Мідь

Мідь, кýпрум (хімічний знак — Cu, ) — хімічний елемент з атомним номером 29, що належить до 11-ї групи, 4-го періоду періодичної системи хімічних елементів.

Проста речовина — мідь. Це пластичний ковкий перехідний метал червонувато-золотистого кольору (рожевий за відсутності оксидної плівки), добрий провідник тепла і електрики. Цей метал людство використовує віддавна.

Походження назви Українське слово «мідь» походить від . Слов'янське *mědь «мідь» не має чіткої етимології, можливо, споконвічне слово. Були запропоновані такі версії: Одна з версій вважає це слово запозиченням з германських мов і пов'язує його з («метал») і smid («коваль»), дав.-ісл. smiðr («ремісник», «коваль»), і («коваль»). Друга припускає питомо словʼянське походження, пов'язуючи його зі («темний»). Третя виводить назву металу від назви стародавньої країни Мідії (іранське Мāda-, ). Четверта порівнює словʼянське слово з хеттськ. miti-, mita- («червоний»). Тобто, буквально — «червоний метал». Інші версії звʼязують «мідь» з («ніж для вирізування») або з («руда, метал»).

Латинська назва міді cuprum, «купрум» бере своє походження від назви острова Кіпр (, у латинській передачі ‎Kúpros), де у давнину існував широкий промисел мідних предметів.

Алхіміки звали мідь словом Venus («Венера»), пов'язуючи її з планетою Венера.

Загальні відомості

Густина 8,940 г/см3. tпл 1084,5 °С; tкип 2567 °С. Твердість за Моосом — 2,5-3. Хімічно малоактивна, але на повітрі завжди вкрита шаром оксидів або основного карбонату. Домішки: Ag, As, Fe, Bi, Sb, Hg, Ge. Взаємодіє з галогенами, сіркою, селеном, утворює комплексні сполуки з ціанідами і ін. Солі одновалентної міді у воді або нерозчинні, або якщо не стабілізуються комплексоутворенням диспропорціонують. Наприклад:

або більш загально в іонній формі:

Стабілізовані комплексоутворенням сполуки одновалентної міді ([Cu(NH3)2]+, [Cu(Г)2]- де Г — галоген (крім F) або ціанід-іон) легко окиснюються до сполук двовалентної міді, яку використовують для очищення газів від кисню: їх пропускають через водний розчин амоніаку з порошком міді, при цьому поверхневий шар оксиду розчиняється і мідь вільно окиснюється. На практиці поведінку амоніачних розчинів оксидів міді можна спостерігати поклавши круглу мідну пластинку (монету) у прозору посудину з водним розчином амоніаку так, щоб розділити розчин на дві частини. У верхній частині, завдяки доступу кисню, розчин забарвиться в темно-синій колір сполуками двовалентної міді, в нижній сполуки двовалентної міді прореагують з металевою міддю з утворенням безбарвних сполук одновалентної міді, тому розчин буде світлішим або безбарвним.

Солі двовалентної міді добре розчинні у воді і в розбавлених розчинах повністю дисоційовані. Кларк міді 4,7·10−3 % за масою. В основних гірських породах її середній вміст трохи вищий (10−2). Мідь характерна для основного і кислого магматизму. При першому вона концентрується в магматичних і скарнових родовищах і поствулканічних колчеданних рудах. У звʼязку з гранітним магматизмом формуються мідно-порфірові і жильні родовища.

Історія

Початок мідної доби поклало освоєння людьми техніки гарячого кування і литва, якому багато сприяло поширення гончарного виробництва. Печі й керамічні форми для відливання дали можливість освоїти методи переробки самородної міді. Сталося це на Близькому Сході приблизно у IV тисячолітті до н. е., в Європі і Китаї в II—III тисячолітті до н. е., а в Перу на початку I тисячоліття до н. е.

Наступний етап розвитку технологій настав вже наприкінці III тисячоліття до н. е., коли була відкрита можливість отримання металів не лише з руди. У зв'язку з відносною простотою отримання з руди і порівняно невисокою температурою плавлення мідь — найперший метал, який був освоєний людиною. Одночасно, найімовірніше випадково, було встановлено, що, якщо в тигель, де плавиться мідь, додати трохи олова і цинку якість отриманого матеріалу суттєво покращиться.

На початку II тисячоліття до нашої ери мідь стала замінюватися бронзою. Приблизно у цю ж пору з'явилися й перші залізні вироби, але мʼяке залізо (не придатне до лиття, оскільки вимагало надмірно високих температур), як матеріал для зброї і сільськогосподарських знарядь, не могло конкурувати з бронзою, — бронзова доба тривала ще 1000 років, аж до освоєння технологій навуглецьовування, гартування і зварювання сплавів заліза.

