Определите состав ядра атома меди

Медь: химический элемент с атомным номером 29

Медь (химический символ — Cu, от лат. ) — химический элемент 11-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы первой группы, IB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29.

Внешний вид простого вещества

Название, символ, номер: Медь/Cuprum (Cu), 29
Группа, период, блок: 11 (устар. 1), 4, d-элемент
Радиус атома: 128 пм
Радиус иона: (+2е) 73, (+1е) 77 (K=6) пм
Электроотрицательность: 1,90 (шкала Полинга)
Электродный потенциал: +0,337 В/ +0,521 В
Степени окисления: 0; +1; +2; +3; +4
Энергия ионизации (первый электрон): 745,0 (7,72) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность (при н. у.): 8,92 г/см³
Температура плавления: 1356,55 K (1083,4 °С)
Температура кипения: 2840,15 К (2567 °С)
Мол. теплота плавления: 13,01 кДж/моль
Мол. теплота испарения: 304,6 кДж/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки: Кубическая гранецентрированая

Наиболее долгоживущие изотопы

Изотоп	Распространённость	Период полураспада	Канал распада	Продукт распада
63Cu	69,15%	стабилен	–	–
64Cu	синт. 12,70 ч	ЭЗ64Ni	β−64Zn
65Cu	30,85%	стабилен	–	–
67Cu	синт. 61,83 ч	β−67Zn

Применение и добыча меди

В виде простого вещества медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). С давних пор широко используется человеком.

В древности медь применялась также в виде сплава с оловом — бронзы — для изготовления оружия и т. п. Бронзовый век пришёл на смену медному, и сплав меди с оловом (бронзу) был получен впервые за 3000 лет до н. э. на Ближнем Востоке. Бронза привлекала людей прочностью и хорошей ковкостью, что делало её пригодной для изготовления различных предметов.

Первоначально медь добывали из малахитовой руды. На Кипре уже в 3 тысячелетии до нашей эры существовали медные рудники и производилась выплавка меди. На территории России и сопредельных стран медные рудники появились за два тысячелетия до н. э. В XIII—XIV вв. освоили промышленную выплавку меди.

В Москве в XV в. был основан Пушечный двор, где отливали из бронзы орудия разных калибров. Много меди шло на изготовление колоколов и других предметов литейного искусства.

Медь: от руды до металла

Латинское название меди Cuprum (древнелат. aes cuprium, aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где было богатое месторождение.

У Страбона медь именуется , от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди (санскр. , готск. , нем. , англ. ) означает руда или рудник.

Нахождение в природе

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.

Медь — золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Наряду с осмием, цезием и золотом, медь — один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Этот цветовой оттенок объясняется наличием электронных переходов между заполненной третьей и полупустой четвёртой атомными орбиталями: энергетическая разница между ними соответствует длине волны оранжевого света. Тот же механизм отвечает за характерный цвет золота.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Существует ряд сплавов меди: латуни — с цинком, бронзы — с оловом и другими элементами, мельхиор — с никелем и другие.

Атомная плотность меди (N0) = (атом/м³).

Получение меди

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз.

Пирометаллургия: Затем обожжённый концентрат подвергают плавке на штейн. В расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезём:

Суликат отделяется.
Штейн подвергается плавке.

Электролиз: Для дальнейшей очистки меди используется электролиз. Образующаяся медь имеет высокую чистоту до 99,99 % и используется для различных целей.
Гидрометаллургия: Метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака, из которых медь вытесняют металлическим железом.

Возможные степени окисления

Диаграмма Пурбе для меди

[Конец статьи]

Химические реакции меди

Медь – это металл, который обладает разнообразными химическими свойствами. Он не вступает в реакцию с водой и не растворяется в разбавленной соляной кислоте. Однако, медь окисляется на влажном воздухе, образуя патину.

Реакции меди с кислотами

Серная кислота

С концентрированной холодной серной кислотой: происходит реакция
С концентрированной горячей серной кислотой: также возможна реакция
С безводной горячей серной кислотой: происходит реакция

Азотная кислота

С концентрированной азотной кислотой: имеется реакция
С разбавленной азотной кислотой: также происходит реакция

Соляная кислота

С концентрированной горячей соляной кислотой: возможна реакция
С разбавленной соляной кислотой в присутствии кислорода: происходит реакция
С разбавленной соляной кислотой в присутствии перекиси водорода: имеется реакция

Реакции меди с другими веществами

Хлор

С газообразным хлороводородом при высоких температурах: возможна реакция
С хлором при комнатной температуре: имеется реакция

Аммиак

С концентрированным гидроксидом аммония: возникает реакция
С раствором аммиака: происходит реакция

Другие реакции

С гидросульфитом натрия: имеется реакция
С оксидами щелочных металлов: происходит реакция

Заключение

Медь обладает разнообразными химическими свойствами и может вступать в реакцию с различными веществами. Понимание этих химических реакций позволяет использовать медь в различных процессах и технологиях.

