Новости

Медь (лат. Cuprum). Физические и химические свойства меди

Работа добавлена:






Медь (лат. Cuprum). Физические и химические свойства меди на http://mirrorref.ru

Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл красного цвета. Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов - 63Cu (69,1 % ) и 65Cu (30,9 % ).

                               Историческая справка

Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим  данным  - медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р.Хр.Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и её сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и карбонатов медь была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах. Латинское название меди происходит от названия острова Кипр, где древние греки добывали медную руду. В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и быстро охлаждали, причём порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь, и шлака (сплава окислов).

Среднее содержание меди в земной коре (кларк) 4,7·10-3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами. Её больше (1·10-2 %), чем в верхней (2·10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов медь преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.

                            Распространение в природе

Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2·10-4 %, известны организмы - концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.

В речной воде очень мало меди, 1·10-7 %. Приносимая в океан со стоком медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько обогащены медью (5,7·10-3 % ), а морская вода резко недосыщена медью (3·10-7 %).

В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в ГДР). Медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS2, также известный как медный колчедан, халькозин Cu2S и борнит Cu5FeS4. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и сланцы. Наиболее известные из месторождений такого типа — Удокан в Читинской области, Джезказган в Казахстане, Меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в ГДР.

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,4 до 1,0 %.

                                   Химические свойства меди

МедьCu-металл с высокой температурой плавления(Тпл=1083ºС) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: уCuρ=1,72*10 Ом*м, а уAgρ=1,58*10 Ом*м. Обладает достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к коррозии. Плотность — 8,94*10³ кг/м³

Удельная теплоёмкость при 20 °С — 390 Дж/кг*К

Удельное электрическое сопротивление при 20-100 °С — 1,78·10-8 Ом·м

Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой.

По химическим свойствам медь занимает промежуточное положение между элементами первой триады VIII группы и щелочными элементами I группысистемы Менделеева Cu, как и Fe, Со, Ni, склонна к комплексообразованию, даёт окрашенные соединения, нерастворимые сульфиды и т. д. Сходство с щелочными металлами незначительно. Так, медь образует ряд одновалентных соединений, однако для неё более характерно 2-валентное состояние. Соли одновалентной меди в воде практически нерастворимы и легко окисляются до соединений 2-валентной меди; соли 2-валентной меди, напротив, хорошо растворимы в воде и в разбавленных растворах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы Cu2+ окрашены в голубой цвет. Известны также соединения, в которых медь 3-валентна. Так, действием перекиси натрия на раствор куприта натрия Na2CuO2 получен окисел Cu2O3 - красный порошок, начинающий отдавать кислород уже при 100 °C. Cu2O3 - сильный окислитель (например, выделяет хлор из соляной кислоты).

Химическая активность меди невелика. Компактный металл при температурах ниже 185 °C с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и CO2 на поверхности медь образуется зелёная плёнка основного карбоната. При нагревании медь на воздухе идёт поверхностное окисление; ниже 375 °C образуется CuO, а в интервале 375-1100 °C при неполном окислении медь - двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится CuO, а во внутреннем - Cu2O. Влажный хлор взаимодействует с медью уже при обычной температуре, образуя хлорид CuCl2, хорошо растворимый в воде. Медь легко соединяется и с другими галогенами. Особое сродство проявляет медь к сере и селену; так, она горит в парах серы. С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твёрдой меди незначительна и при 400 °C составляет 0,06 мг в 100 г меди Водород и другие горючие газы (CO, CH4), действуя при высокой температуре на слитки меди, содержащие Cu2O, восстановляют её до металла с образованием CO2 и водяного пара. Эти продукты, будучи нерастворимыми в меди, выделяются из неё, вызывая появление трещин, что резко ухудшает механические свойства меди

При пропускании NH3 над раскалённой медью образуется Cu3N. Уже при температуре каления медь подвергается воздействию окислов азота, а именно NO, N2O (с образованием Cu2O) и NO2 (с образованием CuO). Карбиды Cu2C2 и CuC2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы солей меди. Нормальный электродный потенциал меди для реакции Cu2+ + 2e ? Сu равен +0,337 в, а для реакции Cu+ + е ? Сu равен +0,52 в. Поэтому медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используется железо) и не растворяется в кислотах-неокислителях. В азотной кислоте медь растворяется с образованием Cu(NO3)2 и окислов азота, в горячей концентрации H2SO4 - с образованием CuSO4 и SO2, в нагретой разбавленной H2SO4 - при продувании через раствор воздуха. Все соли меди ядовиты.

