Мідь
Мідь - один з перших металів, які людина почала застосовувати для технічних цілей. Разом з золотом, сріблом, залізом, оловом, свинцем і ртуттю, мідь відома людям з найдавніших часів і зберігає своє важливе технічне значення до наших днів.
Мідь или Сu(29)
Мідь - метал рожево-червоного кольору, належить до групи важких металів, є відмінним провідником тепла і електричного струму. Електропровідність міді в 1,7 рази вище, ніж у алюмінію, і в 6 разів вище, ніж у заліза.
Латинська назва міді Cuprum походить від назви острова Кіпр, де вже в III ст. до н. е. існували мідні рудники і виплавлялася мідь. Близько II - III ст. виплавка міді проводилася в широкому масштабі в Єгипті, в Месопотамії, на Кавказі, в інших країнах стародавнього світу. Але, тим не менше, мідь - далеко не найпоширеніший в природі елемент: вміст міді в земній корі становить 0,01%, а це лише 23-е місце серед всіх зустрічаються елементів.
Отримання міді
У природі мідь присутня у вигляді сірчистих сполук, оксидів, гідрокарбонатів, вуглекислих сполук, в складі сульфідних руд і самородної металевої міді.
Найбільш поширені руди - мідний колчедан і мідний блиск, що містять 1-2% міді.
90% первинної міді отримують пірометаллургічним способом, 10% - гідрометалургійним. Гідрометалургійний спосіб - це отримання міді шляхом її вилуговування слабким розчином сірчаної кислоти і наступного виділення металевої міді з розчину. Пірометалургічний спосіб складається з декількох етапів: збагачення, випалу, плавки на штейн, продувки в конвертері, рафінування.
Для збагачення мідних руд використовується метод флотації (заснований на використанні різної смачиваемости медьсодержащих частинок і порожньої породи), який дозволяє отримувати мідний концентрат, що містить від 10 до 35% міді.
Мідні руди і концентрати з великим вмістом сірки піддаються окислювальному випалу. У процесі нагрівання концентрату або руди до 700-800 ° C в присутності кисню повітря, сульфіди окислюються і вміст сірки знижується майже вдвічі від первісного. Обпалюють тільки бідні (з вмістом міді від 8 до 25%) концентрати, а багаті (від 25 до 35% міді) плавлять без випалу.
Після випалу руда і мідний концентрат піддаються плавці на штейн, що представляє собою сплав, який містить сульфіди міді і заліза. Штейн містить від 30 до 50% міді, 20-40% заліза, 22-25% сірки, крім того, штейн містить домішки нікелю, цинку, свинцю, золота, срібла. Найчастіше плавка проводиться в полум'яних відбивних печах. Температура в зоні плавки 1450 ° C.
З метою окислення сульфідів і заліза, отриманий мідний штейн піддають продувці стисненим повітрям в горизонтальних конвертерах з боковим дуттям. Утворені оксиди переводять в шлак. Температура в конвертері становить 1200-1300 ° C. Цікаво, що тепло в конвертері виділяється за рахунок протікання хімічних реакцій, без подачі палива. Таким чином, в конвертері отримують чорнову мідь, що містить 98,4 - 99,4% міді, 0,01 - 0,04% заліза, 0,02 - 0,1% сірки і невелика кількість нікелю, олова, сурми, срібла, золота. Цю мідь зливають в ківш і розливають в сталеві виливниці або на розливної машині.
Далі, для видалення шкідливих домішок, чорнову мідь рафінують (проводять вогневе, а потім електролітичне рафінування). Суть вогневого рафінування чорнової міді полягає в окисленні домішок, видаленні їх з газами та переказ в шлак. Після вогневого рафінування отримують мідь чистотою 99,0 - 99,7%. Її розливають у виливниці і отримують чушки для подальшої виплавки сплавів (бронзи і латуні) або злитки для електролітичного рафінування.
Електролітичне рафінування проводять для отримання чистої міді (99,95%). Електроліз проводять в ваннах, де анод - з міді вогневого рафінування, а катод - з тонких листів чистої міді. Електролітом служить водний розчин. При пропущенні постійного струму анод розчиняється, мідь переходить в розчин, і, очищена від домішок, осідає на катодах. Домішки осідають на дно ванни у вигляді шлаку, який йде на переробку з метою вилучення цінних металів. Катоди вивантажують через 5-12 днів, коли їх маса досягне від 60 до 90 кг. Їх ретельно промивають, а потім переплавляють в електропечах.
Крім цього, існують технології отримання міді з брухту. Зокрема, шляхом вогневого рафінування з брухту отримують рафіновану мідь.
За чистотою мідь ділиться на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2 (99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).
Хімічні властивості міді
Мідь - малоактивний метал, який не взаємодіє з водою, розчинами лугів, соляний і розведеної сірчаної кислотою. Однак, мідь розчиняється в сильних окислювачах (наприклад, азотної і концентрованої сірчаної).
Мідь має досить високу стійкість до корозії. Однак, у вологій атмосфері, що містить вуглекислий газ, поверхня металу покривається зеленуватим нальотом (патиною).
