Удельная прочность меди. Медь и ее сплавы

• Обозначение - Cu (Copper);
• Период - IV;
• Группа - 11 (Ib);
• Атомная масса - 63,546;
• Атомный номер - 29;
• Радиус атома = 128 пм;
• Ковалентный радиус = 117 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 ;
• t плавления = 1083,4°C;
• t кипения = 2567°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,75;
• Степень окисления: +3, +2, +1, 0;
• Плотность (н. у.) = 8,92 г/см 3 ;
• Молярный объем = 7,1 см 3 /моль.

Медь (купрум, свое название получила в честь острова Кипр, где было открытое крупное медное месторождение) является одним из первых металлов, который освоил человек - Медный век (эпоха, когда в обиходе человека преобладали медные орудия) охватывает период IV-III тысячелетия до н. э.

Сплав меди с оловом (бронза) был получен на Ближнем Востоке за 3000 лет до н. э. Бронза была предпочтительней меди, поскольку была более прочна и лучше поддавалась ковке.

Рис. Строение атома меди .

Электронная конфигурация атома меди - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 (см. Электронная структура атомов). У меди один спаренный электрон с внешнего s-уровня "перескакивает" на d-подуровень предвнешней орбитали, что связано с высокой устойчивостью полностью заполненного d-уровня. Завершенный устойчивый d-подуровень меди обусловливает ее относительную химическую инертность (медь не реагирует с водородом, азотом, углеродом, кремнием). Медь в соединениях может проявлять степени окисления +3, +2, +1 (наиболее устойчивые +1 и +2).

Рис. Электронная конфигурация меди.

Физические свойства меди:

• металл, красно-розового цвета;
• обладает высокой ковкостью и пластичностью;
• хорошей электропроводностью;
• малым электрическим сопротивлением.

Химические свойства меди

• при нагревании реагирует с кислородом:
  O 2 + 2Cu = 2CuO;
• при длительном пребывании на воздухе реагирует с кислородом даже при комнатной температуре:
  O 2 + 2Cu + CO 2 + H 2 O = Cu(OH) 2 ·CuCO 3 ;
• вступает в реакции с азотной и концентрированной серной кислотой:
  Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
• с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой медь не реагирует.

Соединения меди

Оксид меди CuO (II) :

• твердое вещество красно-коричневого цвета, не растворимое в воде, проявляет основные свойства;
• при нагревании в присутствии восстановителей дает свободную медь:
  CuO + H 2 = Cu + H 2 O;
• оксид меди получают взаимодействием меди с кислородом или разложением гидроксида меди (II):
  O 2 + 2Cu = 2CuO; Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O.

Гидроксид меди Cu(OH 2)(II ):

• кристаллическое или аморфное вещество голубого цвета, нерастворимое в воде;
• разлагается на воду и оксид меди при нагревании;
• реагирует с кислотами, образуя соответствующие соли:
  Cu(OH 2) + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O;
• реагирует с растворами щелочей, образуя купраты - комплексные сооединения ярко-синего цвета:
  Cu(OH 2) + 2KOH = K 2 .

Более подробно о соединениях меди см. Оксиды меди .

Получение и применение меди

• пирометаллургическим методом медь получают из сульфидных руд при высоких температурах:
  CuFeS 2 + O 2 + SiO 2 → Cu + FeSiO 3 + SO 2 ;
• оксид меди восстанавливается до металлической меди водородом, угарным газом, активными металлами:
  Cu 2 O + H 2 = 2Cu + H 2 O;
  Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2 ;
  Cu 2 O + Mg = 2Cu + MgO.

Применение меди обусловливается ее высокой электро- и теплопроводностью, а также пластичностью:

• изготовление электрических проводов и кабелей;
• в теплообменной аппаратуре;
• в металлургии для получения сплавов: бронзы, латуни, мельхиора;
• в радиоэлектронике.

Древние греки называли этот элемент халкосом, на латинском она именуется cuprum (Сu) или aes, а средневековые алхимики именовали этот химический элемент не иначе как Марс или Венера. Человечество давно познакомилось с медью за счет того, что в природных условиях ее можно было встретить в виде самородков, имеющих зачастую весьма внушительные размеры.

