Медь − что это: свойства, характеристики, сплавы и применение

Медь — это металл, о котором люди узнали еще в IIIV-VII вв. до нашей эры. IV-III вв. вошли в историю как медный век. Благодаря преимуществам перед другими материалами, которыми обладает медь, наряду с алюминием она является самым ценным цветным металлом.

Что такое медь

Даже школьники могут рассказать про медь: какое это вещество, какого цвета, что из нее делают. В таблице Менделеева этот химический элемент обозначается символом Cu, находится в 11-й группе 4 периода под №29. Ближайшие соседи – золото и серебро. По-английски медь называется copper, по-латыни – «купрум» (Cuprum), в честь острова Кипр, где были найдены крупные месторождения этого вещества. Происхождение русского названия неизвестно.

Объяснить кратко, что такое медь, можно так: это переходной мягкий металл красно-розового цвета, с атомным номером 29.

Медь в природе

По подсчетам, процентное содержание меди в земной коре (4,7-5,5) ·10−3%. В свободном виде ее можно встретить редко, только в виде самородков (отдельные экземпляры весят до 400 т), образующихся путем окисления медных руд. В них ее процентное содержание составляет 98-100%. Есть и другие медьсодержащие минералы, их более 200. Среди них несколько особенно богатых на медь (в скобках указано содержание Cu):

• голубовато-зеленая хризоколла (36%);
• золотисто-зеленый халькопирит (34%);
• зеленый малахит (57,4%);
• индиговый и медно-красный борнит (55-65%);
• свинцово-черный халькозин (80%);
• всех оттенков зеленого брошантит (56%);
• темно-красный куприт (до 89%).

В меденосных же рудах содержание Cu не превышает 6%.

Запасы, добыча

Разведанных мировых запасов медных руд – миллиарды тонн. Ученые надеются, что земные недра таят в себе еще 3 млрд т. Самые богатые рудники – Чукикамата и Эль-Теньенте – находятся в Чили, крупнейшем производителе меди (в 2018 г. 27% мирового производства).

Крупные месторождения найдены в США, Канаде, Иране, Казахстане, на юге Африки. В России сосредоточено 3% мировых запасов. Залежи меди найдены на Урале, в Забайкалье, Красноярском крае.

Желательно, чтобы руда содержала не менее 0,5-1% чистой меди. Добывают ее в шахтах и открытым способом (для залежей, расположенных на глубине 400-500 м). Мировая добыча в 2018 г. составила 20,6 млн т, из них четверть – чилийского происхождения.

Из чего делают медь

Источниками для получения меди являются руды, минералы и вторичное сырье. Из руды металл получают двумя методами:

• Пирометаллургический (основной). Сырье меди обогащают и подвергают флотации и обжигу. Таким способом из медной руды делают концентраты, содержащие 8-25% Cu. Затем следует окислительный обжиг, плавка, продувка и рафинирование, когда медь очищается от примесей. Попутно извлекаются драгоценные металлы. Метод годится даже для руд, в которых содержание меди не дотягивает до 0,5%.
• Гидрометаллургический. Металл выщелачивается серной кислотой, а затем выделяется из полученного раствора. Применяется для бедных руд, без возможности получения драгметаллов.

Вторичное сырье поддается предварительной обработке, затем переплавке. Из него получается металл с содержанием меди 99%.

Состав меди

Многие удивятся вопросу: из чего состоит медь. А ведь химический состав меди – это микс из кристаллов следующих элементов:

• серебро;
• золото;
• кальций;
• никель;
• свинец.

Все они пластичны, легко поддаются обработке, и этими же свойствами обладает медь.

Свойства меди

Любой материал обладает химическими и физическими свойствами. Первые определяют, в какие химические реакции вступает данное вещество, вторые можно измерить, потрогать, прочувствовать.

 

Указанные свойства изменяются, в зависимости от вида термической обработки. Для улучшения физико-механических характеристик (прочность, текучесть, антикоррозийные свойства, легкость обработки и др.) используют легирующие добавки.

Марки меди

Маркировка меди начинается с буквы «М». Следующая за ней цифра показывает чистоту металла:

• МОО: 99,99% Cu;
• МО: 99,97%;
• М1: 99, 9%;
• М2: 99,7%;
• М3: 99,5%;
• М4: 99%.

Кислород значительно снижает прочность меди, поэтому его содержание подразумевается в маркировке. Марки с цифрами 1, 2, 3 содержат 0,5-0,8% кислорода, МО – 0,02%, МОб – 0%. Присутствие фосфора обозначается буквами «р» (при небольшом процентном содержании) и «ф» (более 0,4%). Литера «к» относится к катодной меди. В некоторых странах принята своя маркировка, не соответствующая российской.

Различают 2 вида меди – чистую и техническую. Последняя используется для производства полуфабрикатов и выплавки сплавов. Примеси других химических элементов в той или иной мере влияют на свойства Cu. Например:

• Никель понижает теплопроводность, а олово её усиливает.
• Висмут ухудшает технические характеристики, а мышьяк нейтрализует действие первого, оставаясь нейтральным по отношению к меди.
• Сурьма и кремний снижают способность проводить тепло и электричество.
• Сера и селен в определенных количествах ухудшают пластичность.
• Свинец и висмут затрудняют обработку давлением.
• Фосфор удаляет кислород, из-за которого физические свойства ухудшаются.
• Такие примеси, как цинк, марганец, мышьяк, никель, серебро практически не изменяют физические характеристики меди.

Медные сплавы

Существует множество сплавов меди. Их делят на 3 вида: литейные, деформируемые, порошковые.