Медь в двух- и одновалентном состоянии образует многочисленные весьма устойчивые комплексные соединения. Примеры комплексных соединений одновалентной меди: (NH4)2CuBr3; K3Cu(CN)4 - комплексы типа двойных солей; [Сu{SC(NH2)}2]CI и другие. Примеры комплексных соединений 2-валентной меди: CsCuCI3, K2CuCl4 - тип двойных солей. Важное промышленное значение имеют аммиачные комплексные соединения меди: [Сu (NH3)4] SO4, [Сu (NH3)2] SO4..

                Основные физические  и механические свойства меди:

Атомная масса ……………………………………………………   63

Плотность при 20ОС, г/см3 ………………………………………8, 96

Температура, ОС:

                плавления ……………………………………………… 1083

                кипения ………………………………………………….2600

Удельная теплоёмкость, ккал/г ……………………………………0, 092

Теплопроводность кал/ (см .  сек . град) ………………………….0, 941

Скрытая теплота плавления, кал/г ………………………………...43, 3

Коэффициент линейного расширения, 1/град ………………… 0, 000017

Удельное электросопротивление, Ом . мм2/м …………………..0, 0178

Временное сопротивление меди, кг/мм2 :

                 деформированной …………………………………….40 — 50

                 отожжённой …………………………………………….20 — 24

Предел текучести меди, кг/мм2 , при температуре, ОС:

                      20 ………………………………………………………...7

                     200 ……………………………………………………….5

                     400 ……………………………………………………….1, 4

Относительное удлинение меди, %

                     деформированной …………………………………….4 —6

                    отожжённой …………………………………………….40 — 50

Предел упругости меди, кг/мм2 :

                     деформированной ………………………………….   30

                     отожжённой …………………………………………….7

Модуль упругости, кг/мм2 ………………………………………. 13200

Модуль сдвига, кг/мм2 …………………………………………...4240

Предел усталости меди при переменно-изгибающих напряжениях на базе 108 циклов, кг/мм2 :

                     деформированной …………………………………….11

                     отожжённой ……………………………………………..6, 7

Твёрдость НВ меди, кг/мм2 :

                     деформированной …………………………………….90 — 120

                     отожжённой ……………………………………….. …..35 — 40

Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легко прокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005 мм ), хорошо паяется.

                                               Классификация меди

 Медь - сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования.В природе медь встречается в самородном состоянии и, главным образом, в виде сульфидных руд. Из медной руды в результате ряда последовательных процессов обогащения, обжига и восстановления получают так называемую сырую, или черную медь, содержащую обычно до 3% примесей. Эти примеси значительно снижают электропроводность меди, поэтому медь, предназначенную для электротехнических целей, обязательно подвергают электролитической очистке-рафинированию. Рафинированную медь переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают или протягивают через волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

   При изготовлении проволоки болванки сначала путем горячей прокатки превращают в катанку диаметром 8-18 мм, которую для удаления с поверхности окислов меди (CuO иCu2O) протравливают слабым раствором серной кислоты и далее протягивают в холодном состоянии через фильтры волочильной доски получая проволоку заданного профиля и размеров. При холодной прокатке и волочении получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу (нагартовки) приобретает повышенную твердость, упругость, предел прочности на разрыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается относительное сужение перед разрывом.

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность  σв, твердость и сопротивляемость истиранию. Например, для изготовления контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных пластин электрических машин, шин для распредустройств и т.п.

