Использование: переработка вторичных отходов, например электронного лома, омедненных отходов металлических циркония и гафния, отходов сверхпроводниковых материалов в медной оболочке. Способ включает перевод меди в раствор азотной кислотой, нейтрализацию выделяющихся оксидов азота, переработку полученных растворов. Растворение меди ведут азотной кислотой с концентрацией не более 270 г/л. Одновременно проводят нейтрализацию оксидов азота непосредственно в растворе предварительно введенным в раствор нитратом аммония. Нитрат аммония вводят в азотную кислоту в количестве 100-300% от стехиометрически необходимого. Скорость растворения меди регулируют постепенным введением выщелачивающего раствора. 2 з.п.ф-лы.
Историческая справка
Медь является одним из самых важных элементов древности. Медь, золото, серебро и олово были первыми металлами, которые человечество узнало в своем историческом развитии. Поскольку медь легко обрабатывается, она использовалась древнейшими культурами более 10 000 лет назад. Время широкого использования меди пришлось с 5 тысячелетия до н.э. до 3-го тысячелетия до н.э.
Однако, в чистом виде медь оказалась относительно мягкой для производства оружия и инструментов. Поэтому древние люди путем экспериментов, добавляя в расплавленную медь кусочки свинца и олова, получили бронзу. Это гораздо более твердый материал, чем нелегированная медь. Бронза используется человечеством уже более 5000 лет. Этот сплав дал название целой исторической эпохе.
В алхимии медь ассоциировалась с Венерой (женственностью). Безусловно не в последнюю очередь потому, что первые зеркала, которыми пользовались женщины, были сделаны из этого металла.
Свойства оксидов
Как и другие химические элементы, медь имеет бинарные соединения с кислородом, а именно три типа оксидов:
- Cu2O — красно-коричневое кристаллическое вещество. Этот оксид меди не растворяется в воде, но растворяется при 1240 ° C. Он используется в качестве пигмента для окрашивания керамики. Также используется как фунгицид.
- CuO — черный кристалл, практически не растворимый в воде. При взаимодействии с кислотами образует соль двухвалентной меди и воды. Применяется при изготовлении рубиново-медного стекла, а также при окраске эмали в синий или зеленый цвета.
- Cu2O3 — красные кристаллы, не растворимые в воде. Вещество разлагается под воздействием температур около 400 ° C, в результате чего образуются CuO и O. Именно эти продукты — оксид меди (II) и кислород — широко используются в науке и различных отраслях промышленности.
Физические свойства
При плотности 8920 кг/куб.м медь является одним из тяжелых металлов с температурой плавления 1083,4 С. Она кристаллизуется в гранецентрированную кубическую систему (ГЦК) и имеет твердость по Моосу от 2,5 до 3. Медь очень хорошо проводит электричество. Немного хуже, чем серебро, и значительно лучше золота. Кроме того, медь является очень хорошим проводником тепла.
Однако алюминий является лучшим электрическим проводником на грамм вещества, чем медь. Но он более объемный, так что медь на квадратный сантиметр сечения кабеля проводит электричество лучше, по сравнению с аналогичным сечением провода из алюминия.
Чистая металлическая медь имеет ярко-красный цвет с розовым отливом. На воздухе медь приобретает красновато-коричневый оттенок. Из-за дальнейшего окисления и коррозии очень медленно (часто в течение столетий) на поверхности меди образуется патина. Металлический блеск теряется, а цвет меняется с красновато-коричневого на голубовато-зеленый.
