Медь: определение, состав, типы, свойства и применение

Медь — это химический элемент, который является металлом. Его ключевые свойства заключаются в том, что он обладает отличной электропроводностью, высокой теплопроводностью и хорошей коррозионной стойкостью.

Он также пластичен и имеет интересный красновато-коричневый цвет. Сочетание этих свойств приводит к широкому применению меди в инженерных и эстетических целях.

Что такое медь?

Медь — химический элемент, номер 29 в периодической таблице элементов. Символом элемента меди является Cu, от латинского «cuprum». Это пластичный металл красновато-коричневого цвета. Он широко применяется благодаря высокой тепло- и электропроводности.

История меди восходит к 8700 г. до н.э. Медный кулон, обнаруженный в Северном Ираке, датируется примерно этой датой и в настоящее время считается самым старым предметом из меди.

Медь была важнейшим металлом во многих древних цивилизациях, но общепризнано, что медь открыли жители Месопотамии (в Северном Ираке).

Фактически, доисторический период — это медный век между 5500 г. до н.э. и 4000 г. до н.э., обычно называемый эпохой энеолита от греческих слов, обозначающих медь (халкос) и камень (литос).

Медь является одним из немногих металлов, которые могут встречаться в природе в естественной металлической форме. Это отличается от большинства металлов, которые необходимо извлекать с помощью металлургии из руды.

В местах, где встречается самородная медь, технологии металлургии не были необходимы тем цивилизациям, чтобы начать работать с медью для изготовления оружия и украшений.

Другим названием меди является латинское слово cuprum (Cu) в периодической таблице элементов.

Латинское название меди произошло от острова Кипр, так как в древние времена остров был основным источником меди. Купрум был «металлом Кипра».

Состав меди?

Медь является химическим элементом. Он состоит только из атомов одного типа — его нельзя разложить на более простые вещества. Атом меди имеет атомный номер 29, что означает, что его атомное ядро содержит 29 протонов.

Медь добывается из природных руд — либо сульфидной руды (например, халькопирит), либо руды оксида меди. Эти руды добываются, дробятся и перерабатываются для производства меди.

Медные руды находятся в России (Уральские горы), в некоторых частях Северной и Южной Америки (таких странах, как Чили и Перу), а также в Замбии и Демократической Республике Конго в Африке.

Процессы производства меди

Различные процессы производства меди описаны ниже:

1. Добыча

Добыча медных руд обычно ведется в крупных карьерах. Это открытые ступенчатые ямы в земле, которые постепенно углубляются. Для взрыва породы используются взрывчатые вещества, а полученные валуны транспортируются для дробления на более мелкие части для обработки.

2. Извлечение

В соответствии с двумя распространенными типами медной руды существует два основных процесса очистки. Для окисленных руд используется гидрометаллургический процесс.

Измельченная руда складывается в кучу, и раствор для кислотного выщелачивания просачивается через кучу. Это создает насыщенный раствор для выщелачивания.

Пирометаллургический процесс используется для сульфидных руд. Извлечение руды осуществляется пенной флотацией и сгущением в зависимости от плотности частиц.

3. Очистка

Для окисленных руд используется гидрометаллургия. Это означает, что продуктивный выщелачивающий раствор направляется в процесс экстракции растворителем для концентрирования меди в растворе.

Затем этот раствор направляют на электролиз, где электричество используется для осаждения твердой меди. Для сульфидных руд используется пирометаллургия, что означает, что плавильный завод используется для производства сырой меди. Затем его дополнительно очищают электрорафинированием.

4. Легирование

Медные сплавы производятся путем сначала плавления легирующего материала, а затем плавления меди для добавления к нему. Затем расплавленную смесь отливают и дают ей остыть и затвердеть.

5. Электрорафинирование

Электрорафинирование меди включает электролитическое растворение нечистого медного материала в растворе. Чистая медь электрохимически осаждается на электроде путем подачи электрического тока через раствор.

Это удаляет примеси из меди для достижения более высокой чистоты. Однако этот процесс является дорогостоящим и требует очень большого потребления электроэнергии.

Характеристики меди

Металлическая медь обладает основными характеристиками отличного электрического и теплового проводника. Он также податлив и пластичен, что означает, что его можно относительно легко согнуть. Это упрощает работу, например, с гибкими кабелями.

Еще одной ключевой характеристикой металлической меди является ее коррозионная стойкость, особенно в воде и морской воде. Наконец, медь имеет то преимущество, что она эстетически привлекательна, поскольку она имеет красновато-коричневый цвет и ее можно полировать.