Легкая восстанавливаемость карбонатов и окислов данного элемента поспособствовала тому, что именно его, по мнению многих исследователей, наши древние предки научились восстанавливать из руды раньше всех остальных металлов.

Сначала медные породы просто-напросто нагревали на открытом огне, а затем резко охлаждали. Это приводило к их растрескиванию, что давало возможность выполнять восстановление металла.

Освоив столь нехитрую технологию, человек начал постепенно развивать ее. Люди научились вдувать при помощи мехов и труб в костры воздух, затем додумались устанавливать вокруг огня стены. В конце концов, была сконструирована и первая шахтная печь.

Многочисленные археологические раскопки позволили установить уникальный факт – простейшие медные изделия существовали уже в 10 тысячелетии до нашей эры! А более активно медь начала добываться и использоваться через 8–10 тысяч лет. Именно с тех пор человечество применяет этот уникальный по многим показателям (плотность, удельный вес, магнитные характеристики и так далее) химический элемент для своих нужд.

В наши дни медные самородки встречаются крайне редко. Медь добывают из различных , среди которых можно выделить следующие:

• борнит (в нем купрума бывает до 65 %);
• медный блеск (он же халькозин) с содержанием меди до 80 %;
• медный колчедан (иначе говоря – халькоперит), содержащий порядка 30 % интересующего нас химического элемента;
• ковеллин (в нем Cu бывает до 64 %).

Также купрум добывают из малахита, куприта, иных оксидных руд и еще без малого из 20 минералов, содержащих ее в различных количествах.

2

В простом виде описываемый элемент представляет собой металл розовато-красного оттенка, характеризуемый высокими пластичными возможностями. Природный купрум включает в себя два нуклида со стабильной структурой.

Радиус положительно заряженного иона меди имеет следующие значения:

• при координационном показателе 6 – до 0,091 нм;
• при показателе 2 – до 0,060 нм.

А нейтральный атом элемента характеризуется радиусом 0,128 нм и сродством к электрону 1,8 эВ. При последовательной ионизации атом имеет величины от 7,726 до 82,7 эВ.

Купрум является переходным металлом, поэтому он имеет переменные степени окисления и малый показатель электроотрицательности (1,9 единиц по шкале Полинга). (коэффициент) равняется 394 Вт/(м*К) при температурном интервале от 20 до 100 °С. Электропроводность меди (удельный показатель) составляет максимум 58, минимум 55,5 МСм/м. Более высокой величиной характеризуется лишь серебро, электропроводность других металлов, в том числе и алюминия, ниже.

Медь не может вытеснять водород из кислот и воды, так как в стандартном потенциальном ряду она стоит правее водорода. Описываемый металл характеризуется гранецентрированной кубической решеткой с величиной 0,36150 нм. Кипит медь при температуре 2657 градусов, плавится при температуре чуть больше 1083 градусов, а ее плотность равняется 8,92 грамм/кубический сантиметр (для сравнения – плотность алюминия равняется 2,7).

Другие механические свойства меди и важные физические показатели:

• давление при 1628 °С – 1 мм рт. ст.;
• термическая величина расширения (линейного) – 0,00000017 ед.;
• при растяжении достигается предел прочности равный 22 кгс/мм2;
• твердость меди – 35 кгс/мм2 (шкала Бринелля);
• удельный вес – 8,94 г/см3;
• модуль упругости – 132000 Мн/м2;
• удлинение (относительное) – 60 %.

Магнитные свойства меди в какой-то мере уникальны. Элемент полностью диамагнитен, показатель его магнитной атомной восприимчивости составляет всего лишь 0,00000527 ед. Магнитные характеристики меди (впрочем, как и все ее физические параметры – вес, плотность и пр.) обуславливают востребованность элемента для изготовления электротехнических изделий. Примерно такие же характеристики имеются и у алюминия, поэтому они с описываемым металлом составляют "сладкую парочку", используемую для производства проводниковых деталей, проводов, кабелей.

Многие механические показатели меди изменить практически нереально (те же магнитные свойства, например), а вот предел прочности рассматриваемого элемента можно улучшить посредством выполнения наклепа. В данном случае он повысится примерно в два раза (до 420–450 МН/м2).