Рекристаллизация меди начинается при температуре примерно 200 °С, а температура рекристаллизационного отжига составляет  600 °С. При отжиге механические свойства меди изменяются сильнее, чем ее удельное сопротивление. После отжига получают мягкую (отожженную) медь (ММ), которая пластична, характеризуется большим удлинением перед разрывом и имеет электропроводность на 3 – 5% выше, чем у МТ. Однако при отжиге предел прочности на разрыв и твердость снижаются. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают в процентах при 20 ºС удельную проводимость металлов и сплавов. Удельная электропроводность стандартной меди при 20 ºС равна 58 МСм/м, соответственно ρ=0,017241 мкОм·м, а ТКρ=4,3·10-3 К-1.

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожильных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т.д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди марок МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Ленточную медь широко используют для экранирования кабелей связи и радиочастотных кабелей. Несложный расчет показывает, что медный экран толщиной 0,5 мм становится эффективным при частоте поля не ниже 17 кГц. Следовательно, медный экран эффективен в высокочастотных магнитных полях. В низкочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покрывают никелем, серебром, золотом.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее химической природы. Например, 0,5%Zn ,Cd  илиAg снижают удельную электропроводность меди на 5%, при той же концентрацииNi ,Sn илиAl – на 25-40%, аBe ,As,Fe,Si илиP – на 55% и более. Очень вредно присутствие в меди кислорода – он приводит к образованию оксидов меди, вызывающих увеличение удельного сопротивления. Наличие серы снижает пластичность меди, в результате при низких температурах медь становится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Соединения меди

Медный купорос

В соединениях медь бывает двух степеней окисления: менее стабильную степень Cu+ и намного более стабильную Cu2+, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23-, полученных в 1994 году.

Карбонат меди(II) имеет зелёную окраску, что вызывает позеленение элементов зданий, памятников и изделий из меди. Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO4∙5H2O, используется как фунгицид. Существует два стабильных оксида меди — оксид меди(I) Cu2O и оксид меди(II) CuO. Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa2Cu3O7-δ), который является основой для получения сверхпроводников. Хлорид меди(I) — бесцветные кристаллы (в массе белый порошок) плотностью 4,11 г/см³. В сухом состоянии устойчив. В присутствии влаги легко окисляется кислородом воздуха, приобретая сине-зелёную окраску. Может быть синтезирован восстановлением хлорида меди(II) сульфитом натрия в водном растворе.

                                    Маркировка меди.

По степени чистоты медь стандартизируется на следующие марки:

Марка

СодержаниеCu,%

Марка

СодержаниеCu,%

М00б

99,99

М1р

99,90

М00

99,96

М2

99,70

М0б

99,97

М2р

99,70

М0

99,95

М3

99,50

М1б

99,95

М3р

99,50

М1у

99,90

М4

99,00

М1

99,90

«б» - что медь «безкислородная», с повышенной механической прочностью;

«р»- медь, раскисленная фосфором, с пониженным содержанием кислорода;

«у»-медь катодная переплавленная.

  В марках меди, предназначенной для электротехнических целей, определяют только содержаниеCu и удельное электрическое сопротивление. Например, для меди марки М0б, М1б и М1 при 20ºС у отожженных образцов ρ не должно превышать

1,724·10-8Ом·м, а для марки М00б-не более 1,706·10-8Ом·м.

В безкислородной меди допускается содержание кислорода не более 0,001%. Большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни», которая проявляется в том, что при нагревании меди в атмосфере водорода (распространенная технологическая среда в электровакуумной технике) последний взаимодействует с содержащимся в меди кислородом в виде закиси (полуокиси) медиCu2O, и образуются пары воды. Пары воды скапливаются в микропорах меди и создают высокое давление, приводящее к охрупчиванию металла. Безкислородная медь со специальными легирующими добавками обладает повышенными механическими свойствами.

 Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как и у серебра. Вакуумную медь получают путем ее переплавления в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении ~10-3Па.

