеют различные сплавы, содержащие медь в комбинации с другими металлами. Важнейшими из них являются: латуни (сплавы меди с цинком), бронзы (сплавы меди с оловом), нейзильбер (65% меди, 20% цинка и 15% никеля) и мельхиор (80% меди и 20% никеля), похожие по внешнему виду на серебро, константан (60% меди и 40% никеля), применяемый в магазинах сопротивлений и термоэлементах, и многие другие.

В химическом отношении медь является малоактивным металлом, хотя и соединяется непосредственно с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.

Стоя в ряду напряжений позади водорода, медь не вытесняет его из кислот, Поэтому соляная и разбавленная серная кислоты сами по себе не действуют на медь. Однако в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в них с образованием соответствующих солей:

2Cu + 4НСl + O2 = 2СuСl2 + 2Н2O

Можно представить, что эта реакция идет в две стадии: сначала кислород окисляет медь в окись меди, а затем окись меди, как и всякий основной окисел, взаимодействует с соляной кислотой с образованием соли и воды. В таких условиях даже самые слабые кислоты могут постепенно растворять медь. Очень легко растворяется медь в азотной кислоте и в концентрированной серной кислоте при нагревании.

Все летучие соединения меди окрашивают несветящее пламя газовой горелки в синий или зеленый цвет.

Медь образует два ряда соединений, являющихся соответственно производными двух окислов: закиси меди Сu2О и окиси меди СuО. В первом ряду соединений медь одновалентна, во втором — двухвалентна. Соединения одновалентной меди в общем менее устойчивы, чем соединения двухвалентной меди, и не имеют большого практического значения.

Соединения одновалентной меди. Закись меди Сu2О встречается в природе в виде красной медной руды, или куприта. Искусственно она может быть получена путем нагревания раствора соли двухвалентной меди со щелочью и каким-нибудь сильным восстановителем, например формалином или виноградным сахаром. Сперва появляется желтый осадок, относительно которого еще не установлено, является ли он гидратом закиси меди СuОН или аморфным гелем закиси меди; при более сильном нагревании осадок переходит в красную закись меди.

Закись меди получается также при сильном накаливании меди на воздухе. Образующаяся первоначально черная окись меди при температуре около 800° разлагается, превращаясь в красную закись меди.

При действии на закись меди соляной кислоты получается бесцветный раствор хлористой меди CuCl. Если влить этот раствор в воду, то хлористая медь выпадает в виде белого творожистого осадка, нерастворимого в воде. Она может быть получена также кипячением раствора СuСl2 с соляной кислотой и медными стружками:

CuCl2 + Сu = 2СuСl

Отметим еще очень устойчивое соединение одновалентной меди — полусернистую медь Cu2S, образующуюся при непосредственном соединении меди с серой.

Соединения двухвалентной меди. Окись меди СuО — черное вещество, приготовляемое обычно путем нагревания на воздухе медных обрезков, стружек или опилок до температуры красного каления. Она легко может быть получена также прокаливанием некоторых солей меди, например: основного карбоната меди (II) Cu2(OH)2CO3 или нитрата меди (II) Сu(NO3)2. Окись меди является довольно энергичным окислителем. При нагревании с различными органическими веществами окись меди окисляет их, превращая углерод в углекислый газ, а водород — в воду, причем сама восстанавливается в металлическую медь. Этой реакцией широко пользуются при так называемом элементарном анализе органических веществ дли определения содержания в них углерода и водорода.

Гидрат окиси меди Сu(ОН)2 осаждается из растворов солей окиси меди при действии щелочей в виде голубой студенистой

массы. Уже при слабом нагревании даже под водой он разлагается, превращаясь в черную окись меди. Гидрат окиси меди — очень слабое основание. Поэтому растворы солей двухвалентной меди в большинстве случаев имеют кислую реакцию, а со слабыми кислотами медь образует основные соли.

Важнейшими из солей двухвалентной меди являются следующие:

1. Сульфат меди (II), или сернокислая медь CuSO4. В безводном состоянии представляет собой белый порошок, который? при поглощении воды синеет и поэтому часто применяется для обнаруживания следов влаги в различных органических жидкостях. Водный раствор сульфата меди имеет характерный сине-голубой цвет. Эта окраска свойственна гидратированным ионам [Сu(Н2O)4]••, поэтому такую же окраску имеют все разбавленные растворы солей двухвалентной меди, если только они не содержат каких-либо окрашенных анионов. Из водных растворов сульфат меди кристаллизуется с пятью молекулами воды, образуя прозрачные синие кристаллы триклинической системы. В таком виде он называется медным купоросом.

Медный купорос получают растворением медных отбросов или в горячей концентрированной серной кислоте, или в теплой разбавленной серной кислоте при свободном доступе кислорода. Применяется медный купорос для покрытия металлов медью, для приготовления некоторых минеральных красок, как средство борьбы с вредителями растений в сельском хозяйстве. 

2. Хлорид меди (II), или хлорная медь СuСl2 • 2Н2O. Обра- зует темнозеленые кристаллы, легко растворимые в воде. Получается обычно растворен ней основного карбоната меди в соляной кислоте. Очень концентрированные растворы СuСl2 имеют зеленый цвет, разбавленные, как обычно, — сине-голубой. Хлорид

меди (II) окрашивает бесцветное пламя газовой горелки в интенсивный зеленый цвет.

3. Нитрат меди (II), или азотнокислая медь Сu(NO3)2 • 3Н2О. Получается при растворении меди в азотной кислоте. Синие кристаллы нитрата меди при нагревании сперва теряют’воду, а затем легко разлагаются с выделением кислорода и бурых окислов азота, переходя в черную окись меди. Применяется для получения окиси меди, а также для приготовления некоторых красок.

