Курсовая работа по химии. Медь
восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются
при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в
них углерода и водорода.
Под слоем меди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu2O.
Этот же окисел получается при совместном прокаливании эквивалентных
количеств меди и окиси меди, взятых в виде порошков: [pic].
Закись меди используют при устройстве выпрямителей переменного тока,
называемых купроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до
1020-1050 0C. При этом на поверхности образуется двухслойная окалина,
состоящая из закиси меди и окиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая
пластинки некоторое время в азотной кислоте: [pic].
Пластинку промывают, высушивают и прокаливают при невысокой температуре
– и выпрямитель готов. Электроны могут проходить только от меди через
закись меди. В обратном направлении электроны проходить не могут. Это
объясняется тем, что закись меди обладает различной проводимостью. В слое
закиси меди, который примыкает непосредственно к меди, имеется избыток
электронов, и электрический ток проходит за счет электронов, т.е.
существует электронная проводимость. В наружном слое закиси меди
наблюдается нехватка электронов, что равноценно появлению положительных
зарядов. Поэтому, когда к меди подводят положительный плюс источника тока,
а к закиси меди – отрицательный, то электроны через систему не проходят.
Электроны при таком положении полюсов движутся к положительному электроду,
а положительные заряды – к отрицательному. Внутри слоя закиси возникает
тончайший слой, лишенный носителей электрического тока, - запирающий слой.
Когда же медь подключена к отрицательному полюсу, а закись меди к
положительному, то движение электронов и положительных зарядов изменяется
на обратное, и через систему проходит электрический ток. Так работает
купроксный выпрямитель. [6, с.63]
Гидроксиды меди.
Гидроксид меди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при
действии щелочи на раствор соли: [pic]. Это ионная реакция и протекает она
потому, что образуется плохо диссоциированное соединение, выпадающее в
осадок: [pic]
Медь, помимо гидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид
меди (I) белого цвета: [pic]. Это нестойкое соединение, которое легко
окисляется до гидроксида меди (II): [pic].
Оба гидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например,
гидроксид меди (II) хорошо растворим не только в кислотах, но и в
концентрированных растворах щелочей: [pic], [pic].
Таким образом, гидроксид меди (II) может диссоциировать и как
основание: [pic] и как кислота. Этот тип диссоциации связан с
присоединением меди гидроксильных групп воды: [pic]
Сульфаты.
Наибольшее практическое значение имеет CuSO4*5H2O, называемый медным
купоросом. Его готовят растворением меди в концентрированной серной
кислоте. Поскольку медь относится к малоактивным металлам и расположена в
ряду напряжений после водорода, водород при этом не выделяется: [pic].
Медный купорос применяют при электролитическом получении меди, в
сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, для
получения других соединений меди.
Карбонаты.
Карбонаты для металлов подгруппы меди не характерны и в практике почти
не применяются. Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной
карбонат меди, который встречается в природе.
Комплексообразование.
Характерное свойство двухзарядных ионов меди – их способность
соединятся с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.
Качественные реакции на ионы меди.
Ион меди можно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака.
Появление интенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием
комплексного иона меди [Cu(NH3)4]2+: [pic]
Медь интенсивно окрашивает пламя в зеленый цвет.
Пример качественного анализа сплава меди.
Исследуемый объект |Реагент, действие |Осадок |Раствор |Наблюдение |Выводы
| |Часть сплава |Нагревание с конц. HNO3 | | |Раствор 1 сразу приобрёл
зелёную окраску, которая перешла в голубую после охлаждения | | |Раствор 1
|25% NH3, Добавление 1-2 капли | | |Раствор стал синим |Это медный сплав |
|Часть сплава |HNO3, Сначала растворяют часть стружек в 10 каплях 6М HNO3,
а затем добавляют 20-25 капель конц. HNO3, нагревают до полного растворения
сплава | |Раствор 2 может содержать Cu, Zn, Ni, Cd, Fe, Mn, Al, Pb, Sn, Sb
|Осадок не выпал | | |Раствор 2, Ni2+ |Диметил-глиоксим | | |Раствор
позеленел |Ni нет | |Fe3+ |NH4CNS | | |Кристаллы окрасились в красный цвет,
потом раствор позеленел и выпал чёрный осадок |Есть Fe3+ | |Cd2+ |Дифенил-
карбазид | | |Раствор стал красным |Есть Cd | |Zn2+ |Дитизон | | |Фаза
дитизона окрасилась в малиновый цвет |Есть Zn | |Mn |NaBiO3 | | |Ничего не
произошло |Mn нет | |Al3+ |Ализарин | | |Раствор стал жёлто-коричневым |Al
нет | | |Окси-хинолин | | |Выпал зелёно-жёлтый осадок |Al нет | |Раствор 2
|HCl, H2SO4, добавление | |Раствор 3 возможно содержит Sb, Sn |Осадок не
выпал |Pb возможно нет | |Раствор 3 |H2O2 и NaOH |Осадок 1 может содержать
Sb |Раствор 4 может содержать Sn |Выпал зелёно-серый осадок
(образовался ос.2 и р-р 2) | | |Осадок 1 |HNO3 | |Раствор 5 |Осадок
растворился |Sb нет | |Раствор 5 |NH3, NH4Cl, H2O2 | | |Осадок не выпал | |
|Раствор 4 |NH4Cl | | |Осадок не выпал |Sn нет | |Раствор 2 |I- | | |Выпал
жёлтый осадок, который приобрёл красный оттенок |Есть Pb2+ | |Выводы:
Проведённый качественный анализ даёт основания считать, что в сплаве
содержится медь, цинк, кадмий, железо, свинец. Таким образом этот сплав
является латунью. [8]
6. Получение меди.