Химические свойства железа
Железо Fe, химический элемент группы VIIIB, с порядковым номером 26 в периодической таблице. Распределение электронов в атоме железа следующее: 26Fe1s22s22p63s23p63d64s2, т.е железо относится к элементам d, так как подуровень d в его корпусе заполнен. Он больше характеризуется двумя степенями окисления +2 и +3. В оксиде FeO и гидроксиде Fe (OH) 2 преобладают основные свойства, тогда как оксид Fe2O3 и гидроксид Fe (OH) 3 заметно амфотерны. Таким образом, оксид и гидроксид железа (III) в некоторой степени растворяются при кипячении в концентрированных щелочных растворах, а также реагируют с сухими щелочами при плавлении. Следует отметить, что степень окисления железа +2 очень нестабильна и легко переходит в степень окисления +3. Также известны соединения железа в редкой степени окисления +6 — ферраты, соли несуществующей «железной кислоты» H2FeO4. Эти соединения относительно стабильны только в твердом состоянии или в сильно щелочных растворах. При недостаточной щелочности среды ферраты тоже довольно быстро окисляют воду, выделяя из нее кислород.
Взаимодействие с простыми веществами
С кислородом
Железо, сжигаемое в чистом кислороде, образует так называемое прокаленное железо, которое имеет формулу Fe3O4 и фактически представляет собой смешанный оксид, состав которого условно можно представить формулой FeO ∙ Fe2O3. Реакция горения железа следующая:
3Fe + 2O2 = а => Fe3O4
С серой
При нагревании железо реагирует с серой с образованием сульфида железа:
Fe + S = а => FeS
Или, при избытке серы, дисульфид железа:
Fe + 2S = а => FeS2
С галогенами
Со всеми галогенами, кроме йода, металлическое железо окисляется до степени окисления +3, образуя галогениды железа (lll):
2Fe + 3F2 = a => 2FeF3 — фторид железа (lll)
2Fe + 3Cl2 = a => 2FeCl3 — хлорид железа (III)
2Fe + 3Br2 = a => 2FeBr3 — бромид железа (lll)
Йод, как самый слабый окислитель среди галогенов, окисляет железо только до степени окисления +2:
Fe + I2 = a => FeI2 — йодид железа (ll)
Следует отметить, что соединения трехвалентного железа легко окисляют иодид-ионы в водном растворе с выделением йода I2, восстанавливающегося до степени окисления +2. Примеры подобных реакций от банка ФИПИ:
2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl
2Fe (OH) 3 + 6HI = 2FeI2 + I2 + 6H2O
Fe2O3 + 6HI = 2FeI2 + I2 + 3H2O
С водородом
Железо не реагирует с водородом (с водородом металлов реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
Месторождения меди
Медь иногда встречается в природе в чистом виде как твердый элемент. В основном в базальтовых лавах. Она находится там в виде самородка (затвердевшего расплава) или в разветвленных породных структурах, так называемых дендритах, очень редко в кристаллической форме. Доля чистой меди в природе очень низка.
Напротив, медные руды очень распространены. Медь добывается из следующих минералов: халькопирита (медный гравий — CuFeS2), халькоцита (медный глянец — Cu2S), реже из борнита (Cu5 FeS4), атакамита, малахита и других. Крупнейшие месторождения меди в мире находятся в Чили, США, России, Замбии, Канаде и Перу.
Основной страной-производителем меди является Чили, за ней следуют Индонезия и США. Основные страны-экспортеры объединены в содружество стран-производителей — CIPEC. К CIPEC принадлежат Чили, Перу, Австралия, Индонезия, Демократическая Республика Конго и Папуа-Новая Гвинея.
Химические свойства хрома
Хром — это элемент группы VIB периодической таблицы. Электронная конфигурация атома хрома записывается как 1s 22s 22p 63s 23p63d54s1, то есть в случае хрома, как и в случае атома меди, наблюдается так называемое «электронное скольжение»
Наиболее распространенные степени окисления хрома — +2, +3 и +6. О них нужно помнить и в рамках программы ЕГЭ по химии можно предположить, что других степеней окисления хром не имеет.
В нормальных условиях хром устойчив к коррозии как на воздухе, так и в воде.