Какого цвета медь?

Медь обычно имеет красновато-коричневый цвет.

Однако чистая медь до окисления на самом деле имеет розовый цвет, но образование коричневого оксида меди происходит так быстро, что любая легкодоступная медь будет обычной красновато-коричневой. Медь также может иметь зеленый оттенок (например, на Статуе Свободы) — это карбонат меди.

Как выглядит медь?

Медь выглядит как красновато-коричневый блестящий металл. Медь может быть переработана во множество различных практических форм, таких как провода, водопроводные трубы и электроника.

Виды меди

Медь доступна в различных типах для различных приложений. Свойства и области применения каждой марки меди зависят от чистоты меди и от того, какие легирующие элементы (если таковые имеются) включены. Ниже перечислены различные типы меди:

1. Медная проволока

Медная проволока использует превосходную электропроводность металла. Это наиболее распространенный проводник для большинства электрических применений.

Она используется для больших токов в промышленности, а также для бытового использования, вплоть до проводки в вашем доме для розеток и освещения.

2. Медная трубка

Медные трубы широко используются для бытовых систем питьевой воды из-за их коррозионной стойкости и, следовательно, долговечности.

За последние несколько десятилетий в большинстве стран мира стало стандартом использование медных труб для сантехники.

Трубы доступны в различных диаметрах и датчиках (толщина стенок). Высокая стоимость меди и появление улучшенных материалов для пластиковых труб означает, что медь становится менее популярной.

3. Медные сплавы

Двумя наиболее распространенными медными сплавами являются латунь (легированная цинком) и бронза (легированная оловом). Латунь обычно применяется более широко. Из неё изготавливают сантехнику, музыкальные инструменты и предметы декора.

Добавление цинка придает сплаву более высокую прочность и пластичность. Бронза имеет очень схожие характеристики с медью, такие как высокая теплопроводность, отличная пластичность и устойчивость к коррозии в морской воде. Поэтому бронза используется для подшипников и втулок, а также для судовых крыльчаток.

4. Чистая медь

Чистая медь специально подготовлена для обеспечения минимума примесей, максимизируя тепловые и электрические свойства меди.

Чистая медь более мягкая и менее прочная, чем медь с добавками или незначительными легирующими материалами. Она идеально подходит для прецизионных электрических компонентов, для которых идеальна его электропроводность и низкое тепловое расширение.

5. Медные наночастицы

Наночастицы меди представляют собой очень маленькие частицы меди или материалов на ее основе, размер которых находится в диапазоне от 1 до 100 нм. Было обнаружено, что поведение наночастиц отличается от поведения объемных материалов.

В случае наночастиц меди они проявляют очень высокую каталитическую активность в промышленных химических реакциях, вероятно, из-за их большого отношения площади поверхности к объему. Кроме того, наночастицы меди показали отличные противомикробные эффекты.

6. Медь для свободной обработки

В медь, подвергаемую свободной механической обработке, добавляют небольшое количество (<1%) других легирующих элементов для улучшения обрабатываемости меди. Затем из меди свободной механической обработки можно будет легче изготовить такие предметы, как сварочные сопла и жала паяльника.

7. Медные листы и пластины

Медные листы представляют собой тонкие листы меди (около 2 мм и менее), а пластины более толстые (толщиной до 12 мм). Как правило, они доступны в различных сортах меди. Листы очень податливы и могут быть сформированы в различные компоненты.

8. Бескислородная медь

Бескислородную медь плавят в ванне с гранулированным графитом, чтобы исключить доступ кислорода. Это самая чистая из доступных медей с минимальным количеством примесей из-за неокислительных условий. Его высокая электропроводность и низкое содержание летучих примесей делают его пригодным для использования в высоковакуумной электронике.

9. Электролитические котлы

Электролитическая медь очищается электролизом в растворе для удаления примесей. Этот сорт меди высокой чистоты обладает высокой электропроводностью и поэтому используется в различных электрических компонентах, таких как шины и обмотки.