Сплавы меди

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют ее сплавы-бронзы и латуни. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, куда помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. В наше время находит применение в военном деле в кумулятивных боеприпасах благодаря высокой пластичности, большое количество латуни идёт на изготовление оружейных гильз. Медноникелевые сплавы используются для чеканки разменной монеты. Медноникелиевые сплавы, в том числе т. н. «адмиралтейский» сплав широко используются в судостроении и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за образцовой коррозионной устойчивости

Бронзы-это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn,Si,P,Be,Cr,Mg,Cd и др.), которые дают название бронзам. Маркируют бронзы буквами Бр, после которых идут буквы, указывающие легирующие элементы:

А – алюминий

Мц - марганец

С - свинец

Б - бериллий

Мг – магний

Ср – серебро

Ж – железо

Мш - мышьяк

Су – сурьма

К – кремний

Н – никель

Т – титан

Кд – кадмий

О – олово

Ф – фосфор

Х – хром

Ц - цинк

и цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах. Например, бронза марки БрБ2-бериллиевая бронза (содержитBe ~2%, остальноеCu), марки БрОЦС6-6-3 – оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержитSn 6%,Zn 6%,Pb 3%, остальное медь). Атомы примеси (в том числе легирующей), внедряясь в кристаллическую решетку, увеличивают ее деформацию и концентрацию дефектов. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопротивление бронз больше [ρ=(1,8-2,8)·10-8 Ом·м], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (σв =250-1100 МПа) и твердость (НВ=20-260 МПа), меньше относительное удлинение перед разрывом(δ=2-65%). Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь. У кадмиевой бронзы при сравнительно небольшом снижении удельной электропроводности существенно повышены механическая прчность, твердость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и коллекторных пластин в электрических машинах. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некоторые виды бронз упрочняют термообработкой. У твердотянутых бронз механическая прочность σви удельное сопротивлениеρ выше, чем у отожженных бронз

  Состав и свойства некоторых бронз приведены в таблице

                   Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов

Наименование сплава и его состав

Удельная проводимость по отношению к стандартной меди, %

Предел прочности на разрыв σв, МПа

Относительное удлинение перед разрывом,%

Кадмиевая бронза (Cd 0,9%)

95

 83-90

До 310

До 730

50

4

Кадмиево-оловянистая бронза (Cd 0,8%;Sn 0,6%)

55-60

 50-55

 290

До 730

55

4

Бериллиевая бронза Бр Б2 (Be 2,25%)

17

  10

490-600

1100

30-50

7

Оловянно-фосфористая бронза БрОФ 6,5-0,15 (Sn 6,5%,P 0,15%)

10-15

   10-15

400

1050

60

3

Латунь Л68 (Cu 68%, остальноеZn)

40

    30

380

880

65

5

Латунь Л59-1 (Cu 59%,Pb 1%, остальноеZn)

30

     20

350

450

25

5

*В числителе- значения характеристик для отожженных образцов, в знаменателе- для твердоутянутых.

В зависимости от легирующих элементов, входящих в их состав, бронзы классифицируются следующим образом:

1.Оловянные бронзы

Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).  Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства (δ>= 40 кгс/мм^2).  Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость. Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные свойства; они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами.  Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

2.Алюминиевые бронзы

Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы.  Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность (δ до 60%). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок.Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях. Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм^2. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере. Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д..В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

3.Кремнистые бронзы

Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных)

средах. Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах. Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различных упругих злементов.

4.Бериллиевые бронзы.

Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (σ до 120 кгс/мм ^2) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия  в меди уменьшается с понижением температуры. Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

Латуни-это сплавы системыCu-Zn с максимальным содержаниемZn 45%.  При повышении концентрацииZn до 45% увеличивается механическая прочность σв.  Максимальная пластичность наблюдается при содержанииZn  около 37%. В некоторые марки латуней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количестве один или несколько химических элементов (Sn,Pb,Fe,Mn,Ni илиAl).

