Медь, её свойства и сплавы

      Медь. Химический элемент, символ Cu (лат. Cuprum, от лат. названия острова Кипр, откуда греки и римляне вывозили медь), имеет порядковый номер 29, атомный вес  63, 54, основную валентность II, плотность 8, 9 г/см³, температуру плавления 1083^ОС, температуру кипения 2600^ОС.

       Её знали в древности раньше железа и употребляли, особенно в сплаве с другими металлами, для оружия и домашних предметов.

       Медь, единственный металл, имеющий красноватый цвет. Это отличает её от всех других металлов.

      В химическом отношении медь является малоактивным металлом. Чистая пресная вода и сухой воздух практически не вызывают коррозии меди, но на воздухе, в присутствии углекислого газа, она покрывается плёнкой зелёного цвета (патиной), гидроокисным карбонатом меди CuCO₃ ^. Cu(OH)₂. При нагреве на поверхности металла образуется чёрный налёт окиси меди CuO.

      Незначительное влияние на химическую стойкость меди оказывают сухие газы, ряд органических кислот, спирты и фенольные смолы, к углероду медь пассивна. Хорошей коррозионной стойкостью обладает медь и в морской воде. При отсутствии других окислителей на медь не действуют разбавленные серная и соляная кислоты. Однако в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей (в серной кислоте, образуя сульфат CuSO₄; в соляной кислоте, образуя хлорид меди CuCl₂), в азотной кислоте медь растворяется, образуя нитрат Cu(NO₃)₂:

                                                                                                                                                                   2Cu + 2HCl + O₂ = 2CuCl₂ + 2H₂O

                                                                                                       

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Медная проволока

(зачищена ножом до блеска).

Проволока покрылась мелкими прозрачными пузырьками. Кислота сама по себе желтоватого цвета; квалификация «ч».

Кислота стала приобретать зеленоватый оттенок лишь на четвёртый день пребывания в ней проволоки.

  При температуре

  20^ОС в серной кислоте как в воде.

В азотной кислоте сразу же началась реакция. Кислота стала принимать зелёный цвет и немного нагрелась. Над её поверхностью появился бурый оксид азота. Проволока «растворилась» за четыре минуты.

Разбавленная кислота приобретает зелёно-голубой цвет.

                                                                                                                                                                   Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

                                                                                                                                                                    Cu + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O.

      При взаимодействии её с уксусной кислотой образуется основной ацетат меди  – ядовитая  ярь-медянка.   

      По реакции в азотной кислоте можно проверять сплавы на наличие меди — если кислота приобрела сине-зелёный цвет, значит, в сплаве присутствует медь.

     Медь плохо сопротивляется действию аммиака, аммиачных солей и щелочных цианистых соединений. Коррозию меди вызывают также хлористый аммоний и окислительные минеральные кислоты.

      На фотографиях показаны начала реакций при комнатной температуре.

      Медь обладает хорошим блеском и высокой полируемостью, однако блеск её довольно быстро исчезает.

     Она получила широкое применение в технике и промышленности благодаря ряду ценных свойств, которыми обладает. Важнейшими свойствами меди являются высокие электро- и теплопроводность, высокая пластичность и способность подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состояниях, хорошая сопротивляемость коррозии и способность к образованию многих сплавов с широким диапазоном различных свойств. По показателям электро- и теплопроводности медь уступает только серебру, имеет очень высокую удельную теплоёмкость.  Медь диамагнитна.

      Более 50% добываемой меди применяется в электротехнической промышленности (чистая медь); примерно 30 — 40 % меди применяется в виде сплавов, которые имеют большое значение (латуни, бронзы, мельхиоры и др.). Например, в производстве полупроводниковых приборов медь используют для изготовления деталей самого прибора, прежде всего выводов и кристаллодержателей (кристаллодержатель – это деталь, на которой непосредственно укреплена пластинка полупроводника) мощных приборов и деталей технологического оборудования.