История получения меди.
Интересна история получения меди. Уже 5-6 тысяч лет до н.э. медная руда
добывалась египетскими рабами в Нубии, на Синайском полуострове. Рудники,
как пишет греческий историк Диодор Сицилийский (I век до н.э.), являлись
собственностью фараонов. На каторжный труд в рудниках отправляли рабов и
осужденных, зачастую вместе с семьями. В наиболее узкие штольни на обивку
руды и ее вынос направляли детей. На поверхность руду доставляли в плетеных
корзинках или кожаных мешках. Древнейшая медеплавильная печь найдена на
Синайском полуострове. Она представляла яму, обнесенную круглой стеной
толщиной в 1 метр. Печь имела внизу два поддувала. По составу шлака
установили, что в этой печи выплавлялась медь. Изображение более
совершенной печи было обнаружено на греческой вазе, которая датируется VI
веком до н.э. Для улучшения литейных свойств меди греки добавляли в руду
оловянный камень (двуокись олова) и получали оловянную бронзу.
Искусство получения меди и ее сплавов затем перешло к римлянам.
Оловянную руду римляне доставали из Англии, которая в то время называлась
Касситеридскими островами. Интересно отметить, что минерал – двуокись олова
и по настоящее время называется касситеритом.
О методах получения меди в России дает представление небольшой, но
обстоятельный труд М.В.Ломоносова “Основание металлургии” (1763 год),
который сыграл исключительную роль в развитии металлургического
производства. В этой же книги дано описание “сульфатизирующего обжига”. Он
заключался в медленном окислении медной сульфидной руды до сульфата меди
кислородом воздуха: [pic] с последующим выщелачиванием соли водой с целью
получения медного купороса.
В книге даются указания, как использовать теплоту отходящих газов, как
контролировать процесс плавки и даже как вентилировать шахты от пыли и
газов, которые “для человеческого здоровья вредительны”. [1, с.76-77]
Получение меди методом электролиза.
Электролиз широко применяют для очистки (рафинирования) меди. Для
очистки меди из черновой меди отливают аноды – толстые пластины. Их
подвешивают в ванну, содержащую раствор медного купороса. В качестве
катодов используют тонкие листы чистой меди, на которые во время
электролиза осаждается чистая медь. На аноде происходит растворение меди.
Ионы меди передвигаются к катоду, принимают от катода электроны и переходят
в атомы: [pic]. Чистая медь оседает на катоде.
Примеси, входящие в состав черновой меди ведут себя по-разному. Более
электроотрицательные элементы – цинк, железо, кадмий и другие растворяются
на аноде. Но на катоде эти металлы не выделяются, так как электрохимическом
ряду напряжений они находятся левее меди и имеют более отрицательные
потенциалы. [1, с.70]
Металлотермический метод получения.
[pic]
[pic]
Пирометаллургический способ получения меди.
Поскольку содержание меди не превышает 1.5-2%, их подвергают
обогащению, т.е. отделяют соединения меди от пустой породы, применяя
флотационный метод. Для этого руду размалывают до тончайшего порошка и
смешивают его с водой, добавив в неё предварительно флоторагенты – сложные
органические вещества. Они покрывают мельчайшие крупинки соединений меди и
сообщают им несмачиваемость. В воду добавляют ещё вещества, создающие пену.
Затем через взвесь пропускают сильный поток воздуха. Поскольку частички
(крупинки соединений меди) водой не смачиваются, они прилипают к пузырькам
воздуха и всплывают наверх. Всё это происходит во флотационных аппаратах.