3

Купрум в системе Менделеева включен в группу благородных металлов (IB), находится он в четвертом периоде, имеет 29 порядковый номер, имеет склонность к комплексообразованию. Химические характеристики меди не менее важны, чем ее магнитные, механические и физические показатели, будь то ее вес, плотность либо иная величина. Поэтому мы будем говорить о них подробно.

Химическая активность купрума мала. Медь в условиях сухой атмосферы изменяется незначительно (можно даже сказать, что почти не изменяется). А вот при повышении влажности и наличии в окружающей среде углекислого газа на ее поверхности обычно формируется пленка зеленоватого оттенка. В ней присутствует CuCO3 и Cu(OH)2, а также различные сернистые медные соединения. Последние образовываются из-за того, что в воздухе практически всегда есть некоторое количество сероводорода и сернистого газа. Указанную зеленоватую пленку именуют патиной. Она защищает от разрушения металл.

Если медь нагреть на воздухе, начнутся процессы окисления ее поверхности. При температурах от 375 до 1100 градусов в результате окисления образуется двухслойная окалина, а при температуре до 375 градусов – оксид меди. При обычной же температуре обычно наблюдается соединение Cu с влажным хлором (итог такой реакции – появление хлорида).

С иными элементами группы галогенов медь также взаимодействует достаточно легко. В парах серы она загорается, высокий уровень сродства она имеет и к селену. Зато с углеродом, азотом и водородом Сu не соединяется даже при повышенных температурах. При контакте оксида меди с серной кислотой (разбавленной) получается сульфат и чистая медь, с иодоводородной и бромоидоводородной кислотой – иодид и бромид меди соответственно.

Если же оксид соединить с той или иной щелочью, результатом химической реакции станет появление купрата. А вот самые известные восстановители (оксид углерода, аммиак, метан и другие) способны восстановить купрум до свободного состояния.

Практический интерес представляет способность этого металла вступать в реакцию с солями железа (в виде раствора). В этом случае фиксируется восстановление железа и переход Cu в раствор. Данная реакция применяется для снятия с декоративных изделий напыленного слой меди.

В одно- и двухвалентных формах медь способна создавать комплексные соединения с высоким показателем устойчивости. К таким соединениям относят аммиачные смеси (они представляют интерес для промышленных предприятий) и двойные соли.

4

Главная сфера применения алюминия и меди известна, пожалуй, всем. Из них делают разнообразные кабели, в том числе и силовые. Способствует этому малое сопротивление алюминия и купрума, их особые магнитные возможности. В обмотках электрических приводов и в трансформаторах (силовых) широко используются медные провода, которые характеризуются уникальной чистотой меди, являющейся исходным сырьем для их выпуска. Если в такое чистейшее сырье добавить всего лишь 0,02 процента алюминия, электропроводимость изделия уменьшится процентов 8–10.

Сu, имеющий высокую плотность и прочность, а также малый вес, прекрасно поддается механической обработке. Это позволяет производить отличные медные трубы, которые демонстрируют свои высокие эксплуатационные характеристики в системах подачи газа, отопления, воды. Во многих европейских государствах именно медные трубы используются в подавляющем большинстве случаев для обустройства внутренних инженерных сетей жилых и административных строений.

Мы много сказали об электропроводимости алюминия и меди. Не забудем и об отличной теплопроводности последней. Данная характеристика дает возможность использовать медь в следующих конструкциях:

• в тепловых трубках;
• в кулерах персональных компьютеров;
• в отопительных системах и системах охлаждения воздуха;
• в теплообменниках и многих других устройствах, отводящих тепло.

Плотность и небольшой вес медных материалов и сплавов обусловили и их широкое применение в архитектуре.

5

Понятно, что плотность меди, ее вес и всевозможные химические и магнитные показатели, по большому счету, мало интересуют обычного человека. А вот целебные свойства меди хотят узнать многие.

Древние индийцы применяли медь для лечения органов зрения и различных недугов кожных покровов. Древние греки излечивали медными пластинками язвы, сильную отечность, синяки и ушибы, а также и более серьезные болезни (воспаления миндалин, врожденную и приобретенную глухоту). А на востоке медный красный порошок, растворенный в воде, применялся для восстановления сломанных костей ног и рук.