      Хорошая теплопроводность меди, её высокая коррозионная устойчивость позволяют использовать этот металл для изготовления различных теплообменников, трубопроводов и т.п., например, тазы из меди обеспечивают равномерный нагрев при варке варенья.

         Основные физические  и механические свойства меди:

 

 

Атомная масса ……………………………………………………   63

Плотность при 20^ОС, г/см³ ………………………………………..8, 96

Температура, ^ОС:

                 плавления ………………………………………………  1083

                   кипения ………………………………………………….2600

Удельная теплоёмкость, ккал/г …………………………………0, 092

Теплопроводность кал/ (см ^.  сек ^. град) ……………………….0, 941

Скрытая теплота плавления, кал/г ……………………………..43, 3

Коэффициент линейного расширения, 1/град ………………. 0, 000017

Удельное электросопротивление, Ом ^. мм²/м ……………….0, 0178

Временное сопротивление меди, кг,/мм² :

                 деформированной …………………………………….40 — 50

                 отожжённой …………………………………………….20 — 24

Предел текучести меди, кг/мм² , при температуре, ^ОС:

                    20 ………………………………………………………...7

                    200 ……………………………………………………….5

                    400 ……………………………………………………….1, 4

Относительное удлинение меди, %

                   деформированной …………………………………….4 — 6

                   отожжённой …………………………………………….40 — 50

Предел упругости меди, кг/мм² :

                   деформированной ………………………………….   30

                   отожжённой …………………………………………….7

Модуль упругости, кг/мм² ………………………………………. 13200

Модуль сдвига, кг/мм² …………………………………………...4240

Предел усталости меди при переменно-изгибающих

напряжениях на базе 10⁸ циклов, кг/мм² :

                 деформированной …………………………………….11

                 отожжённой ……………………………………………..6, 7

Твёрдость НВ меди, кг/мм² :

                 деформированной …………………………………….90 — 120

                 отожжённой ……………………………………….. …..35 — 40

 

      Важнейшие соли меди.

      Сульфат меди CuSO₄ в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощении воды синеет, и, следовательно, водный раствор сульфата приобретает сине-голубой цвет. Из водных растворов сульфат меди кристаллизуется с пятью молекулами воды, образуя прозрачные синие кристаллы. В таком виде он называется медным купоросом.

      Хлорид меди CuCl₂ ^. 2H₂O образует тёмно-зелёные кристаллы, легко растворимые в воде.

      Нитрат меди Cu(NO₃)₂ ^. 3H₂O получается при растворении меди в азотной кислоте. При нагревании кристаллы меди сначала теряют воду, а потом разлагаются с выделением кислорода и бурого диоксида азота, переходя в оксид меди.

      Ацетат меди Cu(CH₃COOO)₂ ^. H₂O получается при обработке меди или её оксида уксусной кислотой. Под названием ярь-медянка применяется для приготовления масляной краски.

      Смешанный ацетат-арсенит меди Cu(CH₃COO)₂ ^. Cu₃(AsO₃)₂ применяется под названием парижская зелень для уничтожения вредителей растений.

      Из солей меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разных по цвету: зелёных, синих, коричневых, фиолетовых, чёрных.

      Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят (покрывают слоем олова), чтобы предотвратить возможность образования медных солей.

      Медь принадлежит к числу жизненно важных микроэлементов. Такое название получили Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co в связи с тем, малые количества их необходимы для нормальной жизнедеятельности растений. Микроэлементы повышают активность ферментов, способствуют синтезу сахара, крахмала, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и ферментов. Чаще всего медь вносят в почву в виде медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, а в малых же дозах медь необходима всему живому.

      В технической меди в качестве примесей содержатся: висмут, сурьма, мышьяк, железо, никель, свинец, олово, сера, кислород, цинк и другие. Все примеси, находящиеся в меди, понижают  её электропроводность. Температура плавления, плотность, пластичность и другие свойства меди также значительно изменяются от присутствия в ней примесей.