Пену, которая содержит крупинки соединений меди, собирают, отфильтровывают,
отжимают от воды и высушивают. Так получают концентрат, из которого
выделяется медь. В зависимости от состава руды существует несколько методов
её переработки.
Сульфидную руду сначала обжигают при свободном токе воздуха для
удаления части серы: [pic]. Этот обжиг проводят в механических печах,
похожих на устройства для обжига серного колчедана. В последнее время
начали применять обжиг в кипящем слое. Продукты обжига затем переплавляют
совместно с флюсами в отражательной печи. При этом протекает множество
химических процессов, например [pic].
Пустая порода, часть сульфидов и окислов железа переходит в шлак, а на
дне печи скапливается штейн – расплав сульфида меди Cu2S и сульфида железа
FeS. Штейн сливают из печи и перерабатывают в конвекторе, который по
устройству похож на конвектор для переработки стали. Частичное удаление
серы происходит за счет продувки воздуха через расплавленный штейн: [pic].
Сульфид меди и закись меди дают металлическую черновую медь: [pic]
Она содержит около 95-98% меди. При последующей переплавке на поду
отражательной печи содержание меди может быть повышено до 99,7%. Дальнейшая
очистка меди проводится электролизом.
Более просто перерабатывают окисные руды меди, состоящие из закиси
меди, окиси меди и карбонатов меди (Cu2O, CuO, CuCO3*Cu(OH)2). Эти руды
обогащения прокаливают с коксом при высокой температуре: [pic]. [1, с.74-
75]
7. Добыча и получение солей меди из природных месторождений.
Около 15% всех руд меди перерабатывается гидрометаллургическим методом
– на измельченную руду действуют растворителем, который переводит медь в
раствор. На руды, содержащие оксид меди, действуют разбавленной серной
кислотой: [pic]
По сравнению со многими другими оксидами, встречающимися в руде, оксид
меди растворяется сравнительно хорошо. Выделение металлической меди из
раствора проводят электролизом.
Если медь находится в руде в виде сульфида, то ее в раствор можно
перевести, обрабатывая ее руду раствором сульфата железа:
[pic] [1, с.64]
8. Медь и живые организмы.
Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в
процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу
сахара, белков, крахмала, витаминов и ферментов. При отсутствии или
недостатке меди в растительных тканях уменьшается содержание хлорофилла,
листья желтеют, растение перестает плодоносить и может погибнуть. Чаще
всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата – медного купороса
CuSO4*5H2O. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие
соединения меди, особенно для низших организмов. Польские ученые
установили, что в тех водоемах, где присутствует медь, карпы отличаются
крупными габаритами. В прудах и озерах, где нет меди, быстро развивается
грибок, который поражает карпов. В малых же дозах медь совершенно
необходима всему живому.
Из представителей живого мира небольшие количества меди содержат
осьминоги, каракатицы, устрицы и некоторые другие моллюски. В крови
ракообразных и головоногих, медь входящая в состав их дыхательного пигмента
– гемоциана (0,33-0,38%), – играет ту же роль, что железо в крови других
животных. Соединяясь с кислородом воздуха, гемоцианин синеет (поэтому у
улиток кровь голубая), а отдавая кислород тканям, – обесцвечивается. У
животных, стоящих на более высокой ступени развития, и у человека медь
содержится главным образом в печени. Ежедневная потребность человеческого
организма – примерно 0,005 грамма этого элемента. При недостаточном
поступлении меди с пищей у человека развивается малокровие, появляется
слабость.
С биологическими процессами связан и один из способов добычи меди. Еще
в начале XX века в Америке были зарыты медные рудники в штате Юта: решив,
что запасы руды уже исчерпаны, хозяева рудников затопили их водой. Когда
спустя два года воду откачали, в ней оказалось 12 тысяч тонн меди. Подобный
случай произошел и в Мексике, где из заброшенных рудников, на который
махнули рукой, только за один год было “вычерпано” 10 тысяч тонн меди.
Оказалось, что среди многочисленных видов бактерий есть и такие, для
которых любимым лакомством служат сернистые соединения некоторых металлов.
Поскольку медь в природе связана именно с серой, эти микробы неравнодушны к
медным рудам. Окисляя нерастворимые в воде сульфиды, микробы превращают их
в легко растворимые соединения, причем процесс этот протекает очень быстро.
Так при обычном окислении за 24 дня из халькопирита выщелачивается 5% меди,
то в опытах с участием бактерий за 4 дня удалось извлечь 80% этого
элемента.
9. Применение меди.
История применения меди.
Археологические находки указывают, что медь довольно широко
использовалась людьми для изготовления украшений и предметов быта около 7-8
тысяч лет назад.
