Курсовая работа по химии. Медь 
Курсовая работа по химии. Медь
Министерство высшего образования Российской Федерации
Башкирский государственный университет
Кафедра неорганической химии
Курсовая работа
Медь
Выполнил
студент I курса В группы
Панкратьев Е.Ю.
Проверил
доцент кафедры Н.Х.
Гайфутдинова Р.К.
Уфа 2002.
Содержание:
1. Распространение меди в природе. - 3
2. История открытия меди. - 3
3. Месторождений меди. - 4
4. Физические свойства меди. - 5
5. Химические свойства меди. - 6
6. Получение меди. - 10
7. Добыча и получение солей из природных месторождений. - 11
8. Медь и живые организмы. - 12
9. Применение меди. - 12
10. Использованная литература. - 13
1. Распространение меди в природе.
Металлы подгруппы меди обладают небольшой химической активностью,
поэтому они находятся частично в виде химических соединений, а частично в
свободном виде, особенно золото.
Медь в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде
сернистых соединений – халькопирита [pic] (или [pic]) и халькозина [pic].
Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим
сродством к сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные
минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической
деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение
сульфидов меди в окислы, например: [pic].
При температуре ниже 10000C происходило образование окиси меди, которая
в небольших количествах встречается в природе: [pic].
Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при
сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить,
что после землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди
были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного
тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами: [pic].
Подобные процессы протекают при выплавке меди на металлургических
заводах. Такие природные “металлургические заводы” выплавляют громадные
количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-
видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с
сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских
островов.
Некоторые другие минералы меди получились из окисных руд. Например, под
действием влаги и двуокиси углерода происходила гидратация окиси меди и
образование основных карбонатов: [pic].
В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно.
В “лаборатории” природы сроки в несколько тысяч лет совершенно
незначительны. В дальнейшем под влиянием давления вышележащих горных пород
и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и
он превратился в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив
полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-
зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический
рисунок на поверхности камня.
Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог
осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III):
[pic].
Растворы сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при
действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут
в природе и в настоящее время. [1, с.8-10]
Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности
важны лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит
(он же – медный колчедан) CuFeS2, халькозин (медный блеск) Cu2S, ковеллин
CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu5FeS4. Иногда встречается и самородная
медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10-3 % по массе (1015 -
1016 тонн). [3]
2. История открытия меди.
Медь стала известна человеку в каменном веке – некоторые самородки
меди, относящиеся к этому времени, носят следы воздействия каменных орудий,
в частности у них обрублены выступающие части. Очевидно, эти кусочки меди
были использованы доисторическим человеком в качестве украшений, а затем и
как орудия. Распространению медных изделий способствовало свойство меди
подвергаться ковке в нагретом состоянии. Так обрабатывали медные самородки
индейцы еще со времен Колумба.
Где и когда был открыт метод выплавки меди из руд неизвестно. Скорее он
был открыт случайно. Самородная медь всегда встречалась совместно с рудой.
И вот во время нагрева самородка в раскаленных углях костра кусочки медной
руды, прилипшие к самородку, тоже превратились в медь – восстановились
углеродом: [pic].
Возможно, первоначально медь выплавлялась в небольших ивовых корзинах,
обмазанных толстым слоем глины. В такую своеобразную печь загружали руду
вместе с углем и под ней разжигали большой костер.
Руды меди часто встречаются совместно с рудами цинка, олова. Такие руды
восстанавливаются легче и дают сплавы меди более твердые, чем сама медь.
Эти сплавы называются бронзами, а время, в течение которого человек широко
использовал бронзу, - бронзовым веком. Название “бронза” произошло от
названия небольшого итальянского города Бриндизи, через который среди
прочих товаров шла торговля изделиями из сплава меди с оловом. Этот сплав
назвали медью из Бриндизи, а затем - бронзой.
Изготовление изделий из меди и ее сплавов производилось еще при первых
фараонах Египта (4 – 5 тыс. лет до н.э.). Известны древнейшие медные руды
на острове Кипр. По-видимому, современное латинское название “купрум”
произошло от латинского названия этого острова. [6]
Когда же и где была впервые выплавлена медь?
Считалось, что люди 9 – 8 тыс. лет назад не умели, как следует, делать
керамическую посуду, но в 1950 г. археологами было сделано интересное
открытие. В районе реки Конья на юго-западе Малой Азии в 1950 г.
производились раскопки. Наряду с каменными орудиями были найдены медные
проколки, украшения, колечки. По определениям физиков, использующих
радиоуглеродный метод; культурный слой с остатками жизнедеятельности
человека возник в VII-VI тысячелетиях до н.э. Этому открытию трудно
поверить, но в 1963 г. при раскопках в верховьях реки Тигр были найдены
простейшие медные изделия, относящиеся к тому же периоду. Там же нашли и
медную руду. [1, с.27-28]
3. Месторождения меди.