Взаимодействие с неметаллами
с кислородом
Металлический порошок хрома, нагретый до температуры выше 600 ° C, горит в чистом кислороде с образованием оксида хрома (III):
4Cr + 3O2 = ot => 2Cr2O3
с галогенами
Хром реагирует с хлором и фтором при более низких температурах, чем кислород (250 и 300 oC соответственно):
2Cr + 3F2 = ot => 2CrF3
2Cr + 3Cl2 = ot => 2CrCl3
Хром реагирует с бромом при температуре красного каления (850-900 oC):
2Cr + 3Br2 = ot => 2CrBr3
с азотом
Металлический хром взаимодействует с азотом при температуре выше 1000 oС:
2Cr + N2 = ot => 2CrN
с серой
Вместе с серой хром может образовывать как сульфид хрома (II), так и сульфид хрома (III), что зависит от соотношения серы и хрома:
Cr + S = ot => CrS
2Cr + 3S = ot => Cr2S3
Хром не реагирует с водородом.
Взаимодействие со сложными веществами
Взаимодействие с водой
Хром относится к металлам средней активности (находится в ряду активности металлов между алюминием и водородом). Это означает, что между раскаленным хромом и перегретым паром происходит реакция:
2Cr + 3H2O = ot => Cr2O3 + 3H2↑
Взаимодействие с кислотами
Хром в обычных условиях пассивируется концентрированными серной и азотной кислотами, однако при кипячении растворяется в них, окисляясь до степени окисления +3:
Cr + 6HNO3 (конц.) = To => Cr (NO3) 3 + 3NO2 ↑ + 3H2O
2Cr + 6H2SO4 (мелкий) = a => Cr2 (SO4) 3 + 3SO2 ↑ + 6H2O
В случае разбавленной азотной кислоты основным продуктом восстановления азота является простое вещество N2:
10Cr + 36HNO3 (разбавленный) = 10Cr (NO3) 3 + 3N2 ↑ + 18H2O
Хром находится в ряду активности слева от водорода, что означает, что он способен выделять H2 из неокисляющих кислотных растворов. В ходе таких реакций при отсутствии доступа кислорода воздуха образуются соли хрома (II):
Cr + 2HCl = CrCl2 + H2
Cr + H2SO4 (разбав.) = CrSO4 + H2↑
Когда реакция проводится на открытом воздухе, двухвалентный хром мгновенно окисляется кислородом, содержащимся в воздухе, до степени окисления +3. В этом случае, например, уравнение с соляной кислотой примет вид:
4Cr + 12HCl + 3O2 = 4CrCl3 + 6H2O
При легировании металлического хрома сильными окислителями в присутствии щелочи хром окисляется до степени окисления +6 с образованием хроматов:
Производство меди
Для производства меди из медного гравия (CuFeS2) первоначально получают так называемый медный камень (Cu2S с различным содержанием FeS) с содержанием меди около 70%. Для этого исходный материал нагревают с добавлением кокса и содержащихся в нем оксидов железа, зашлакованных кремнистыми заполнителями. Полученный шлак из силиката железа плавает в расплаве на поверхности и может быть легко слит. Далее медный камень перерабатывается в сырую медь (черная медь) с содержанием меди около 98%.
Для этого расплав заливают в конвертер и вдувают воздух. На первой стадии (продувка шлаком) содержащийся в нем сульфид железа обжаривается до оксида железа, и происходит связывание хлопьевидного кварца со шлаком, который можно слить. На втором этапе две трети оставшегося Cu2S окисляются до Cu2O. Затем оксид реагирует с оставшимся сульфидом с образованием неочищенной меди. Сырая медь (цементная медь) затем очищается электролитическим способом.
Медь мигрирует в виде ионов через электролит к катоду и осаждается там. Итоговое содержание меди — 99,99% с очень маленькой примесью других веществ. Менее благородные металлы этих примесей остаются растворенными в электролите, более благородные металлы (включая серебро и золото) образуют «осадок электролита» и далее обрабатываются отдельно.
Растворимость меди в водной среде
Металл проявляет коррозионную стойкость при воздействии морской воды. Это демонстрирует его инерционность в нормальных условиях. Растворимость меди в (пресной) воде практически не наблюдается. Но во влажной среде и под воздействием углекислого газа на поверхности металла образуется зеленая пленка, которая является основным карбонатом:
Если рассматривать его одновалентные соединения в виде соли, наблюдается их незначительное растворение. Такие вещества подвержены быстрому окислению. В результате получаются соединения двухвалентной меди. Эти соли хорошо растворимы в водных средах. Происходит их полная диссоциация на ионы.