До недавнего времени считалось, что история эры электричества началась
с 1786 года после опытов Луиджи Гальвани. В то же время археологические
раскопки говорят, что с электричеством люди ознакомились много веков назад.
Археологи неподалеку от Багдада, а затем на берегах Тигра нашли глиняные
сосуды высотой около 10 см и покрытые глазурью. Внутри сосуда обнаружили
медные цилиндры, в которые были вставлены железные стержни. В сосудах
имелось небольшое количество битума. Медные цилиндры были сильно разъедены.
Это был первый гальванический элемент. Подозревают, что эти элементы
использовались для электрохимического способа позолочения серебряных
изделий.
Медь наряду с железом и золотом издавна применялась в качестве
платежного средства.
Большого совершенства в изготовлении различных изделий из меди и бронзы
достигли русские мастера. Уже к концу XV века в России в широких масштабах
изготовлялись бронзовые пушки. [4, с.115-118]
Применение меди в настоящее время.
Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в
радиотехнике и электротехнической промышленности. Это связано с ее хорошей
проводимостью и относительно высокой коррозионной стойкостью. К меди,
идущей на изготовление электрических проводов, часто добавляют в небольшом
количестве кадмий, который не снижает электропроводимость меди, но повышает
ее прочность на разрыв.
Древнейший сплав меди с цинком – латунь и в настоящее время
производится в больших количествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-
45%. Она применяется для изготовления различной арматуры, соприкасающейся с
водой (краны, вентили и т.д.), а также для производства различных труб. Из
латуни прокатывают полосы и листы, идущие для выработки самых разнообразных
изделий (проволока, произведения искусств, предметы быта и т.д.).
Латунь хорошо прокатывается, штампуется и несколько дешевле меди, так
как цинк более дешевый металл по сравнению с медью.
Другие сплавы меди называются бронзами. Наиболее распространенная
бронза – оловянная. Она содержит от 5 до 80% олова. В зависимости от
содержания олова свойства и назначение меняется. При содержании олова 10-
13% ее цвет красновато-желтый, а более 27-30% - белый. Подшипниковая бронза
содержит 81-87% меди. Для изготовления подшипников, различных тормозных
устройств, где происходит скольжение металла, применяют бронзы, содержащие
до 45% свинца. В часовых и других точных механизмах, где нужна высокая
механическая прочность и коррозионная стойкость, применяется бериллиевая
бронза, содержащая 1-2% бериллия. Ее прочность равна прочности стали.
В быту и особенно в химической промышленности применяют сплавы меди с
никелем, например монель-металл, в котором отношение меди к никелю равно
2:1, и мельхиор, в котором это соотношение равно 4:1. Мельхиор по внешнему
виду похож на серебро, из него приготовляют предметы домашнего обихода:
ложки, вилки, подносы и т.д. Монель-металл применяют для изготовления
монет, различных реакторов для химической промышленности, так как это сплав
коррозионно-стоек.
Гидроксокарбонат меди (II) – (CuOH)2CO3 – применяют для получения
хлорида меди (II), для приготовления синих и зеленых минеральных красок, а
также в пиротехнике.
Сульфат меди (II) – CuSO4 – в безводном состоянии представляет собой
белый порошок, который при поглощении воды синеет. Поэтому он применяется
для обнаружения следов влаги в органических жидкостях.
Смешанный ацетат-арсенит меди (II) – Cu(CH3COO)2*Cu3(AsO3)2 – применяют
под названием “парижская зелень” для уничтожения вредителей растений.
Из солее меди вырабатывают большое количество минеральных красок,
разнообразных по цвету: зеленых, синих, коричневых, фиолетовых и черных.
Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят – покрывают внутри слоем
олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей. [4, с.123-
124]
10. Использованная литература.
1. Л.Ф.Попова. От лития до цезия. М., “Просвещение”, 1972.
2. В.Е.Лунев. Познакомьтесь с медью. М.,”Металлургия”, 1965.
3. Отв. за ред. Л.К.Иугалин. Химия минералов меди. Новосибирск, “Наука”,
1975.
4. Л.Ф.Попова. Медь. М., “Просвещение”, 1989.
5. Н.А.Фигуровский, "Открытие элементов и происхождение их названий". М.,
“Наука”, 1970.
6. В.С.Котлярова, Н.В.Касимова. Получение плёнок меди и опыты с ними //
Химия в школе, №3, 1972.
7. http://www.chem.msu.su/rus/history/element/cu.html
8. И.Г.Подчайнова, Э. Н.Симонова. Аналитическая химия меди. М.,”Наука”,
1990.
-----------------------
2 8 18 1
+29
Cu
Cu2O
Cu
CuO
Страницы: 1, 2
|