І пізніше бронза зберігала свою роль, тому що перевершувала залізо в технологічності, — якщо форму залізному виробу можна було надавати лише куванням (тому навіть старовинні цвяхи мали квадратний перетин), то бронзові знаряддя можна було виливати. З XV століття бронза знову стала стратегічним матеріалом, оскільки виявилося, що вона незамінна для виготовлення гармат.

Мідь і її сплави з глибокої давнини служили для карбування монет і медалей.

Мінерали міді

Відомо 170—200 мінералів міді, але промислове значення мають близько 20. До них належать: самородна мідь Cu (92 %), халькопірит (мідний колчедан) CuFeS2 (34,6 %), борніт Cu5FeS4(63,3 %), кубаніт CuFe2S3 (22–24 %), халькозин Cu2S (79,9 %), ковелін (мідний блиск) CuS (66,5 %), тенантит 3Cu2S·As2S3 (57,5 %), тетраедрит 3Cu2S·Sb2S3 (52,3 %), енаргіт Cu3AsS4, куприт Cu2O (88,8 %), тенорит CuO (79,9 %), малахіт CuCO3·Cu(OH)2 (57,4 %), азурит 2 CuCO3·Cu(OH)2 (55,3 %), халькантит Cu[SO4]•5H2O (31,8 %), брошантит CuSO4·3Cu(OH)2 (56,2 %), атакаміт CuCl2·3Cu(OH)2 (59,5 %), хризокола CuSiO3·nH2O (36,6), делафосит CuFeO2, ендрюсит та ін.

Сульфіди міді (халькопірит, халькозин, борніт, лаутит) є найголовнішими в її рудах; підлегле значення мають сульфосолі (бляклі руди) і сульфоарсеніди (енаргіт); ще менше — оксиди, карбонати і силікати (див. мідні руди).

Виробництво міді

Отримання міді Мідь отримують з мідних, мідно-молібденових, мідно-нікелевих і поліметалічних руд. Заводи випускають чорнову (99 %), рафіновану вогневим (99,6 % Cu) і електролітичним (99,95 % Cu) методами мідь.

Процес добування міді включає три основні етапи: збагачення мідної руди; виплавка чорнової міді; рафінування міді.

Враховуючи дуже малий вміст міді в рудах (1–2 %), руду спочатку збагачують флотаційним способом. Розмелену руду змішують з флотаційними реагентами піноутворювачами та водою і продувають пульпу повітрям. Пухирці повітря прилипають до зерен рудних мінералів, спливають і утворюють піну, а пуста порода, яка добре змочується водою, опускається на дно.

Після фільтрації піни та просушування отримують концентрат з вмістом 10–35 % міді. Для зменшення вмісту сірки збагачену руду піддають окислювальному випалу при температурі 600—900 °C. Після цього руда поступає в полуменеві печі з температурою в зоні плавки 1450 °C, де відбувається дисоціація вищих сульфідів і карбонатів. Продукти дисоціації сплавляють між собою, утворюючи штейн — легкоплавкий сплав з температурою плавлення 900—1150 °C і вмістом 10–60 % Cu, 10–58 % Fe, 22–25 % S. Крім того, штейн містить домішки нікелю, цинку, свинцю, золота, срібла. Виплавка чорнової міді відбувається в горизонтальних конверторах з боковим дуттям продувкою штейну повітрям. Температура в конвертері становить 1200—1300 °C. Спочатку окислюється залізо:

Оксид заліза в вигляді шлаку спливає на поверхню і зливається. У другий період продування:

Закис міді розчиняється в розплаві та взаємодіє з напівсірчистою міддю з утворенням чорнової міді:

Тепло в конвертері виділяється за рахунок перебігу хімічних реакцій, без подавання палива. Таким чином, в конвертері отримують чорнову мідь, що містить 98,5–99,5 % Cu; 0,3–0,5 % S; 0,01–0,04 % Fe; 0,3–0,5 % Ni.

Рафінування чорнової міді проводять вогневим (окислення домішок при продуванні розплаву повітрям), або електролітичним способом за рахунок електролізу в водному розчині сірчаної кислоти та мідного купоросу. При проходженні струму анодні плити чорнової міді розчиняються і на катодах осаджується чиста електролітична мідь, а домішки випадають на дно ванни.

Найбільше міді добувають у Чилі. На долю цієї країни припадає третина світового виробництва. Далі за видобутком йдуть США, Індонезія та Перу.