Применение меди
Современный рынок предлагает широкий спектр потребительских товаров с содержанием меди: от посуды до компьютеров. Медь используется для производства монет, электрических проводов, ювелирных изделий, столовых приборов, фитингов, чайников, прецизионных деталей, произведений искусства, музыкальных инструментов, трубопроводов и многого другого.
Для электрических токопроводящих кабелей и линий, печатных плат и интегральных схем, электрических компонентов (обмотки трансформаторов, дроссели индуктивности, анодные тела магнетронов) используется только чистая медь из-за ее очень хорошей электропроводности. Для воздушных линий используется бериллиевая медь.
Медь обладает высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне и поэтому используется в качестве зеркал для лазерных установок на углекислом газе. Из-за ее хорошей теплопроводности, медь часто используется в качестве тепловых радиаторов.
Медь является частью многих сплавов, таких как золотисто-желтая латунь (с цинком), бронза (с оловом) и никелированное серебро (с цинком и никелем). Кованые сплавы (латунь и никелированное серебро) приводятся в желаемую форму с помощью пластического формования (горячая штамповка: прокатка, ковка или холодная штамповка: волочение проволоки, ковка, холодная прокатка, глубокая вытяжка), в то время как литые материалы (оружейная сталь, бронза) обычно трудно или невозможно формовать пластическим способом.
Объекты с серебристо-белым (похожим на нержавеющую сталь) внешним видом часто на самом деле представляют собой сплавы с высоким содержанием меди, так как цвет меди полностью исчезает при добавлении никеля. Современные монеты изготовлены из сплава меди, цинка, алюминия и олова. Соединения меди используются в цветных пигментах, в качестве тонеров, в медицинских препаратах и гальванических покрытиях. Благодаря благородному внешнему виду медь незаменима в мебельной промышленности и в области декора.
Химические свойства цинка
Цинк Zn находится в группе IIB IV периода. Электронная конфигурация валентных орбиталей атомов химического элемента в основном состоянии 3d104s2. Для цинка возможна только одна степень окисления, равная +2. Оксид цинка ZnO и гидроксид цинка Zn (OH) 2 обладают ярко выраженными амфотерными свойствами.
При хранении на воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида ZnO. Окисление особенно легко протекает при высокой влажности и в присутствии углекислого газа из-за реакции:
2Zn + H2O + O2 + CO2 → Zn2 (OH) 2CO3
Пары цинка горит на воздухе, и тонкая полоска цинка после нагрева пламени горелки горит в нем зеленоватым пламенем:
Металлический цинк при нагревании также взаимодействует с галогенами, серой, фосфором:
Цинк не реагирует напрямую с водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором.
Цинк реагирует с неокисляющими кислотами с выделением водорода:
Zn + H2SO4 (20%) → ZnSO4 + H2↑
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
Технический цинк особенно легко растворяется в кислотах, так как содержит примеси других менее активных металлов, в частности кадмия и меди. Цинк высокой чистоты является кислотостойким по нескольким причинам. Для ускорения реакции образец цинка высокой чистоты помещают в контакт с медью или к раствору кислоты добавляют небольшое количество соли меди.
Металлический цинк, находясь в расплавленном состоянии, при температуре 800-900oC (красный нагрев) взаимодействует с перегретым паром, выделяя водород:
Zn + H2O = ZnO + H2
Цинк также реагирует с кислотами-окислителями: концентрированной серной кислотой и азотной кислотой.
Цинк как активный металл может образовывать диоксид серы, элементарную серу и даже сероводород с концентрированной серной кислотой.
