Медь

Конфигурация внешней электронной оболочки атома меди 3d¹⁰ 4s¹ ; в соединениях проявляет степени окисления +1 и +2 (наиболее типична), редко +3; электроотрицательность по Полингу 1,9; энергии ионизации Cu₀ →Cu⁺ →Cu²⁺ →Cu³⁺ соответственно равны 745,5, 1957,9 и 3555,0 кДж/моль; атомный радиус 135 пм (эмпирический). Ионные радиусы в пм (в скобках указаны координационные числа): Cu⁺ 74 (4); 91 (6); Cu²⁺ 71 (4); 87 (6); Cu³⁺ 68 (6).

В компактном виде медь – ковкий и пластичный металл розовато-красного цвета с характерным металлическим блеском, при просвечивании в тонких слоях – зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решётка гранецентрированная кубическая; t_пл 1084,62 °C; t_кип 2567 °C, плотность 8920 кг/м³ (20 °С). Наиболее важные используемые свойства меди: высокая теплопроводность – 400 Вт/(м·К), малое удельное электрическое сопротивление – 1,7·10^–8 Ом·м (при 20 °С). Температурный коэффициент линейного расширения 16,5·10^–6 К^–1 . Медь диамагнитна, удельная магнитная восприимчивость –0,086·10^–9 м³ /кг. Твёрдость по Бринеллю 450–1100 МПа, предел прочности при растяжении около 200 МПа, относительное удлинение 60 %, модуль упругости 110–130 ГПа. Небольшие примеси Bi и Pb вызывают красноломкость меди; S и кислорода – хладноломкость; примеси P, As, Al, Fe уменьшают электрическую проводимость меди; растворённый в меди водород существенно ухудшает её механические свойства.

Медь химически малоактивна. Компактный металл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует; в присутствии паров воды, CO₂ и SO₂ на поверхности меди образуется зеленоватый налёт (патина) основных солей – карбонатов CuCO₃ ·Cu(OH)₂ и сульфатов CuSO₄ ·3Cu(OH)₂ . При нагревании меди на воздухе идёт поверхностное окисление: при температуре ниже 375 °С образуется CuO, в интервале 375–1100 °С – двухслойная окалина (в поверхностном слое находится CuO, во внутреннем – Cu₂ O). В присутствии влаги хлор взаимодействует с медью уже при комнатной температуре, образуя дихлорид CuCl₂ , хорошо растворимый в воде. Медь взаимодействует с другими галогенами (образуя галогениды CuHal₂ и CuHal, где Hal – F, Cl, Br, I), с серой и с селеном, горит в парах серы. С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твёрдой меди незначительна (0,06 мг в 100 г меди при 400 °С). При пропускании NH₃ над раскалённой медью образуется CuN₃ . При высокой температуре медь подвергается воздействию оксидов азота: NO, N₂ O (с образованием Cu₂ O) и NO₂ (с образованием CuO). Карбиды Cu₂ C₃ и CuC₂ получают действием ацетилена на аммиачные растворы солей меди. С большинством металлов медь образует твёрдые растворы или интерметаллиды. Медь вытесняется из солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используют железо) и не растворяется в неокисляющих кислотах. В азотной кислоте медь растворяется, образуя Cu(NO₃ )₂ и оксиды азота, в горячей концентрированной H₂ SO₄ – c образованием CuSO₄ и SO₂ . Соли Cu(I) бесцветны, практически нерастворимы в воде, легко окисляются, склонны к диспропорционированию ${\displaystyle {{\ce {2Cu^{+}-> Cu^{2+}+ Cu^{0}}}}}$. Соли Cu(II) хорошо растворяются в воде, в разбавленных кислотах полностью диссоциированы. Гидратированные ионы Cu²⁺ окрашены в голубой цвет. Соли Cu(I) и Cu(II) с рядом молекул и ионов образуют многочисленные устойчивые комплексные соединения, например (NH₄ )[CuBr₃ ], K₃ [Cu(CN)₄ ], K₂ [CuCl₄ ]. Путём образования комплексных соединений можно перевести в раствор многие нерастворимые соли Cu. Медь входит в состав различных медьорганических соединений.