Лечебные свойства меди были хорошо известны и россиянам. Наши предки излечивали с помощью этого уникального металла холеру, эпилепсию, полиартриты и радикулиты. В настоящее время для лечения обычно используются медные пластинки, которые накладываются на специальные точки на теле человека. Целебные свойства меди при такой терапии проявляются в следующем:

• защитный потенциал организма человека возрастает;
• инфекционные болезни не страшны тем, кто лечится медью;
• наблюдается снижение болевых ощущений и снятие воспалительных явлений.

4. Влияние примесей и структуры меди на ее пластичность

Наличие в бескислородной меди примесей в количествах, регламентируемых ГОСТ 859-78, не оказывает заметного влияния на ее механические свойства при 20°С. Однако при высокотемпературных испытаниях и определенны условиях наблюдается несколько интервалов снижения пластичности, которые у спектрально чистой меди отсутствуют. Существует ряд гипотез, объясняющих причину снижения пластичности меди в определенном температурном интервале и при статических скоростях испытания образцов. Эти гипотезы условно можно разделить на две группы:

а) гипотезы, связывающие аномальное понижение пластичности с взаимодействием меда с селеном, теллуром, висмутом, свинцом, серой, кислородом, водородом;

б) гипотезы, объясняющие падение пластичности в определенных температурных интервалах структурными изменениями меди.

Гипотезы первой группы основаны на термодинамических расчетах, проверенных в работе . Расчеты показали, что интервал пониженной пластичности меда совпадает с температурой, при которой селен и теллур могут находиться между медными кристаллами в газообразном состоянии. Теллур и селен находятся в меди в тысячных и десятитысячных долях процента, однако тонкие прослойки газовой фазы этих элементов можно рассматривать как готовые трещины критического размера, которые под действием растягивающих усилий при испытаниях развиваются в микротрещины и вызывают хрупкость меди.

Свинец и висмут незначительно растворимы в твердой меди (0,001 %) и поэтому находятся в виде включений элементарного свинца или висмута. С повышением температуры эти элементы переходят в жидкое состояние и, располагаясь по границам зерен, нарушают связь между ними.

При температурах порядка 800°С происходит растворение малых количеств этих элементов в меди до исчезновения жидкой фазы и ликвидируется зона снижения пластичности. Однако в случае селена и теллура повышение пластичности при высоких температурах растворением этих элементов в меди объяснить нельзя.

Слитки из бескислородной меди, содержащие 2 · 10-3 % S, растрескиваются по кромкам при горячей прокатке, а менее 1 · 10-3 % S не имеют трещин. Окончание прокатки слитков проходит, как правило в районе, падений пластичности (500-700°С), что объясняет образование микротрещин уже на этой стадии. Висмут даже при содержании 3,8 - 10 -4 % понижает пластичность меди, а при 2,5 -10 -4 % на границах зерен найдены сегрегации, содержащие до 17 % Bi; тоже замечено и в случае с серой . Являясь поверхностно-активными элементами по отношению к меди, эти примеси уменьшают ее поверхностную энергию, что приводит к снижению межзеренного сцепления, а следовательно, к потере пластичности. Если поверхностная энергия чистой меди составляет около 0,135 мДж, то присутствие серы снижает ее до 7 мкДж и тем самым снижает когезивную прочность границ зерен. Существенную роль в возникновении красноломкости бескислородной меди играет отношение между содержанием примесей и их растворимостью в твердой меди. Чем выше это отношение (которое наиболее велико в основном для кислорода, висмута, серы, свинца), тем больше тенденция к образованию включений, которые, сегрегируя по границам зерен и коагулируя при высокотемпературной обработке, образуют дефекты.

В случае деформированной меди присутствие небольших количеств кислорода способствует повышению равномерного и уменьшению локального сужения шейки медной проволоки до 55 -65 % (в зависимости от степени деформации и содержания кислорода). В то же время проявление очень низкой пластичности кислородсодержащей меди при комнатной температуре и высокотемпературных испытаниях (ψ= = 20 %) дало возможность предположить }