Растворяется в концентрированных щелочах с образованием комплексов:

Сплавление с щелочами образует купраты металлов
Реакция с азотной кислотой
Реакция с йодоводородной кислотой
Процессы магниетермии и алюминотермии
Восстановление до элементарной меди
Использование оксида меди(II) для получения YBa2Cu3O7-δ
Образование гидроксокомплексов
Другие реакции и применения меди

Соединения меди(III) и меди(IV)

Малоустойчивые степени окисления
Соединения только с кислородом, фтором или комплексами
Получение гексафторкупратов(III) и (IV)
Стабильность комплексов меди(III)
Применение в аналитической химии

Аналитическая химия меди

Обнаружение меди по цвету пламени
Применение в электротехнике
Высокая теплопроводность для охлаждения
Производство труб из меди

Медь имеет широкое применение в различных областях, от химической промышленности до электротехники и производства труб. Ее уникальные свойства делают ее ценным материалом для создания различных изделий.

В связи с высокой механической прочностью и 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.

Сплавы на основе меди

Латунная игральная кость, рядом цинк и слиток меди

Статуэтка, отлитая из бронзы

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые, помимо олова и цинка, могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав пушечной бронзы, использовавшейся для изготовления артиллерийских орудий вплоть до XIX века, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллерийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой пластичности. Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30—40 кгс/мм² у сплавов и 25—29 кгс/мм² у технически чистой меди.

Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости. Медь является важным компонентом твёрдых припоев — сплавов с температурой плавления 590—880 °C , обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения разнообразных металлических деталей, особенно из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей.

Сплавы, в которых медь значима

Повреждённая пожаром дюралюминиевая деталь дирижабля Гинденбург (LZ 129)

Дюраль (дюралюминий) определяют как сплав алюминия и меди (меди в дюрали 4,4 %).

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 механическим воздействиям.

Оксиды меди используются для получения оксида иттрия-бария-меди (купрата) YBa2Cu3O7-δ, который является основой для получения высокотемпературных сверхпроводников. Медь применяется для производства медно-окисных гальванических элементов и батарей.

Другие сферы применения

Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена. Из-за того, что медь является катализатором полимеризации ацетилена (образует соединения меди с ацетиленом), трубопроводы из меди для транспортировки ацетилена можно применять только при содержании меди в сплаве материала труб не более 64 %.

Производство, добыча и запасы меди

По объёму мирового производства и потребления металлов медь занимает третье место после железа и алюминия.

Производство меди в России

Запасы и добыча в России: см. Добыча полезных ископаемых в России#Медь.

Русская медная компания 200 19 %

Современные способы добычи

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её растворения в слабом растворе серной кислоты и последующего выделения металлической (черновой) меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди.

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки — 1450 °C.

С целью окисления сульфидов и железа полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Влияние на экологию

При открытом способе добычи после её прекращения карьер становится источником токсичных веществ. Самое токсичное озеро в мире — Беркли Пит — образовалось в карьере медного рудника.

Продукты, богатые медью.

Метаболизм меди у человека. Поступление в энтероцит с помощью транспортёра CMT1, перенос с помощью ATOX1 в сеть транс-Гольджи, при росте концентрации — высвобождение с помощью АТФ-азы ATP7A в воротную вену. Поступление в гепатоцит, где ATP7B нагружает ионами меди белок церулоплазмин, а избыток выводит в желчь.

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 молекулярный кислород белке гемоцианине. В крови всех головоногих и большинства брюхоногих моллюсков и членистоногих медь входит в состав гемоцианина в виде имидазольного комплекса иона меди, роль, аналогичная роли порфиринового комплекса железа в молекуле белка гемоглобина в крови позвоночных животных.

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.

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении ПДК в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде не должно превышать 1 мг/л (СанПиН 2.1.4.1074-01), однако недостаток меди в питьевой воде также нежелателен. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сформулировала в 1998 году это правило так: «Риски для здоровья человека от недостатка меди в организме многократно выше, чем риски от её избытка».

Излишняя концентрация ионов меди придаёт воде отчётливый «металлический вкус». У разных людей порог органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2—10 мг/л. Естественная способность к такому определению повышенного содержания меди в воде является природным механизмом защиты от приёма внутрь воды с излишним содержанием меди.