Самые известные соединения – бронза, латунь, мельхиор, нейзильбер. В их свойствах много общего, но в промышленности более широко используются бронза и латунь.

Бронза

Основной добавочный компонент бронзы – олово (Sn), но также используются Al, Si, Pb, Be, P. В зависимости от вида легирующего элемента существует следующая классификация медных сплавов под названием бронза:

• оловянная и безоловянная;
• алюминиевая;
• кремнистая;
• бериллиевая;
• мышьяковистая;
• висмутовая;
• свинцовая.

Хотя цинковой бронзы не существует, но Zn все же присутствует в небольших количествах (до 10%). Сплав Cu + Sn + Zn называется пушечной бронзой.

Бронза – прочный материал, поэтому из нее изготавливают детали узлов механизмов, работающих в различных агрессивных средах и подвергающихся усиленным механическим нагрузкам.

Латунь

Сплав меди с цинком называется латунью. Увеличение процентного содержания Zn с 5% до 45% изменяет цвет латуни от красного до желтого.

Иногда в сплав добавляют в небольших количествах другие химические элементы. В маркировке они обозначаются русскими буквами: А – алюминий, С – свинец, Мц – марганец, Жз – железо. Вместе с процентным содержанием они обозначают хим. состав сплава.

Латунь, как и бронза, имеет разновидности, в зависимости от содержания цинка. Одна из них – томпак, из которого делают пули.

Мельхиор

Сплав меди с никелем (5-30%) похож на серебро, поэтому мельхиоровая посуда и украшения пользуются спросом. В качестве легирующих добавок используются железо и марганец (не более 1%).

Есть 2 разновидности мельхиора – константан (41 % никеля) и монель (Ni до 67%).

Нейзильбер

Этот цветной материал сплавляется из меди, цинка и никеля.

Процентное содержание компонентов варьируется, что создает различные марки нейзильбера. Самая востребованная – МНЦ15-20. Маркировка означает, что в сплаве содержится 15% никеля и 20% цинка.

В наши дни нейзильбер и латунь сумели вытеснить мельхиор, оставив ему небольшую нишу – производство бытовых товаров.

Другие сплавы

Еще несколько известных медных сплавов:

• французское золото: Cu + Sn + Zn;
• северное золото (Cu + Al+ Zn + Sn);
• абиссинское золото (Cu + Zn + Au);
• куниаль (Cu + Ni + Al);
• манганин (Cu + Ni + Mn).

Купрум используется не только в качестве основного металла – его добавляют как легирующий компонент, например:

• Алюминий с 4,5% Cu образуют дюралюминий.
• Золото 583 пробы становится тверже, приобретает насыщенный цвет, благодаря 33,5% меди в качестве лигатуры.
• При добавлении 0,2-3,5% Cu к сплаву железа с углеродом получается медистая сталь, с улучшенными литейными, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Трудно назвать сплав, в состав какого не входит медь. Пусть даже в процентном количестве менее 1%, но она используется в соединениях цветных и черных металлов, включая чугун.

Где используется медь и ее сплавы

В рамках статьи трудно перечислить все области применения меди и ее сплавов. Их уникальные свойства используются в тяжелой и легкой промышленности, машино- и судостроении, авиации, медицине – практически во всех отраслях народного хозяйства и в быту. Каждая марка имеет свое применение, например, из сплава МО изготавливают токопроводящую продукцию, детали для бытовой техники и электроники, из марки М1 – металлопрокатные изделия, проволоку, сварочные электроды.

Применение меди и латуни в сантехнике (фитинги, переходники, запорная арматура) и строительстве (крыши, купола, водосточные системы и пр.) стало возможным, благодаря высокой теплопроводности и устойчивости к влаге. Благодаря привлекательному внешнему виду, бронза – наиболее используемый материал для скульптуры, а из мельхиора и нейзильбера чеканят разменные монеты, делают украшения. Медные трубопроводы – идеальное решение для стран, подверженных частым землетрясениям.

В электротехнике медь – незаменимый материал для производства проводов, силовых кабелей.

Значение меди для человека

Медь – один из важнейших микроэлементов не только для растений. Она содержится в организме человека (100-200 мг) и вырабатывается печенью. Для поддержания баланса человек ежедневно должен потреблять 2 мг меди. Избыток минерала превращается в яд, из-за этого нельзя готовить еду в медной посуде.

Пользу меди нельзя переоценить, если речь идет о заживлении ран и восстановлении организма. Она обладает бактерицидными свойствами, способствует нормализации работы кровеносной системы, регенерации тканей, используется как компонент для некоторых лекарственных препаратов. За 2 часа на медной поверхности гибнут все микробы, поэтому планируется для больниц и других общественных мест изготавливать перила, замки и дверные ручки из этого металла.

Медные браслеты и амулеты носили еще в древности не для украшения, а для поддержания здоровья. С этой же целью с помощью нанотехнологий создано постельное и нательное белье с медными нитями. Оно благотворно влияет на кожу, сосуды, ЦНС, опорно-двигательный аппарат.

Если проанализировать значение меди и повсеместное ее использование, можно сказать, что медный век продолжается.

Ответы на вопросы пользователей о меди

Ответим на несколько популярных вопросов от пользователей.

Есть ли в старых телевизорах медь

С 1 старого телевизора можно набрать от полутора до двух килограммов меди. В основном это обмотка трансформатроров, катушки.

Какая электронная и электронно графическая формула меди

Что касается электронной конфигурации атома меди: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹

Графическая формула меди: