1-й
|
2-й
|
3-й
|
4-й
|
5-й
|
6-й
|
7-й
|
8-й
|
7,72
|
20,29
|
36,83
|
58,9
|
82
|
106
|
140
|
169
|
|
Заполненная
d-оболочка
меди менее эффективно экранирует s-электрон
от ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди
выше, чем у щелочных металлов. Так как в образовании металлической связи
принимают участие и электроны d-оболочки, теплота
испарения и температура плавления меди значительно выше, чем у щелочных
металлов, что обусловливает более «благородный» характер меди по сравнению с
последними. Второй и третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных
металлов, что в значительной степени объясняет проявление свойств меди как
переходного элемента, который в степени окисления II
и III
имеет парамагнитные свойства окрашенных ионов и комплексов. Медь(I)
также образует многочисленные соединения по типу комплексов переходных металлов
(табл. 1).
Таблица 1
Состояние окисления и
стереохимия соединений меди.
Состояние
окисления
|
Координационное
число
|
Геометрия
|
Примеры
соединений
|
Cu(I) d10
|
2
|
Линейная
|
Cu2O
|
3
|
Плоская
|
K[Cu(CN)2]
|
4
|
Тетраэдр
|
Cu(I)
|
Cu(II) d9
|
4
|
Тетраэдр (искажённый)
|
5
|
Тригональная бипирамида
|
[Cu(Dipy)2I]+
|
5
|
Квадратная пирамида
|
[Cu(ДМГ)2]2(тв)
|
4
|
Квадрат
|
CuO
|
6
|
Октаэдр (искажённый)
|
K2CuF4, CuCl2
|
Cu(III) d8
|
4
|
Квадрат
|
KCuO2
|
6
|
Октаэдр
|
K3CuF6
|
П р и м е ч а н
и е. Dipy – дипиридил;
ДМГ – диметилглиоксим.
3. Распространение
в природе.
Среднее
содержание меди в земной коре 4,7-10-3 % (по массе), в нижней части
земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10-2 %), чем
в верхней (2-10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые
изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и
в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные
сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных
минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также
самородная медь, карбонаты и окислы.
Медь - важный
элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее
содержание меди в живом веществе 2-10-4 %, известны организмы -
концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного климата медь
сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается
дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках
и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными
растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается её
избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.
В речной воде
очень мало меди, 1-10-7 %. Приносимая в океан со стоком медь
сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько
обогащены медью (5,7-10-3 %), а морская вода резко недосыщена медью
(3-10-7 %).
В морях прошлых
геологических эпох местами происходило значительное накопление меди в илах,
приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в Германии). Медь
энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано
накопление руд меди в песчаниках.
Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют
промышленное значение.
Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное
значение имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется
медный колчедан (халькопирит) CuFeS2. В природе он встречается
главным образом в смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si, Al, Ca и др. Часто сульфидные руды
содержат примеси благородных металлов (Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных
элементов (Ge и др.).
Содержание меди в руде обычно
составляет 1—5%, но благодаря легкой флотируемости халькопирита его можно
обогащать, получая концентрат, содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее
крупные запасы медных руд сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане,
Средней Азии, Африке (Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).
4. 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).
В мировой
практике 80 % меди извлекают из концентратов пирометаллургическими методами,
основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие
большего родства 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 подачи 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
меди 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 медь 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 медь 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.
Наряду с пирометаллургическими
применяют также гидрометаллурги-ческие 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.
5. Физические свойства.
Техническая медь — металл красного, в изломе розового цвета,
при просвечивании в тонких слоях — зеленовато-голубой. Имеет
гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,36074 нм,
плотность 8,96 кг/м3 (20° С). Ионные радиусы меди (в нм) приведены
ниже:
|
По Белову и Бокию
|
По Гольдшмидту
|
По Полингу
|
Cu+
|
0,098
|
0,095
|
0,096
|
Cu2+
|
0,080
|
0,070
|
—
|
Основные физические свойства меди
Температура
плавления, °С 1083
Температура
кипения, °С 2600
Теплота
плавления, кДж/г-ат. 0,7427
Теплота
испарения, кДж/г-ат. 17,38
Удельная
теплоемкость, Дж/(г.град) (20°С)
0,022
Теплопроводность,
Дж/(м.град.с) (20°С)
2,25-10-3
Электрическое
сопротивление, Ом.м (20°С)
1,68-Ю-4
Удельная
магнитная восприимчивость, 0,086.10-6
абс.
эл.-магн. ед./г (18 °С)
Медь — вязкий, мягкий и ковкий
металл, уступающий только серебру высокой теплопроводностью и
электропроводностью. Эти качества, а также пластичность и сопротивление
коррозии обусловили широкое применение меди в промышленности.
6. Химические свойства.
Медь — электроположительный металл. Относительную устойчивость
ее ионов можно оценить на основании следующих данных:
Cu2+ + e → Cu+ E0 = 0,153 B,
Сu+ + е → Сu0 E0 = 0,52 В,
Сu2+ + 2е → Сu0 E0 = 0,337 В.
Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными
элементами и не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь
растворяется в азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в
горячей конц. H2SO4 — с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь растворяется только при продувании
через раствор воздуха.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов
меди в водных растворах по отношению к водородному электроду при 25° С
приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы
ионов меди.
EL В
|
HCuO2- + ЗН+ + е = Сu+ + 2Н2О
|
1,73
|
CuO22- + 4Н+ + е = Сu+ + 2Н2О
|
2,51
|
HCuO2- + ЗН+ + 2е = Сu0 + 2Н2О
|
1,13
|
СuО22- + 4Н+ + 2е = Сu0 + 2Н2О
|
1,52
|
2Сu2+ + Н2О + 2е = Сu2О + 2Н+
|
0,20
|
2НСuО2- + 4Н+
+ 2е = Сu2О + ЗН2О
|
1,78
|
2CuO22- + 6Н+ +2е = Сu2О + ЗН2О
|
2,56
|
СuО + 2Н+ + е = Сu+ + Н20
|
0,62
|
Сu2+ + Вr - + е = СuВr
|
0,64
|
Сu2+ + Сl- + е = CuCl
|
0,54
|
Сu2+ + I- + е = CuI
|
0,86
|
Cu(NH3)42+
+ е = Cu(NH3)2+
+ 2NH3
|
-0,01
|
Cu(NH3)2+ + е = Сu0 + 2NH3
|
-0,12
|
Cu(NH3)42+
+ 2e = Cu0 + 4NH3
|
-0,07
|
Химическая активность меди невелика,
при температурах ниже 185°С с сухим воздухом и кислородом не реагирует. В
присутствии влаги и СО2 на поверхности меди образуется зеленая
пленка основного карбоната. При нагревании меди на воздухе идет поверхностное
окисление; ниже 375°С образуется СuО, а в интервале 375—1100°С при неполном окислении меди — двухслойная
окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с
медью уже при комнатной температуре, образуя хлорид меди(II), хорошо растворимый в воде. Медь
реагирует и с другими галогенами.
Особое сродство проявляет медь к сере: в парах серы она
горит. С водородом, азотом, углеродом медь не реагирует даже при высоких
температурах. Растворимость водорода в твердой меди незначительна и при 400°С
составляет 0,06 г в 100 г меди. Присутствие водорода в меди резко ухудшает ее
механические свойства (так называемая "водородная болезнь"). При
пропускании аммиака над раскаленной медью образуется Cu2N. Уже при температуре каления медь подвергается воздействию
оксидов азота: N2O и NO взаимодействуют с образованием Сu2О, a NO2 — с образованием СuО. Карбиды Сu2С2 и СuС2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные
растворы солей меди. Окислительно-восстановительные равновесия в растворах
солей меди в обеих степенях окисления осложняются легкостью
диспропорционирования меди(I) в
медь(0) и медь(II), поэтому комплексы меди(I) обычно образуются только в том
случае, если они нерастворимы (например, CuCN и Cul) или если связь
металл—лиганд имеет ковалентный характер, а пространственные факторы
благоприятны.
