Физические и химические свойства

Физические и химические свойства. Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную кубическую решётку с параметром а = 3,6074 ; плотность 8,96 г/см3 (20 °C). Атомный радиус 1,28; ионные радиусы Cu+ 0,98; Cu2+ 0,80; tпл. 1083 °C; tкип. 2600 °C; удельная теплоёмкость (при 20 °C) 385,48 дж/(кг•К), то есть 0,092 кал/(г•°C). Наиболее важные и широко используемые свойства меди: высокая теплопроводность - при 20 °C 394,279 вт/(м•К), то есть 0,941 кал/(см•сек•°C); малое электрическое сопротивление - при 20 °C 1,68•10-8 ом•м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0•10-6. Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м2 (то есть 1 мм рт. ст.) достигается лишь при 1628 °C. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27•10-6. Твёрдость меди по Бринеллю 350 Мн/м2 (то есть 35 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м2 (то есть 22 кгс/мм2); относительное удлинение 60 %, модуль упругости 132•103 Мн/м2 (то есть 13,2•103 кгс/мм2). Путём наклёпа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м2, при этом удлинение уменьшается до 2 %, а электропроводность уменьшается на 1-3 %. Отжиг наклёпанной меди следует проводить при 600-700 °C. Небольшие примеси Bi (тысячные доли % ) и Pb (сотые доли % ) делают медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.

По химическим свойствам медь занимает промежуточное положение между элементами первой триады VIII группы системы 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. Получение 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 меди 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.