По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком. Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и поковках.  Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются  не только в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных  латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы. Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм^2 при однофазной структуре и 40-45 кгс/мм^2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара  (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией)

Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывающей процентное содержание меди. Например, латунь марки ЛС59-1 – это свинцовая латунь, содержащаяCu 59%, свинца 1%, остальное цинк. Главная отличительная способность латуни то чистой меди – повышенная механическая прочность σв  при достаточно высоком удлинении перед разрывом δ. Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, штырей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепсельных разъемов. Состав и свойства некоторых латуней приведены в таблице

Получение меди

Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты.

В мировой практике 80 % медь извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства меди к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.

На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м2 и более (30 м ´ 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).

Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.

Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы (35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.

Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической М. и SO2. Эту черновую медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака меди для восстановления растворённой в ней Cu2O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой. Никель концентрируется в электролите; выводя часть растворов на упаривание и кристаллизацию, можно получить Ni в виде никелевого купороса.

Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллургические методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора меди либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.

Применение

Применение меди очень широко и разнообразно.

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов.

Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

В связи с высокой механической прочностью, но одновременно пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления. В России производство водопроводных труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005 [2], а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.

В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.

Медь самый широкоупотребляемый катализатор полимеризации ацетилена. Из-за этого трубопроводы из меди применять для транспортировки ацетилена можно только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Широко применяется медь в кровельном деле. Кровли из тонкой листовой меди из-за автозатухания процесса коррозии медного листа служат безаварийно по 100—150 лет. В России использование медного листа для кровель и фасадов нормируется федеральным Сводом Правил СП 31-116-2006 [3]

Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать ее применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозаборной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц — всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.

Бактерицидные свойства меди и ее сплавов были известны человеку давно. В 2008 году после длительных исследований Федеральное Агентство по Охране Окружающей Среды США (US EPA) [6] официально присвоило меди и нескольким сплавам меди статус веществ с бактерицидной поверхностью [7]. Особенно выражено бактерицидное действие поверхностей медных (и сплавов меди) проявляется в отношении метициллин-устойчивого штамма стафилококка золотистого, известного как «супермикроб» MRSA [8]:

Биологическая роль

Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина. Медь встречается в большом количестве ферментов, например, в цитохром-с-оксидазе, в содержащем медь и цинк ферменте супероксид дисмутазе, и в переносящем кислород белке гемоцианине. В крови большинства моллюсков и членистоногих медь используется вместо железа для транспорта кислорода.

Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище может вызвать недостаток другого элемента. Здоровому взрослому человеку необходимо поступление меди в количестве 0,9 мг в день.

                                 Добыча и запасы меди

Мировая добыча меди в 2000 году составляла около 15 млн т., a в 2004 году — около 14 млн т.. Мировые запасы в 2000 году составляли, по оценке экспертов, 954 млн т., из них 687 млн т. подтверждённые запасы , на долю России приходилось 3.2 % общих и 3.1 % подтверждённых мировых запасов . Таким образом, при нынешних темпах потребления запасов меди хватит примерно на 60 лет.

Производство рафинированной меди в России в 2006 году составило 1,009 тыс. тонн, потребление — 714 тыс. тонн.

Медь (лат. Cuprum). Физические и химические свойства меди на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат Сера: положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома. Физические и химические свойства серы. Оксиды серы, их химические свойства

2. Реферат Физические и химические свойства нефтей

3. Реферат ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИЙОДИДОВ

4. Реферат Соли: строение, физические, химические свойства, получение

5. Реферат Гидроксиды: строение, физические, химические свойства, получение

6. Реферат Кислоты: строение, физические, химические свойства, получение

7. Реферат Оксиды: строение, физические, химические свойства, получение

8. Реферат Вода, ее состав, строение молекулы, физические свойства. Химические свойства воды: разложение, отношение к натрию, оксидам кальция, серы (IV). Основные загрязнители природной воды

9. Реферат Металлы: положение этих химических элементов в периодической системе, строение их атомов (на примере атомов натрия, магния, алюминия). Характерные физические свойства металлов. Химические свойства металлов: взаимодействие с кислородом, водой, кислотами

10. Реферат Физические свойства древесины