Медь – необходимый для поддержания жизни растений и животных микроэлемент. В биохимических процессах медь участвует в качестве активатора или в составе медьсодержащих белков (например, церулоплазмина) и ферментов (например, цитохромоксидазы). Количество меди в растениях – около 10^–4 –5·10^–2 % (на сухое вещество), зависит от вида растения и содержания меди в почве. Очень богаты медью некоторые беспозвоночные (например, моллюски – 0,15–0,26 % меди; у большинства из них кислород переносится не гемоглобином, а более эффективными в средах с пониженным содержанием кислорода медьсодержащими белками – гемоцианинами). В организме взрослого человека содержится около 100 мг меди (наибольшая концентрация в печени – около 5 мг на 100 г сухой массы). Суточная потребность составляет 3–5 мг. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах – стимулируют кроветворную функцию костного мозга, влияют на обмен углеводов, минеральных веществ. При дефиците меди в организме развивается анемия, нарушается образование костей и соединительной ткани; избыточное накопление меди вызывает нарушения функций печени, дыхательных путей, почечную недостаточность и др.

Все соли меди токсичны; раздражают слизистые оболочки, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевания печени. При вдыхании пыли меди развивается хроническое отравление.

Бо́льшую часть металлической меди получают из сульфидных руд, которые, как правило, содержат 0,5–1,2 % меди. Размолотую руду подвергают флотационному обогащению; полученный концентрат содержит до 15 % меди. Основным методом извлечения меди из концентратов является пирометаллургический, в котором после обогащения концентрат подвергают окислительному обжигу при 1400 °С:

${\displaystyle CuFeS_{2}+O_{2}=Cu_{2}S+2FeS+SO_{2}}$;

${\displaystyle 2FeS+3O_{2}=2FeO+2SO_{2}}$.

При обжиге удаляют избыточное количество S в форме газов, содержащих 5–8 % SO₂ и используемых для производства H₂ SO₄ . Обжиг проводят в печах в кипящем слое с применением дутья, обогащённого O₂ (24–26 % O₂ ), без затрат углеродистого топлива. Затем обожжённый концентрат подвергают плавке (в печах отражательного типа) на штейн, при этом в расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезём:

${\displaystyle FeO+SiO_{2}=FeSiO_{3}}$.

Образующийся шлак – FeSiO₃ – всплывает, и его удаляют из печи непрерывно. Оставшийся на дне штейн (сплав Cu₂ S, FeS и сульфидов других металлов, обогащённый Cu₂ S) подвергают кислородной плавке в конвертере; при этом оставшийся сульфид железа FeS окисляется до оксида и в результате добавления кремнезёма выводится из процесса в виде FeSiO₃ . Сульфид меди Cu₂ S частично окисляется до оксида Cu₂ O. В конвертере (без дутья) происходит взаимодействие Cu₂ O и Cu₂ S, оставшихся в расплаве:

${\displaystyle 2Cu_{2}O+Cu_{2}S=6Cu+SO_{2}}$.

Получаемая «черновая» медь содержит 90–95 % основного компонента и подлежит дальнейшей очистке методом огневого рафинирования путём окисления примесей различных металлов. Из получаемой «красной» меди (95–98 % основного компонента) отливают аноды, используемые для электролитического рафинирования меди. В качестве электролита используют водный раствор медного купороса CuSO₄ ; катодом служат тонкие листы из чистой меди. В процессе электролиза высокочистая «электролитическая» медь (99,99 %) осаждается на катодах, примеси собираются в виде анодного шлама, который содержит ценные примеси – металлические Ag, Au, Pt, а также значительные количества халькогенидов меди Cu₂ S, Cu₂ Se, Cu₂ Te, подлежащих промышленной переработке.

Наряду с пирометаллургическим методом получения меди, большое значение имеют гидрометаллургические методы (особенно для бедных окисленных и самородных руд), основанные на избирательном растворении медьсодержащего сырья в разбавленных растворах H₂ SO₄ или NH₃ с последующим выделением меди из раствора (электролитическим способом или осаждением железом). Большое значение имеет переработка вторичного сырья, из которого в ряде стран получают более 30 % производимой меди. Мировое производство меди 25,3 млн т/год (2020).

Использование меди в промышленности связано в первую очередь с её высокими тепло- и электропроводностью, пластичностью. До 50 % меди применяется в электротехнике (изготовление проводов, кабелей, шин, контактов и других токопроводящих частей электрических установок). Все примеси понижают электропроводность меди, поэтому в электротехнике используют металл, содержащий не менее 99,99 % основного компонента. Высокие теплопроводность и антикоррозионные свойства позволяют изготавливать из меди детали теплообменников, криогенных установок, вакуумных аппаратов и др. Более 30 % меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых – бронзы, латуни, мельхиор. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Около 10–12 % меди (главным образом в виде солей) используется для приготовления красок, инсектофунгицидов, микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, в медицине (антисептические и вяжущие средства), а также в кожевенной и меховой промышленности, в производстве искусственного шёлка. Медь и её сплавы используются для изготовления монет, украшений, утвари, кованых, литых и других художественных изделий.