Исследование комплексных соединений меди(П) может быть проведено
методами протонного резонанса и ЭПР. Большое число работ по ЭПР комплексных
соединений меди(II) обусловлено устойчивостью
этого состояния окисления меди и относительно узкими линиями спектра ЭПР
меди(П) в широком интервале температур.
Спектры ЭПР комплексов меди(II) в растворах часто имеют хорошо разрешенную сверхтонкую
структуру из четырех линий от ядер 63 Сu и 65Сu, ядерный спин которых 3/2.Так
как магнитные моменты ядер 63Сu и 65Сu несколько различаются, то в случае
узких линий сверхтонкой структуры, например для серосодержащих комплексов, в
спектрах ЭПР видны разрешенные линии от ядер 63Сu и 65Сu. При интерпретации спектров
ЭПР необходимо учитывать сосуществование в растворах, как правило, нескольких
комплексов. Ниже кратко рассматриваются химические свойства меди в различных
степенях окисления.
Медь(I). Комплексы меди(I) обычно имеют (в зависимости от природы
лиганда) линейное или тетраэдрическое строение. Ионы меди(I) содержат десять 3d-электронов и обычно образуют четырех
координированные тетраэдрические структуры типа [CuCl4]3-. Однако с сильноосновными
высокополяризованными или легко поляризующимися лигандами медь(I) образует двухкоординированные
линейные комплексы.
В соединениях меди(I) ион имеет конфигурацию 3d'°, поэтому они диамагнитны и бесцветны. Исключение составляют случаи,
когда окраска обусловлена анионом или поглощением в связи с переносом заряда.
Относительная устойчивость ионов Сu+ и Сu2+ определяется природой анионов или
других лигандов. Примерами устойчивого в воде соединения меди(I) являются малорастворимые CuCl и CuCN, соли Cu2SO4 и других оксоанионов можно получить
в неводной среде. В воде они быстро разлагаются, образуя медь металлическую и
соли меди(I). Неустойчивость солей меди(I) в воде обусловлена отчасти
повышенными значениями энергии решетки и энергии сольватации для иона меди(П),
вследствие чего соединения меди(I) неустойчивы.
Оксид меди(I) Сu2О красного цвета, незначительно
растворяется в воде. При взаимодействии сильных щелочей с солями меди(I) выпадает желтый осадок, переходящий
при нагревании в осадок красного цвета, по-видимому, Cu2O. Гидроксид меди(I) обладает слабыми основными свойствами, он несколько растворим в
концентрированных растворах щелочей.
Медь(II). Двухзарядный положительный ион меди
является ее наиболее распространенным состоянием. Большинство соединений меди(I) очень легко окисляется в соединения
двухвалентной меди, но дальнейшее окисление до меди(Ш) затруднено.
Конфигурация 3d9 делает ион меди(II) легко деформирующимся, благодаря
чему он образует прочные связи с серосодержащими реагентами (ДДТК,
этилксантогенатом, рубеановодородной кислотой, дитизоном). Основным
координационным полиэдром для двухвалентной меди является симметрично
удлиненная квадратная бипирамида. Тетраэдрическая координация для меди(П)
встречается довольно редко и в соединениях с тиолами, по-видимому, не
реализуется.
Большинство комплексов меди(II) имеет октаэдрическую структуру, в которой четыре
координационных места заняты лигандами, расположенными к металлу ближе, чем
два других лиганда, находящихся выше и ниже металла. Устойчивые комплексы меди(II) характеризуются, как правило,
плоскоквадратной или октаэдрической конфигурацией. В предельных случаях
деформации октаэдрическая конфигурация превращается в плоскоквадратную.
Большое аналитическое применение имеют внешнесферные комплексы меди.
СuО встречается в природе и
может быть получен при накаливании металлической меди на воздухе, хорошо
растворяется в кислотах, образуя соответствующие соли.
Гидроксид меди(II) Сu(ОН)2 в виде
объемистого осадка голубого цвета может быть получен при действии избытка
водного раствора щелочи на растворы солей меди(II). ПР(Сu(ОН)-) = 1,31.10-20. В воде этот осадок
малорастворим, а при нагревании переходит в СuО, отщепляя молекулу воды. Гидроксид меди(II) обладает слабо выраженными
амфотерными свойствами и легко растворяется в водном растворе аммиака с
образованием осадка темно-синего цвета. Осаждение гидроксида меди происходит
при рН 5,5.