Основні фізичні властивості міді
| Температура плавлення °C | 1084 |
| Температура кипіння °C | 2560 |
| Густина, γ при 20°C, кг/м³ | 8890 |
| Питома теплоємності при постійному тиску, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж) | 385 |
| Температурний коефіцієнт лінійного розширення, а•106 от 20 до 100°C, К-1 | 16,8 |
| Питомий електричний опір, р при 20°C, мкОм•м | 0,01724 |
| Теплопровідність λ при 20°C, Вт/(м•К) | 390 |
| Питомо електрична провідність, ω при 20°C, МОм/м | 58 |
Механічні властивості міді
| Властивості | Стан | |
| Деформований | Відпалена | |
| Межа міцності на розрив, σ МПа | 340 - 450 | 220 - 245 |
| Відносне подовження після розриву, δ ψ% | 4 - 6 | 45 - 55 |
| Відносне звуження, після розриву, % | 40 - 60 | 65 - 80 |
| Твердість по Брінеллю, НВ | 90 - 110 | 35 - 55 |
При негативних температурах мідь має більш високі міцнісності властивостей і більш високу пластичність, ніж при температурі 20° С. Ознак холодноломкості технічна мідь не має. Зі зниженням температури збільшується межа плинності міді і різко зростає опір пластичної деформації.
Застосування міді
Такі властивості міді, як електропровідність і теплопровідність, зумовили основну область застосування медіелектротехнічної промисловості, зокрема, для виготовлення проводів, електродів і т. д. Для цієї мети застосовується чистий метал (99,98-99,999%), що пройшов електролітичне рафінування.
Мідь володіє численними унікальними властивостями: стійкістю до корозії, гарною технологічністю, досить довгим терміном служби, прекрасно поєднується з деревом, природним каменем, цеглою і склом. Завдяки своїм унікальним властивостям, з найдавніших часів цей метал використовується в будівництві: для покрівлі, оздоблення фасадів будівель і т. д. Термін служби мідних будівельних конструкцій обчислюється сотнями років. Крім цього, з міді виготовлені деталі хімічної апаратури і інструмент для роботи з вибухонебезпечними або легкозаймистими речовинами.
Дуже важлива область застосування міді - виробництво сплавів. Один з найбільш корисних і найбільш вживаних сплавів - латунь (або жовта мідь). Її головні складові частини: мідь і цинк. Добавки інших елементів дозволяють отримувати латуні з найрізноманітнішими властивостями. Латунь твердіше міді, вона ковка і в'язка, тому легко прокочується в тонкі листи або виштамповуються в найрізноманітніші форми. Одна біда: вона з часом чорніє.
З найдавніших часів відома бронза. Цікаво, що бронза більш легкоплавка в порівнянні з міддю, але по своїй твердості перевершує окремо взяті чисті мідь і олово. Якщо ще 30 - 40 років тому бронзою називали тільки сплави міді з оловом, то сьогодні вже відомі алюмінієві, свинцеві, кремнієві, марганцеві, берилієві, кадмієві, хромові, цирконієві бронзи.
Мідні сплави, так само як і чиста мідь, з давніх пір використовуються для виробництва різних знарядь, посуду, застосовуються в архітектурі та мистецтві.
Мідні карбування і бронзові статуї прикрашали житло людей з давніх часів. До наших днів збереглися вироби з бронзи майстрів Стародавнього Єгипту, Греції, Китаю. Великими майстрами в області бронзового лиття були японці. Гігантська фігура Будди в храмі Тодайдзі, створена в VIII столітті, важить більше 400 тонн. Щоб відлити таку статую, потрібно воістину видатну майстерність.
Цікаве про мідь
Серед товарів, якими торгували в далекі часи олександрійські купці, великою популярністю користувалася "мідна зелень". За допомогою цієї фарби модниці підводили зелені кола під очима - в ті часи це вважалося проявом доброго смаку.
З давніх часів люди вірили в чудодійні властивості міді і використали цей метал при лікуванні багатьох недуг. Вважалося, що мідний браслет, одягнений на руку, приносить своєму власнику удачу і здоров'я, нормалізує тиск, перешкоджає відкладенню солей.
Багато народів і в даний час приписують міді цілющі властивості. Жителі Непалу, наприклад, вважають мідь священним металом, який сприяє зосередженню думок, покращує травлення і лікує шлунково - кишкові захворювання (хворим дають пити воду зі склянки, в якому лежать кілька мідних монет). Один з найбільших і найкрасивіших храмів в Непалі носить назву "Мідний".
Був випадок, коли мідна руда стала ... винуватцем аварії, яку зазнало норвезьке вантажне судно "Анатіна". Трюми теплохода, що прямувало до берегів Японії, були заповнені мідним концентратом. Раптово пролунав сигнал тривоги: судно дало течу.
Виявилося, що мідь, що міститься в концентраті, утворила зі сталевим корпусом "Анатіни" гальванічну пару, а випаровування морської води послужили електролітом. Виниклий гальванічний струм роз'їв обшивку судна до такої міри, що в ній з'явилися дірки, куди і хлинула океанська вода.