Zn + 2H2SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2H2O
Состав продуктов восстановления азотной кислоты определяется концентрацией раствора:
Zn + 4HNO3 (конц.) = Zn (NO3) 2 + 2NO2 ↑ + 2H2O
3Zn + 8HNO3 (40%) = 3Zn (NO3) 2 + 2NO ↑ + 4H2O
4Zn + 10HNO3 (20%) = 4Zn (NO3) 2 + N2O ↑ + 5H2O
5Zn + 12HNO3 (6%) = 5Zn (NO3) 2 + N2 ↑ + 6H2O
4Zn + 10HNO3 (0,5%) = 4Zn (NO3) 2 + NH4NO3 + 3H2O
На направление процесса также влияют температура, количество кислоты, чистота металла и время реакции.
Цинк реагирует с щелочными растворами с образованием тетрагидроксицинкатов и водорода:
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 Zn (OH) 4 + H2↑
Zn + Ba (OH) 2 + 2H2O = Ba Zn (OH) 4 + H2
При легировании безводной щелочью цинк образует цинкаты и водород:
В сильно щелочной среде цинк является чрезвычайно сильным восстановителем, способным восстанавливать азот до нитратов и нитриты до аммиака:
4Zn + NaNO3 + 7NaOH + 6H2O → 4Na2 Zn (OH) 4 + NH3
За счет комплексообразования цинк медленно растворяется в растворе аммиака, восстанавливая водород:
Zn + 4NH3 H2O → Zn (NH3) 4 (OH) 2 + H2 ↑ + 2H2O
Цинк также восстанавливает менее активные металлы (справа в строке активности) из водных растворов их солей:
Zn + CuCl2 = Cu + ZnCl2
Zn + FeSO4 = Fe + ZnSO4
Биологический эффект
Медь является компонентом голубого гемоцианина, который используется многими моллюсками и членистоногими в качестве красителя крови для транспортировки кислорода. Медь также является жизненно важным микроэлементом высших организмах и входит в состав многих ферментов.
Суточная потребность меди для взрослого человека составляет около 2 миллиграммов.
Депо меди в организме человека находится в печени. Избыток меди выводится через пищеварительную систему вместе с желчью. По сравнению со многими другими тяжелыми металлами переизбыток меди не наносит существенного вреда организму. Человек может съедать 0,04 грамма меди в день, не причиняя вреда своему здоровью. Медь в основном содержится в шоколаде, печени, злаках, овощах и орехах.
Дефицит меди редко диагностируется у людей. В основном он наблюдается при хронической диарее, у недоношенных детях, при длительном голодании. Потребление высоких доз цинка, железа или молибдена может привести к снижению количества меди в организме. В свободной (не связанной с белком) форме медь обладает выраженными антибактериальными свойствами. Такими же качествами обладает и чистое серебро.
Сульфат меди (медный купорос) является сильным рвотным средством и поэтому используется для лечения многих интоксикационных заболеваний на стадии острого реагирования.
Растворимость в чугуне
В структуре ковкого перлитного чугуна, помимо основных компонентов, присутствует дополнительный элемент в виде обычной меди. Именно она увеличивает графитизацию атомов углерода, способствует повышению текучести, прочности и твердости сплавов. Металл положительно влияет на уровень перлита в конечном продукте. Растворимость меди в чугуне используется для связывания исходного состава. Основная цель этого процесса — получение ковкого сплава. Он будет иметь лучшие механические и коррозионные свойства, но меньшую хрупкость.
Если содержание меди в чугуне составляет около 1%, индекс прочности на разрыв составляет 40%, а предел текучести увеличивается до 50%. Это существенно меняет характеристики сплава. Увеличение количества металлического сплава до 2% приводит к изменению прочности до 65%, а индекс текучести становится 70%. При более высоком содержании меди в чугуне образование шаровидного графита затруднено. Введение легирующего элемента в конструкцию не меняет технологии формования жесткого и мягкого сплава. Ожидаемое время отжига совпадает с продолжительностью этой реакции при производстве чугуна без содержания меди. На это уходит около 10 часов.
Использование меди для изготовления чугуна с высоким содержанием кремния не позволяет полностью исключить так называемое ожелезнение смеси при отжиге. В результате получается продукт с низкой эластичностью.