      Висмут и свинец в сплавах с медью образуют легкоплавкие эвтектики (от греческого eutektos — сплав, точка плавления которого ниже точек плавления входящих в его состав компонентов, если последние не образуют между собой химического соединения), которые при кристаллизации затвердевают в последнюю очередь и располагаются по границам ранее выпавших зёрен меди (кристаллов). При нагревании до температур, превышающих точки плавления эвтектик (270 и 327°С соответственно), зёрна меди разъединяются жидкой эвтектикой. Такой сплав является красноломким и при прокатке в горячем состоянии разрушается. Красноломкость меди может вызываться присутствием в ней тысячных долей процента висмута и сотых долей процента свинца. При повышенном содержании висмута и свинца медь становится хрупкой и в холодном состоянии.

      Сера и кислород образуют с медью тугоплавкие эвтектики с точками плавления выше температур горячей обработки меди (1065 и 1067°С). Поэтому присутствие в меди небольших количеств серы и кислорода не сопровождается появлением красноломкости. Однако значительное повышение содержания кислорода приводит к заметному понижению механических, технологических и коррозионных свойств меди; медь становится красноломкой и хладноломкой. 

      Медь, содержащая кислород, при отжиге её в водороде или в атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается. Это явление известно под названием «водородной болезни». Растрескивание меди в этом случае происходит в результате образования значительного количества водяных паров при взаимодействии водорода с кислородом меди. Водяные пары при повышенных температурах имеют высокое давление и разрушают медь. Наличие трещин в меди устанавливается путем испытания на изгиб и кручение, а также микроскопическим методом. В меди, поражённой водородной болезнью, после полировки хорошо видны характерные тёмные включения пор и трещин.

      Сера снижает пластичность меди при холодной и горячей обработке давлением и улучшает обрабатываемость резанием.

      Железо растворяется в меди в твёрдом состоянии весьма незначительно. Под влиянием примесей железа резко снижаются электро- и теплопроводность меди, а также её коррозионная стойкость. Структура меди под влиянием примесей железа измельчается, что повышает её прочность и уменьшает пластичность. Под влиянием железа медь становится магнитной.

      Бериллий является раскислителем по отношению к меди, несколько снижает электропроводность её, повышает механические свойства и значительно уменьшает окисление при повышенных температурах.

      Мышьяк сильно понижает электро- и теплопроводность меди.  Одновременно с этим мышьяк в значительной мере нейтрализует вредное влияние примесей висмута, кислорода, сурьмы и повышает жаростойкость меди. Поэтому мышьяковистая медь с содержанием 0,3—0,5% Аs применяется для изготовления деталей специального назначения, используемых для работы в условиях восстановительной атмосферы при повышенных температурах. Мышьяк растворим в меди в твёрдом состоянии до 7,5%.

      Сурьма очень сильно понижает электро– и теплопроводность меди. Поэтому медь, предназначенная для изготовления проводников тока, должна содержать минимальное количество сурьмы (не выше 0,002%). Растворимость сурьмы в меди при температуре образования эвтектики (645°С) составляет 9,5%. При понижении температуры растворимость сурьмы в меди резко падает. С этим связано отрицательное влияние сурьмы при прокатке меди. Медь, подлежащая прокатке, не должна содержать сурьмы более 0,06%. В меди, предназначенной для штамповки, допускается содержание сурьмы до 0,2%.

      Фосфор сильно понижает электро- и теплопроводность меди, но положительно влияет на ее механические свойства и жидкотекучесть. Фосфор широко применяется в литейном деле в качестве раскислителя меди и оказывает положительное влияние при сварке меди.

      Алюминий  повышает коррозионную стойкость и снижает окисляемость меди при нормальной  и повышенной температурах, значительно понижает её электро- и теплопроводность, а также оказывает отрицательное влияние при пайке и лужении медных изделий. На механические свойства и обрабатываемость меди давлением примесь алюминия не оказывает заметного влияния. Растворимость алюминия в меди в твёрдом состоянии составляет 9,6%.

                    КОНЕЦ

                                                                                                       

      © П.М.В., 2006 — 2009