Медь
Общие сведения
Медь (купрум, латинское название Cuprum) представляет собой химический элемент одиннадцатой группы с атомным номером 29. Это пластичный переходный металл, который исторически стал первым металлом, освоенным человечеством, ознаменовав переход к энеолиту, или медно-каменному веку. Археологические данные свидетельствуют о раннем использовании и выплавке меди в древних поселениях, таких как Чатал-Хююк, а также в рамках майкопской и афанасьевской культур. Впоследствии человечество перешло к использованию бронзы, сплава меди с оловом. Латинское название элемента происходит от названия острова Кипр, где в древности осуществлялась масштабная добыча медной руды. Греческое наименование металла связывают с городом Халкида. В античной традиции медь ассоциировалась с богиней Венерой, или Афродитой, и считалась женским металлом благодаря своей гибкости и мягкости. В природе элемент представлен двумя стабильными изотопами: на долю изотопа медь-63 приходится около семидесяти процентов, а на изотоп медь-65 — около тридцати процентов. Медь является биологически необходимым элементом для всех высших растений и животных. В крови головоногих моллюсков и членистоногих медь выполняет функцию переноса кислорода, аналогично железу в гемоглобине. В организме человека медь входит в состав множества ферментов и конкурирует с цинком в процессе усвоения в пищеварительном тракте. Как избыток, так и недостаток меди могут оказывать негативное влияние на организм, при этом недостаток признается более критичным состоянием. Присутствие ионов металла в воде придает ей характерный металлический привкус, который человек способен ощущать и который рассматривается как естественная реакция распознавания потенциально токсичных концентраций.
Свойства и характеристики
Медь отличается высокой пластичностью, а также выдающимися показателями теплопроводности и электропроводности, уступая по параметру электропроводности исключительно серебру. В чистом виде, без поверхностной оксидной пленки, металл имеет характерный золотисто-розовый или красный цвет. Медь является одним из немногих металлов, обладающих ярко выраженной собственной окраской, что объясняется электронными переходами в структуре атома между заполненной третьей и полупустой четвертой атомными орбиталями. На воздухе металл быстро покрывается защитной оксидной пленкой, в результате чего приобретает желтовато-красный оттенок. При длительном воздействии углекислого газа и влаги на поверхности образуется дигдроксокарбонат меди зеленого цвета, что часто наблюдается на старинных медных изделиях и архитектурных элементах. В химических соединениях медь чаще всего проявляет степени окисления плюс один и плюс два, которые являются наиболее стабильными, однако в специфических условиях синтезируются комплексы со степенями окисления плюс три, плюс четыре и плюс пять. При взаимодействии с газообразным хлороводородом образуется хлорид меди, с бромоводородом — бромид. Металл растворяется в концентрированном растворе гидроксида аммония с образованием комплексных соединений — аммиакатов. При нагревании в кислороде образуются оксиды: оксид одновалентной меди имеет красно-оранжевый цвет, а стабильный оксид двухвалентной меди отличается черным цветом и разлагается лишь при температуре свыше тысячи ста градусов Цельсия. Соединения одновалентной меди преимущественно белые или бесцветные, тогда как большинство солей двухвалентной меди имеют синюю или зеленую окраску. Важной реакцией является взаимодействие гидроксида двухвалентной меди с водным раствором аммиака, приводящее к образованию реактива Швейцера, который служит растворителем целлюлозы. Кроме того, медь обладает выраженными бактерицидными свойствами, способствуя уничтожению бактерий и некоторых вирусов. В аналитической химии ионы меди определяют по окрашиванию пламени горелки в голубовато-зеленый цвет. В слабокислых растворах медь можно обнаружить путем пропускания сероводорода, что приводит к выпадению характерного осадка сульфида меди.
Нахождение в природе
В природе медь встречается в виде самородков, масса скоплений которых может достигать четырехсот тонн, однако основная добыча ведется из химических соединений. Главным источником сырья является медный колчедан, или халькопирит, представляющий собой сложный сульфид меди и железа. К другим значимым медосодержащим минералам относятся халькозин, борнит, ковеллин, куприт, малахит и азурит. Месторождения медных руд также формируются в осадочных породах, в частности, в медистых песчаниках и сланцах, ярким примером которых служит Джезказганское месторождение. Разведанные мировые запасы меди неуклонно сокращаются: если в начале двадцать первого века они составляли около одного миллиарда тонн, то впоследствии снизились примерно до восьмисот восьмидесяти миллионов тонн. При сохранении текущих высоких темпов потребления существующих запасов может хватить лишь на несколько десятилетий. На мировом рынке уже фиксируется дефицит сырья, что приводит к устойчивому росту цен на данный металл. Крупнейшими мировыми производителями меди являются Чили, Перу, Демократическая Республика Конго, Китай, США, Индонезия, Австралия и Замбия, известная своим африканским медным поясом. На территории Российской Федерации крупные запасы разрабатываются на Урале, в районе Норильска, а также на Удоканском месторождении.
Получение
Основная часть медной руды добывается открытым способом в карьерах. Данный метод наносит существенный ущерб экологии, так как после прекращения добычи карьеры превращаются в источники токсичных веществ. Примером может служить одно из самых токсичных озер в мире, образовавшееся на месте закрытого медного рудника Беркли-Пит. В современной металлургии около девяноста процентов меди получают пирометаллургическим способом, а оставшиеся десять процентов — гидрометаллургическим. Пирометаллургический метод применяется преимущественно для переработки сульфидных руд, где исходное содержание металла может составлять всего около двух процентов. Процесс включает обогащение руды методом флотации, обжиг и плавку с получением штейна. Для связывания оксида железа в расплав добавляют кремнезем, образующий силикатный шлак, который затем удаляется. Оставшийся штейн подвергают бессемеровской плавке в конвертерах с продувкой кислородом, где сульфид меди окисляется до оксида и впоследствии восстанавливается до металлического состояния. Полученная черновая медь содержит около девяноста одного процента основного вещества. Для достижения сверхвысокой чистоты, достигающей уровня 99,99 процента, черновую медь подвергают электролизу. Гидрометаллургический метод основан на растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или растворах аммиака с последующим вытеснением металлической меди из полученного раствора при помощи металлического железа.
Применение
Благодаря крайне низкому удельному сопротивлению, медь является важнейшим материалом в электротехнике. Она повсеместно применяется для изготовления силовых кабелей, проводов, обмоток электродвигателей и силовых трансформаторов. В таких устройствах критически важна высокая чистота металла, поскольку присутствие даже незначительных примесей резко снижает показатели электропроводности. Высокая теплопроводность обуславливает широкое использование меди в производстве теплообменников, радиаторов охлаждения, систем кондиционирования, отопления, а также в компьютерных системах охлаждения. Отличная пластичность позволяет изготавливать из меди бесшовные трубы, которые легко гнутся и широко применяются для транспортировки жидкостей и газов в системах внутреннего водоснабжения и газоснабжения. В архитектурной отрасли тонколистовая медь применяется для создания долговечных кровель и облицовки фасадов, что связано с ее высокой устойчивостью к коррозии. Медь является основой для множества сплавов, включая латунь, бронзу, мельхиор и дюралюминий, находящих применение в судостроении, энергетике и при изготовлении музыкальных инструментов. Выраженные бактерицидные свойства делают металл востребованным в медицинских учреждениях: из меди рекомендуется изготавливать дверные ручки, перила и фурнитуру для предотвращения распространения инфекций. В химической промышленности медь используется как катализатор, в частности, при реакциях полимеризации ацетилена. Вследствие этого медные трубопроводы запрещено применять для прямой транспортировки чистого ацетилена из-за риска образования пластиковых полимерных пробок внутри системы. В пиротехническом производстве соли меди добавляются в горючие смеси для окрашивания пламени в насыщенный синий цвет.