Последовательные значения констант гидролиза для ионов меди(II) равны: рК1гидр
= 7,5; рК2гидр = 7,0; рК3гидр =
12,7; рК4гидр = 13,9. Обращает на себя внимание необычное
соотношение pK1гидр > рК2гидр.
Значение рК = 7,0 вполне реально, так как рН полного осаждения Сu(ОН)2 равно 8—10. Однако
рН начала осаждения Сu(ОН)2 равно 5,5,
поэтому величина рК1гндр = 7,5, очевидно, завышена. Гидролиз
ионов меди(II) в водных растворах
протекает по схеме:
Сu2+ + n Н20 = Cu(OH)n2-n + n Н+; (n = 1; 2).
1-я и 2-я константы гидролиза
равны 109 и 1017 соответственно и не зависят от
концентрации меди в пределах 4-1 0"4 — 1 М.
Медь(III). Доказано, что медь(III) с конфигурацией 3d8 может существовать в
кристаллических соединениях и в комплексах, образуя анионы — купраты. Купраты
некоторых щелочных и щелочноземельных металлов можно получить, например, нагреванием
смеси оксидов в атмосфере кислорода. КСuО2 — это диамагнитное соединение голубовато-стального цвета.
При действии фтора на смесь КСl и СuСl2 образуются светло-зеленые кристаллы
парамагнитного соединения К3СuF6.
При окислении щелочных растворов меди(II), содержащих периодаты или
теллураты, гипохлоритом или другими окислителями образуются диамагнитные
комплексные соли состава K7[Cu(IO6)2].7H2O. Эти соли являются сильными окислителями и при подкислении
выделяют кислород.
Соединения меди(Ш). При действии спиртового раствора щелочи и
пероксида водорода на охлажденный до 50° спиртовой раствор хлорида меди(II) выпадает коричнево-черный осадок
пероксида меди СuО2. Это соединение
в гидратированной форме можно получить при действии пероксида водорода на
раствор соли сульфата меди, содержащего в небольших количествах Na2CO3. Суспензия Сu(ОН)2
в растворе КОН взаимодействует с хлором, образуя осадок Сu2О3 красного цвета,
частично переходящий в раствор.
7. Применение.
Большая
роль меди в технике обусловлена рядом её ценных свойств и, прежде всего высокой
электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью. Благодаря этим свойствам
медь - это основной материал для проводов; свыше 50 % добываемой меди применяют
в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность
меди, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не
менее 99,9 % Cu. Высокие теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют
изготовлять из меди ответственные детали теплообменников, холодильников,
вакуумных аппаратов и т. п. Около 30-40 % меди используют в виде различных
сплавов, среди которых наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 %
Zn) и различные виды бронз; оловянистые,
алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. (подробнее см. Сплавы меди).
Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество меди
(главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных
пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве
микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и
меховой промышленности и при производстве искусственного шёлка.
Медь как художественный материал используется с медного века
(украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из меди и
сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки меди
(обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия фактур,
тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия из меди
отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также свойством
обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют, тонируют,
украшают эмалью. С 15 века медь применяется также для изготовления печатных
форм.
В медицине сульфат меди применяют как антисептическое и вяжущее средство
в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей для лечения
трахомы. Раствор сульфата меди используют также при ожогах кожи фосфором.
Иногда сульфат меди применяют как рвотное средство. Нитрат меди употребляют в
виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.
8. Сплавы меди.
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.
Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не
принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость
определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости
медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже, чем у стали).
Основное преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что
делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся
для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии
в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью.
Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов,
тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях
коррозии зависят от состава сплавов, а, следовательно, от структуры. Прочность
выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных.
8.1 Латуни.
Латунями называют сплавы меди
и цинка. Медь может растворять цинк в любом количестве. По химическому составу
различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные.
Простые латуни легируются одним компонентом: цинком.
Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у
латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием
цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но
превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и
поковках.
Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при
нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде проката,
но и в отливках. Пластичность их ниже, чем у однофазных латуней, а прочность и
износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы.
Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной
структуре и 40-45 кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной
латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти
латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия
напряжений, создаваемых холодной деформацией).
8.2
Оловянные бронзы.
Однофазные
и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии
(особенно в морской воде).
Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной
холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие
свойства (δ>= 40 кгс/мм2).
Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость.
Важное преимущество
двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные свойства; они получают при
литье наиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том
числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы.
Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае
небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их
значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара
они все больше заменяются алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова
чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).
8.3 Алюминиевые бронзы.
Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и
оловянные бронзы.
Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность
(δ до 60%). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и
штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической
деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы
подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз
литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше,
но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных
отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших
количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной
арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях.
Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии
в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде
лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для
токоведущих пружин.
8.4
Кремнистые бронзы.
Применение
кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы как более
пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости
в щелочных (в том числе сточных) средах.
Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.
Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате
сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в
виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.
8.5
Бериллиевые бронзы.
Бериллиевые
бронзы сочетают очень высокую прочность (σ до 120 кгс/мм2) и
коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.
Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для
особо ответственных в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для
пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и
приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы после закалки и старения, т.к.
растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением температуры.
Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает
прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.
8.6 Сплавы меди с никелем.
Никель сильно повышает твердость меди. Сплав 50% Сu и 50% Ni обладает наибольшей твердостью. Кроме высокой твердости, эти
сплавы обладают пониженной электропроводностью, вследствие чего употребляются
в электротехнике.
Хорошие
механические свойства, высокая стойкость против коррозии во многих средах,
ценные физические свойства в сочетании
с простотой плавки, литья и обработки давлением обусловили широкое применение
медных сплавов в многочисленных отраслях техники: в авиа-, авто-, судостроении,
химической промышленности, станкостроении, электротехнике, приборостроении, в
производстве паровой и водяной арматуры, посуды, художественных и других
изделий.
Заключение.
Медь является одним из металлов,
известных с древнейших времён, и в настоящее время занимает второе место (после
алюминия) по объёму промышленного производства.
Медь применяется для
изготовления кабелей, токопроводящих частей электрических установок,
теплообменников. Она является основным компонентом латуней бронз,
медно-никелевых и других сплавов, обладающих высокими антифрикционными
свойствами, сочетающимися с хорошей коррозионной стойкостью на воздухе. Эти
сплавы характеризуются, кроме того, хорошей электрической проводимостью.
Медь - металл
сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях
медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами,
серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует
даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными
свойствами, на медь не действуют.
Чистая медь -
тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях
на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для
многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.
Медь широко
используется в промышленности из-за:
·
высокой
теплопpоводимости
·
высокой
электpопpоводимости
·
ковкости
·
хороших
литейных качеств
·
большого
сопротивления на pазpыв
·
химической
стойкости
Физические и химические свойства меди
зависят от степени ее чистоты. Примеси меди в продуктах различных производств
также влияют на свойства этих материалов. Поэтому во многих производственных
лабораториях проводится контроль содержания меди. Большое число публикаций
посвящено определению меди в биологических объектах, особенно в крови, так как
медь играет большую роль в биохимических процессах, протекающих в организме, и
является индикатором некоторых заболеваний. При аналитическом контроле
используют как классические химические методы, так и физические, требующие
совершенной инструментальной техники и позволяющие с высокой чувствительностью
определять медь в присутствии многих других элементов часто без разрушения
образца. Переработка медных руд невозможна без предварительного фазового
анализа.
Медь входит в число жизненно
важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении
растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов.
Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного
купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие
соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь
совершенно необходима всему живому.
Литература.
1.
Подчайнова
В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. – 249с.);
2.
Смирнов
В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. – 234с.);
3.
Газарян
Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. – 189с.);
4.
Справочник
металлурга по цветным металлам, под редакцией Н. Н. Мурача, (2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2,
М., 1947. – 211с.);