4. Основной карбонат меди (II) Сu2(ОН)2СОз. Встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивый изум-рудио-зеленый цвет. Искусственно приготовляется действием соды на растворы солей двухвалентной меди,

2CuSO4 + 2Na2CO3 + Н2O = ↓ Cu2(OH)2CO3 + 2Na24 + CО2

Применяется для получения хлорной меди, для приготовления синих и зеленых минеральных красок, а также в пиротехнике.

5. Ацетат меди, или уксуснокислая медь Сu(СН3СОО)2 • Н2О. Получается обработкойметаллической меди или окиси меди уксусной кислотой. Продажный продукт обычно представляет собой смесь основных солей различного состава и цвета (зеленого и сине-зеленого). Под названием ярь-медянка применяется для приготовления масляной краски.

Двойная уксусно-мышьяковистокислая соль меди (так называемая «парижская зелень») Сu(СН3СОО)2 • Сu3(АsО3)2 применяется для уничтожения вредителей сельскохозяйственных культур.

Из солей меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету: зеленых, синих, коричневых, фиолетовых и черных.

Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят, т. е. покрывают изнутри слоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей.

Комплексные соединения меди. Чрезвычайно характерным свойством ионов двухвалентной меди является их способность соединяться с молекулами аммиака с образованием так называемых комплексных ионов.

Если к раствору сернокислой меди приливать раствор аммиака, то выпадает голубой осадок основной соли, который легко растворяется в избытке аммиака, окрашивая жидкость винтенсивный синий цвет. Прибавление щелочи к полученному раствору не вызывает образования осадка Сu(ОН)2; следовательно, в этом растворе или совсем нет ионов Сu••, или их так мало, что даже при большом количестве гидроксильных ионов не может быть достигнута величина произведения растворимости Сu(ОН)2. Отсюда можно заключить, что ионы меди вступают во взаимодействие с прибавленным аммиаком и образуют какие-то новые ионы, которые не дают нерастворимого соединения с ионами ОН’. В то же время ионы SO4» остаются неизмененными, так как опыт показывает, что прибавление к аммиачному раствору хлористого бария тотчас же вызывает образование осадка BaSO4 (характерная реакция на ион SO4«).

Исследованиями установлено, что темносиняя окраска аммиачного раствора обусловлена присутствием в нем сложных. ионов [Cu(NH3)4]•• образовавшихся путем присоединения к иону меди четырех молекул аммиака. При испарении воды ионы [Cu(NH3)4]•• связываются с ионами SO4» и из раствора выделяются темносиние кристаллы, состав которых выражается формулой [Сu(NH3) 4]SO4 • Н2O.

Таким образом, при взаимодействии сульфата меди (II) с аммиаком происходит реакция

 CuSO4 + 4NH3 = [Cu(NH3)4]SO4

или в ионной форме

Cu•• + 4NH3 = [Cu(NH3)4]••

Ионы, которые, подобно [Сu(NH3)4]••, образуются путем присоединения к данному иону нейтральных молекул или других ионов, способных к самостоятельному существованию в растворах, называются комплексными ионами. Соли, в состав которых входят такие ионы, получили название комплексных солей. Известны также комплексные кислоты и комплексные основания, диссоциирующие в растворах с отщеплением комплексных ионов.

При написании формул комплексных соединений комплексный ион обычно заключают в квадратные скобки. Этим отмечается, что при растворении данного соединения в воде комплексный ион остается в растворе, не распадаясь на составные части.

Подобно сульфату меди (II), реагируют с аммиаком и другие соли двухвалентной меди. Во всех этих случаях получаются темносиние растворы, содержащие комплексные ионы [Cu(NH3)4]••

Одновалентная медь дает с аммиаком бесцветные комплексные ионы состава [Cu(NH3)2].

Гидрат окиси меди тоже растворяется в аммиаке с образованием темносинего раствора, содержащего ионы [Cu(NH3)4]•• и гидроксильные ионы:

Cu(OH)2 + 4NH3 = [Cu(NH3)4]•• + 2OН’

Получающийся раствор обладает способностью растворять клетчатку (вату, фильтровальную бумагу и т. п.) и применяется при изготовлении одного из видов искусственного волокна .

Гидрат окиси меди растворяется также в очень концентрированных растворах щелочей, образуя сине-фиолетовые растворы купритов — солей, содержащих комплексный ион [Си(ОН)4]»:

Cu(OH)2 + 2NaOH ⇄ Na2[Cu(OH)4]

или в ионной форме

Cu(OH)2 + 2OН’ ⇄ [Си(ОН)4

В отличие от аммиачных комплексов меди в этом случае ион Сu•• присоединяет к себе не электронейтральные молекулы, а четыре отрицательных иона ОН’, вследствие чего получаются комплексные анионы, а не катионы.

Куприты очень неустойчивы и при разбавлении щелочных растворов водой полностью разлагаются, снова выделяя гидрат окиси меди в осадок. Таким образом, хотя гидрат окиси меди, растворяясь в щелочах, и проявляет до некоторой степени кислотные свойства, но в очень слабой степени.

Из других комплексных анионов двухвалентной меди отметим еще ионы [CuCl4]», образующиеся в концентрированных растворах хлорной меди и обусловливающие их зеленую окраску:

 CuCl2 + 2Cl’ ⇄ [CuCl4

При разбавлении растворов водой ионы [СuСl4]» превращаются в обычные гидратированные ионы меди [Сu(Н2O)4]•• и зеленая окраска растворов переходит в сине-голубую:

[CuCl4]» + 4Н2O = [Cu(H2O)4]•• + 4Сl»

210 211 212

Вы читаете, статья на тему Медь (Cuprum)