Медь и вода
Средняя концентрация меди в морской воде составляет около 0,2–3 частей на миллиард, хотя значения могут сильно варьироваться. Речная вода обычно составляет 2-5 частей на миллиард. Водоросли содержит около 2-68 частей на миллион (сухое вещество), в то время как устрицы содержат около 63 частей на миллион. В растворенном состоянии элемент находится в форме CuOH + или в виде неионного CuCO3. Кроме того, медь имеет сильную тенденцию к образованию хелатов с использованием доступных органических веществ.
Как и в каких соединениях медь реагирует с водой?
Металлическая медь при нормальных условиях является коррозионно-стойким материалом.
Растворимость меди и / или ее соединений в воде
Элементарная металлическая медь нерастворима в воде, как и оксид меди, сульфат меди. С другой стороны, хлорид меди (I) имеет растворимость в воде 200 мг / л, а медный купорос до 220 г / л.
Как медь может попасть в воду?
Медь содержится в различных минералах, таких как халькопирит, малахит, азурит или куприт. Несмотря на возможное выветривание, его можно найти лишь в небольших количествах в природных водах. Соединения меди также используются в сельском хозяйстве и, таким образом, выбрасываются в окружающую среду. Некоторая часть меди и ее соединений может быть переработана. Однако они часто попадают на мусоросжигательные заводы, откуда, в свою очередь, в определенной степени могут попадать в окружающую среду.
Не следует недооценивать количество меди, которая растворяется при взаимодействии дождевой воды с кровельными материалами. В результате также часто увеличивается содержание меди в осадке сточных вод.
Свойства сульфата меди
Двухосновная соль также называется сульфатом, она обозначается следующим образом: CuSO4. Это вещество без характерного запаха, не обладающее летучестью. В безводной форме соль бесцветна, непрозрачна и очень гигроскопична. Медь (сульфат) обладает хорошей растворимостью. Молекулы воды при присоединении к соли могут образовывать кристаллогидратные соединения. Примером является сульфат меди, который представляет собой синий пентагидрат. Его формула — CuSO4 5H2O.
Кристаллические гидраты характеризуются прозрачной голубоватой структурой; они имеют горький и металлический привкус. Их молекулы способны со временем терять связанную воду. В природе они встречаются в виде минералов, в том числе калькантита и бутита.
Под влиянием медного купороса. Растворимость — это экзотермическая реакция. Во время гидратации соли выделяется значительное количество тепла.
Химическое строение и свойства
Если изучить электронную формулу медного атома, то можно обнаружить, что у него имеется 4 уровня. На валентной 4s-орбитали находится всего один электрон. Во время химических реакций от атома может отщепляться от 1 до 3 отрицательно заряжённых частиц, тогда получаются соединения меди со степенью окисления +3, +2, +1. Наибольшей устойчивостью обладают её двухвалентные производные.
В химических реакциях она выступает в качестве малоактивного металла. В обычных условиях растворимость меди в воде отсутствует. В сухом воздухе не наблюдается коррозия, зато при нагревании поверхность металла покрывается чёрным налётом из оксида двухвалентного. Химическая устойчивость меди проявляется при действии безводных газов, углерода, ряда органических соединений, фенольных смол и спиртов. Для неё характерны реакции комплексообразования с выделением окрашенных соединений. Медь обладает небольшим сходством с металлами щелочной группы, связанным с формированием производных одновалентного ряда.
Растворение в аммиаке
Процесс часто протекает при пропускании NH3 в газообразной форме над раскалённым металлом. Результатом является растворение меди в аммиаке, выделение Cu3N. Это соединение называют нитридом одновалентным.
Соли её подвергаются воздействию раствора аммиачного. Прибавление такого реактива к медному хлориду приводит к выпадению осадка в виде гидроксида:
Аммиачный избыток способствует формированию соединения комплексного типа, имеющего окраску тёмно-синюю:
Этот процесс используют для определения ионов двухвалентной меди.