Свойства меди

Таблица 1: Свойства меди

Тип меди	Состав	Характеристики	Общее использование	Примеры
Медные трубы	99,9% меди, < 0,04% фосфора	Коррозионностойкий, пластичный	Водоснабжение	Трубопровод бытовой сантехники
Латунь	> 60 % меди, ≤ 39 % цинка	Более высокая прочность и пластичность	Сантехника, музыкальные инструменты	Краны, трубы
Бронза	88% медь, 12% олово	Отличная пластичность и коррозионная стойкость	Статическая смазка, стойкость к коррозии морской водой	Втулки и подшипники, судовые гребные винты
Медные наночастицы	Разнообразный	Высокая каталитическая активность, лучшая антимикробная активность	Стоматология, сельское хозяйство	Зубные имплантаты, пестициды
Свободнообрабатывающая медь	99% меди, < 0,5% серы, теллурид	Более высокая обрабатываемость	Механически обработанные компоненты	Сварочные насадки, паяльные жала
Бескислородная медь	99,99% меди	Очень хорошая электропроводность	Специализированная электроника	Высоковакуумные электронные компоненты
Электролитическая медь	99,9% меди	Очень хорошая электропроводность	Критические электрические компоненты	Заземляющие провода, шины

Физические свойства меди

Таблица 2: Физические свойства меди

Тип меди	Плотность (г/см3)	Температура плавления (°С)	Температура кипения (°С)	Пластичность	Теплопроводность (Вт/мК)
Медь высокой чистоты (>99%)	8,9	1083	2595	0,5	401
Механическая обработка меди	8,94	1080	н/д	н/д	377
Латунь	8,73	930	1100	н/д	144
Бронза	8,8	910	2300	н/д	189

Физические свойства зависят от процентного содержания меди в материале, а также легирующих элементов.

Химические свойства меди

Химические свойства меди зависят в первую очередь от степени ее окисления. Обычно существуют две степени окисления: Cu+ и Cu2+. В таблице 3 ниже приведены некоторые химические свойства распространенных соединений и условий для меди:

Таблица 3: Химические свойства меди

Тип меди	Реактивность	Окислительный потенциал (В)	Восстановительный потенциал (В)	Растворимость (КСП)	Устойчивость к коррозии
Cu+	Нереактивный (водород > медь > серебро)	-1	1	Нерастворимый (оксид)	0,025 мм/год (морская вода)
Cu2+	Нереактивный (водород > медь > серебро)	0	0,34	2,2×10-2 (гидроксид)	0,025 мм/год (морская вода)

Эти свойства могут различаться для каждого конкретного соединения меди (такого как оксалаты, сульфиты и сульфаты.

Где применяется медь?

Применение меди встречается в повседневном обществе. Ниже перечислены некоторые распространенные примеры:

1. Электроника

Медь широко используется в электронике, так как обладает отличной электропроводностью. Это позволяет проводить токи по медным поперечным сечениям меньшего размера по сравнению с алюминием, что позволяет использовать меньший объем и меньшие размеры компонентов.

2. Архитектура

Медь используется в архитектуре для эстетически яркого внешнего вида. Он использовался для облицовки крыш и стен, а также водосточных желобов и водостоков.

3. Сантехника

Медные трубы широко используются для бытовых водопроводов в домашних условиях из-за их очень хорошей коррозионной стойкости.

4. Транспорт

Медь широко используется в современных автомобилях из-за большого количества электрических кабелей, используемых для сложной электроники.

По мере роста доли рынка электромобилей все большее количество меди используется для таких элементов, как электродвигатели. Это связано с превосходной электропроводностью меди, уступающей только серебру.

5. Возобновляемая энергия

Медь используется на рынке возобновляемых источников энергии по-разному. Например, ветряные турбины используют медь в генерирующих турбинах. Солнечные фотоэлектрические панели также требуют меди для соединений и кабелей.

6. Медицинское оборудование

Медь используется в качестве покрытия на медицинском оборудовании из-за ее антибактериальных свойств. Таким образом, снижается риск инфицирования пациентов.

7. Электропроводка

Медь широко используется для электропроводки из-за ее превосходной электропроводности. Поперечное сечение меди, необходимое для эффективной передачи определенного тока, меньше, чем у других доступных материалов, таких как алюминий.

8. Чеканка

Медь исторически использовалась в монетах по ряду причин: она податлива и поэтому легко штампуется, но при этом достаточно прочна, чтобы выжить в обращении. Он также обладает антимикробными свойствами и коррозионной стойкостью.

9. Промышленное оборудование

Медь по-разному используется в промышленном оборудовании. Помимо электрических приложений, таких как двигатели и кабели, он также используется в теплообменниках, таких как конденсаторы охлаждения. Он также может применяться для обеспечения особой химической стойкости.