Соединения элементов подгруппы меди распределены в земной коре
неравномерно, что объясняется различием в геологических условиях,
сложившихся в различных местах земного шара. Богатейшие месторождения меди
имеются в Конго (Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о
древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие
выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на
побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.
Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване
Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был
послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”,
где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные
руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из
документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве
чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская
газета “Ведомости”, которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703
г. в ней писали: “Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной
руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль
Московскому государству”. [2, с.27]
В начале этого столетия главнейшими месторождениями, которые
разрабатывались, были: в районе Северного Урала – Богословский завод, в
районе Нижнего Тагила – Выйский завод, а на Кавказе – Калакентский и
Кедабекский заводы.
В наше время известны месторождения меди на восточном склоне Урала,
Средней Азии, Закавказье и т.д.
Большое количество меди и других ископаемых находится на дне океанов,
которое покрыто так называемыми конкрециями – скоплениями в виде камней
округлой неправильной формы. Они содержат в среднем 0,5% меди. По подсчетам
ученых запасы этой ценной и своеобразной руды составляют 5 млрд. тонн. [1,
с.16-18]
4. Физические свойства меди.
|Tплавления |Tкипения |ra |? |Rудельное |
|1083 0C |2877 0C |98 нм |8,96 г/cм3 |1,63*10-8 |
| | | | |ом*м |
Таблица 1. Физические свойства меди.
Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному
свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не
должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных
металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое
различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется
тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и
они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных
электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше.
Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы
подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.
Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами,
обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной
плотностью и отсутствием “зазоров” между ион-атомами.
Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от
правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах,
с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения
правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах
кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов
(кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была
получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень
чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на
глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как
оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.
Цвет меди и её соединений.
Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет
обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь,
многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет
желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.
При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl –
белый, Cu2O – красный, CuCl + H2O – голубой, CuO – черный. Карбонаты
характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем
обусловлен интересный практический признак для поисков.
Электропроводимость.
Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и
обусловлено её применение в электронике.
Кристаллическая решетка.
Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).
[pic]
Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.
5. Химические свойства меди.
Строение атома.
[pic]
Рисунок 2. Схема строения атома меди.
29Cu 1s1 2s2 sp6 3s2 3p6 3d10 4s1
Eионизации 1 = 7.72 эВ
Eионизации 2 = 20.29 эВ
Eионизации 3 = 36.83 эВ
Отношение к кислороду.
Медь проявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном
воздухе постепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета,
состоящей из основных карбонатов меди: [pic]
В сухом воздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди
образуется тончайший слой оксида меди: [pic]
Внешне медь при этом не меняется, так как оксид меди (I) как и сама
медь, розового цвета. К тому же слой оксида настолько тонок, что пропускает
свет, т.е. просвечивает. По-иному медь окисляется при нагревании, например
при 600-800 0C. В первые секунды окисление идет до оксида меди (I), которая
с поверхности переходит в оксид меди (II) черного цвета. Образуется
двухслойное окисное покрытие.
Qобразования (Cu2O) = 84935 кДж.
[pic]
Рисунок 3. Строение оксидной пленки меди.
Взаимодействие с водой.
Металлы подгруппы меди стоят в конце электрохимического ряда
напряжений, после иона водорода. Следовательно, эти металлы не могут
вытеснять водород из воды. В то же время водород и другие металлы могут
вытеснять металлы подгруппы меди из растворов их солей, например: [pic].
Эта реакция окислительно-восстановительная, так как происходит переход
электронов:
[pic]
[pic]
Молекулярный водород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом.
Объясняется это тем, что связь между атомами водорода прочная и на ее
разрыв затрачивается много энергии. Реакция же идет только с атомами
водорода.
[pic]
Медь при отсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В
присутствии кислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается
зеленой пленкой гидроксида меди и основного карбоната:
[pic]
[pic]
Взаимодействие с кислотами.
Находясь в ряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из
кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют.
Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с
образованием соответствующих солей: [pic].
Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам.
Qобразования (CuCl) = 134300 кДж
Qобразования (CuCl2) = 111700 кДж
[pic]
Медь хорошо реагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и
CuX2.. При действии галогенов при комнатной температуре видимых изменений
не происходит, но на поверхности вначале образуется слой адсорбированных
молекул, а затем и тончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с
медью происходит очень бурно. Нагреем медную проволочку или фольги и
опустим ее в горячем виде в банку с хлором – около меди появятся бурые
пары, состоящие из хлорида меди (II) CuCl2 с примесью хлорида меди (I)
CuCl. Реакция происходит самопроизвольно за счет выделяющейся теплоты.
Одновалентные галогениды меди получают при взаимодействии металлической
меди с раствором галогенида двухвалентной меди, например: [pic]. Монохлорид
выпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.
Оксид меди.
При прокаливании меди на воздухе она покрывается черным налетом,
состоящим из оксида меди [pic]. Его также легко можно получить
прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)2CO3 или нитрата меди (II)
Cu(NO3)2. При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет
их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород – в воду
Страницы: 1, 2
|