Маркування промислової міді Марки промислової міді та її хімічний склад визначається в ДСТУ ГОСТ 859—2003ГОСТ 859—2001 Мідь. Марки.. Скорочена інформація про марки міді та аналоги у зарубіжних стандартах наведена нижче:

Марки мідіEN, DINCu, %O, %P, %М00Cu-OFE99,960,030,0005М0Cu-PHC, OF-Cu99,93*0,040,002М1бCu-OF1, Cu-ETP199,95*0,0030,002М1Cu-OF, Cu-ETP, Cu-FRHC, SW-Cu, E-Cu, E Cu5899,90*0,05 -М1фCu-DHP, SF-Cu99,90* -0,012 — 0,04М299,7*0,07 -М399,5*0,08 - Прим. *Cu+Ag, не менше.

Специфічні особливості міді, що властиві різним маркам, визначаються не вмістом міді (відмінності складають не більше 0,5 %), а вмістом конкретних домішок (їх кількість може відрізнятися у 10–50 разів). Часто використовують класифікацію марок міді за вмістом кисню: безкиснева мідь: М00б, М0б з вмістом кисню до 0,001 % і М1б до 0,003 %; рафінована мідь (М1ф, М1р, М2р, М3р) з вмістом кисню до 0,01 %, але з підвищеним вмістом фосфору; мідь високої чистоти (М00, М0, М1) з вмістом кисню 0,03–0,05 %; мідь загального призначення (М2, М3) з вмістом кисню до 0,08 %.

Сортамент промислового постачання Промислова мідь постачається після наступних видів обробки тиском: холоднодеформований прокат — це тягнені (прутки, дріт, труби) і холоднокатані (листи, стрічка, фольга) вироби. Він випускається в твердому, напівтвердому і мʼякому (відпаленому) станах; гарячедеформований прокат — результат пресування (прутки, труби) або гарячого вальцювання (листи, плити), при температурах вище температури рекристалізації (150—240 °C);

Сортамент промислової міді наступний: Мідні прутки — випускаються пресованими (20–180 мм) і холоднодеформовані, в твердому, напівтверді і мʼякому станах (діаметр 3–50 мм) за ДСТУ ГОСТ 1535^2006ДСТУ ГОСТ 1535:2007 Прутки мідні. Технічні умови.. Плоский мідний прокат загального призначення випускається у вигляді фольги, стрічки, листів і плит з ДСТУ ГОСТ 1173:2006ДСТУ ГОСТ 1173:2007 Фольга, стрічки, листи та плити мідні. Технічні умови.. Фольга мідна — холоднокатана: 0,05–0,1 мм (випускається тільки в твердому стані) Стрічки мідні — холоднокатані: 0,1–6 мм. Листи мідні — холоднокатані: 0,2–12 мм і гарячекатані: 3–25 мм (механічні властивості регламентуються до 12 мм). Плити мідні — гарячекатані: понад 25 мм (механічні властивості не регламентуються). Мідні труби загального призначення виготовляються холоднодеформованими (в мʼякому, напівтверді і твердому станах) і пресованими (великих перерізів) за ДСТУ ГОСТ 617:2007ДСТУ ГОСТ 617:2007 Труби мідні та латунні круглого перерізу загальної призначеності. Технічні умови..

Властивості міді

Хімічні властивості Мідь — малоактивний метал, в електрохімічному ряду напруг вона стоїть правіше за водень. Вона не взаємодіє з водою, розчинами лугів, соляною і розведеною сірчаною кислотою. Проте в кислотах — сильних окислювачах (наприклад, у азотній і концентрованій сірчаній) — мідь розчиняється:

Чиста мідь має достатньо високу стійкість до корозії: продукти окиснення утворюють при звичайній температурі лише тонкий поверхневий шар. В сухому повітрі це оксиди міді (червоний Cu2O непомітний, чорний CuO призводить до потемніння), у вологій атмосфері, що містить вуглекислий газ, мідь покривається зеленуватим нальотом основного карбонату міді:

В сполуках мідь може проявляти ступені окиснення +1, +2 і +3, з яких +2 — найбільш характерний і стійкий. Мідь(II) утворює стійкий оксид CuO і гідроксид Cu(OH)2. Цей гідроксид амфотерний, добре розчиняється у кислотах і в концентрованих лугах:

Солі міді (II) знайшли широке застосування в народному господарстві. Особливо важливим є мідний купорос — кристалогідрат сульфату міді(II) CuSO4.

Механічні властивості Механічні властивості чистої міді (у мʼякому стані) наступні: умовна границя текучості σ0,2 = 70 МПа; границя міцності σв = 200 МПа; відносне видовження після руйнування при розтягування δ = 35–40 %; твердість за шкалою Брінелля 40 HB; модуль Юнга E = 110—128 МПа; модуль зсуву G = 48 МПа.

Застосування