Преимущества меди

Медь имеет ряд очевидных преимуществ, которые перечислены ниже:

Обладает превосходной электропроводностью, уступая только серебру, что делает его наиболее широко используемым проводником для электрических и электронных компонентов во всем мире.
Обладает очень хорошей теплопроводностью, поэтому используется в теплообменниках, таких как конденсаторы в холодильных установках и кондиционерах.
Обладает коррозионной стойкостью, особенно в воде и морской воде, что привело к его широкому использованию в сантехнических трубопроводах для водных систем.
Пластична и относительно легко сгибается. С ней легко работать как в сантехнических системах, так и в кабелях.
Является противомикробным материалом, что может быть очень полезно при транспортировке воды, а также в медицинских целях для защиты здоровья пациентов.

Медь — это микроэлемент, необходимый для здоровья человека в очень малых количествах. Медь играет важную роль в организме, способствуя усвоению железа, участвуя в производстве эритроцитов, а также в производстве коллагена. Считается, что он улучшает функцию иммунной системы.

Необходимы дополнительные исследования, но есть некоторые признаки того, что медь может улучшить остеопороз (низкую плотность костей), и есть недоказанные теории о том, что медные браслеты можно использовать для облегчения боли в суставах при артрите.

Группы продуктов, которые содержат медь, включают листовую зелень, цельные зерна, орехи и семена. Конкретными продуктами с высоким содержанием меди являются устрицы, грибы шиитаке, сладкий картофель и темный шоколад.

Недостатки меди

Медь имеет ряд недостатков, некоторые из которых перечислены ниже:

Относительно дорог по сравнению с потенциальными альтернативными материалами, такими как: алюминий (электрические кабели) или пластмассы (водопроводы).
Относительно тяжелый по сравнению с такими материалами, как алюминий, поэтому для воздушных проводов он может быть нецелесообразным.
Окисляется, особенно при высоких температурах, и поэтому имеет ограниченный срок службы на воздухе.
Риск поражения электрическим током по сравнению с альтернативной технологией передачи сигнала по оптоволокну.
В больших количествах этот материал токсичен, поэтому его нельзя применять там, где может происходить регулярное попадание меди в организм, например, в посуде.

Часто задаваемые вопросы о меди

Ржавеет ли медь?

Медь технически не ржавеет, так как ржавчина представляет собой оксид железа, а в меди нет железа. Тем не менее, медь подвержена некоторой ограниченной поверхностной коррозии.

Медь считается устойчивой к коррозии. Она естественно имеет красновато-коричневый цвет, что связано с образованием пассивирующей пленки оксида меди на поверхности металла.

Со временем на поверхности образуется зеленый карбонат меди, поскольку оксид меди реагирует с водой и углекислым газом в воздухе.

Ядовита ли медь для человека?

Да, медь может быть ядовитой для человека в значительных концентрациях. Медь является важным микроэлементом для здоровья человека, но при избытке меди возникает ряд осложнений.

Высокая концентрация меди в крови связана с болезнью Альцгеймера и некоторыми видами рака, такими как рак груди и легких.

Острое отравление медью встречается очень редко, но может произойти при поглощении больших количеств меди. Это может быть фатальным, поскольку начинает происходить отказ таких органов, как печень и почки.

Является ли медь металлом?

Да, медь — это металл. Он также считается тяжелым металлом из-за его относительно высокой плотности. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по металлоидам .

В чем разница между медью и металлом?

Медь является одним из более чем 90 элементарных металлов. Медь — это металл, но многие металлы сильно отличаются от меди.

Одни металлы отличаются по цвету; большинство металлов белые или серые, но медь красновато-коричневая.

Другие металлы могут отличаться по своим физическим и химическим свойствам — они более твердые и хрупкие, чем медь, и обычно они не так легко проводят тепло или электричество.

В чем разница между медью и алюминием?

Медь и алюминий — два разных металла с разными свойствами. Наиболее очевидным визуальным отличием является цвет: медь — красновато-коричневая, а алюминий — тусклый серебристо-серый. Медь имеет более высокую прочность на растяжение, чем алюминий , и лучшую электрическую и тепловую проводимость.

В чем разница между медью и латунью?

Латунь представляет собой сплав преимущественно меди и цинка. Таким образом, латунь отличается от меди тем, что включает в себя другие металлы.

Латунь может включать другие металлы, такие как олово, свинец, алюминий или марганец, в меньших количествах для достижения определенных свойств.

В этой статье представлена медь, объясняется, что это такое, и обсуждаются различные области применения меди.