Министерство образования РК
Реферат
на тему:
«Химический элемент: Медь»
Выполнил: Аубакиров Д.Е.
Проверил:
Екибастуз 2008 год
Медь
Элемент №29. Жизненно важный элемент. Главный металл электротехники. Один из самых важных, самых древних и самых популярных металлов. Популярных не только в среде инженеров – конструкторов, электриков и машиностроителей, но и у людей гуманитарных профессий – историков, скульпторов, литераторов.
Прочность
Тот кто носит медный щит, тот имеет медный лоб.
Л. Соловьев. Похождения Насреддина
С помощью этой немудреной присказки хитрый Ходжа разделался с прохвостом-ростовщиком, а сам избежал расправы меднолобых стражников. Но допустим, что Ходжа Насреддин хорошо знал свойства меди и свою «дразнилку» адресовал не меднолобым стражникам, а оружейникам. Иначе говоря, стоит ли делать из меди щиты?
В любом техническом справочнике находим прочностные характеристики литой меди: предел прочности 17 кг/мм2 (при нормальной температуре), предел текучести* (при 500°C – жесткие, но вполне реальные условия работы многих изделий из меди) 2,2 кг/мм2. Много это или мало? Предел текучести обычной стали в этих условиях достигает 100 кг/мм2. Противодействие ударным нагрузкам (а именно такие нагрузки в основном достаются щитам) у меди также меньше, чем у многих других металлов и сплавов. Не отличается она и твердостью: медь, правда, тверже, чем золото и серебро, но в полтора раза мягче железа (соответственно 3,0 и 4,5 по 10-балльной шкале).
* Предел текучести – напряжение, при котором материал продолжает деформироваться без увеличения нагрузки.
У вас не создалось впечатления, что эти цифры, обрети они вдруг дар речи, повторили бы вслед за Ходжой Насреддином: «Тот, кто носит медный щит, тот имеет...»? Но не поддадимся «объективности» голых цифр. Ведь все они взяты из технической литературы XX столетия, а время медиых щитов, как и медных пушек, миновало много веков назад.
Оружейников древности и даже средневековья прочностные характеристики меди вполне устраивали. Во-первых, нагрузка, которую испытывал щит при ударе копьем или секирой, куда меньше пробивной силы винтовочного выстрела. Во-вторых, у древних металлургов не было другого материала, прочного, как медь, и доступного, как медь. Не случайно античный бог-кузнец Гефест выковал непобедимому Ахиллесу медный щит. Именно медный!
Как конструкционный материал медь широко используется и сейчас, но главную ценность приобрели уже не механические, а тепловые и электрические характеристики меди. По способности проводить тепло и электричество медь уступает только драгоценному серебру. У алюминия электросопротивление почти вдвое больше, чем у меди; а у железа – почти в шесть раз.
Но из меди делают не только проволоку и токопроводящие детали аппаратуры. Ее широко используют в химическом машиностроении при изготовлении вакуум-аппаратов, перегонных котлов, холодильников, змеевиков. Из меди и ее сплавов, как и прежде, делают орудия труда и инструмент. В любом цехе, где работают с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами, можно встретить молотки, стамески, отвертки из медных сплавов. Конечно, стальной инструмент прочнее, долговечнее, дешевле, но он «искрит». Поэтому предпочитают чаще менять инструмент, больше тратить на его приобретение, но уменьшить пожаро- и взрывоопасность.
Гильзы патронов и артиллерийских снарядов обычно желтого цвета. Они сделаны из латуни – сплава меди с цинком. (В качестве легирующих добавок в латунь могут входить алюминий, железо, свинец, марганец и другие элементы). Почему конструкторы предпочли латунь более дешевым черным сплавам и легкому алюминию? Латунь хорошо обрабатывается давлением и обладает высокой вязкостью. Отсюда – хорошая сопротивляемость ударным нагрузкам, создаваемым пороховыми газами.
Большинство артиллерийских латунных гильз используется неоднократно. Не знаю, как сейчас, а в годы войны в любом артиллерийском дивизионе был человек (обычно офицер), ответственный за своевременный сбор стреляных гильз и отправку их на перезарядку.
В гильзовой латуни 68% меди.
Высокая стойкость против разъедающего действия соленой воды характерна для так называемых морских латуней. Это латуни с добавкой олова.
Знаменитый коррозионно-стойкий сплав томпак – это тоже латунь, но доля меди в нем больше, чем в любом другом сплаве этой группы – от 88 до 97%.
Еще одно важное свойство латуни: она, как правило, дешевле бронзы – другой важнейшей группы сплавов на основе меди.
Первоначально бронзой называли только сплавы меди с оловом. Но олово – дорогой металл, и, кроме того, сочетание Сu – Sn не позволяет получить всех свойств, которые хотелось бы придать сплавам на основе меди. Сейчас существуют бронзы вообще без олова – алюминиевые, кремнистые, марганцовистые и т.д.
Бронзы
Мне наплевать на бронзы многопудье...
В. Маяковский
Но бронза – это не обязательно памятники. Без бронзовых вкладышей, втулок, сальников, клапанов не обходится ни один химический аппарат. Применение бронз во всех областях машиностроения из года в год расширяется. Из бронзы делают также инструмент, которым работают во взрывоопасных цехах.
Современные бронзы многообразны по составу и свойствам. Обычные оловянистые бронзы содержат до 33% Sn. В так называемую художественную бронзу, тысячелетиями применяемую для скульптурного литья, входит около 5% олова, до 10% цинка и около 3% свинца. В «автомобильных» и «подшипниковых» бронзах олова больше – 10...12%. Несколько слов о «безоловянных» бронзах.
Алюминиевые бронзы. 5...11% Аl превращают мягкую медь в материал для изготовления пружин, а бронза АНЖ10-4-4 (10% Аl, 4% Ni, 4% Fe) применяется для ответственных деталей авиационных двигателей и турбин.
Свинцовые бронзы содержат 27...33% Pb. Подшипники из такой бронзы работают на предельно больших скоростях.
Кремнистые бронзы (до 5% Si) служат заменителями оловяннистых и отличаются относительной дешевизной.
А бериллиевые бронзы (до 2,3% Be) едва ли не самые прочные из всех цветных сплавов.
История
Прежде служили оружием руки могучие, когти,
Зубы, каменья, обломки ветвей от деревьев и пламя.
После того была найдена медь...
Лукреций Кар. О природе вещей
Семь металлов принято называть доисторическими. Золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть были известны людям с древнейших времен. Роль меди в становлении человеческой культуры особенна. Каменный век сменился медным, медный – бронзовым. Не везде этот процесс происходил одновременно. Коренное население Америки переходило от каменного века к медному в XVI в. н.э., всего 400 лет назад! А в древнем Египте медный век наступил в IV тысячелетии до н.э. 2 млн 300 тыс. каменных глыб, из которых примерно 5000 лет назад была сложена 147-метровая пирамида Хеопса, добыты и обтесаны медным инструментом...
Подобно золоту и серебру, медь иногда образует самородки. Видимо, из них около 10 тыс. лет назад были изготовлены первые металлические орудия труда. Распространению меди способствовали такие ее свойства, как способность к холодной ковке и относительная простота выплавки из богатых руд.
Медный век длился около тысячи лет – вдвое меньше, чем бронзовый. Характерно, что в Греции культура меди зародилась позже, чем в Египте, а бронзовый век наступил раньше. Руда, из которой выплавляли медь египтяне, не содержала олова. Грекам в этом отношении повезло больше. Они добывали «оловянный камень» иногда там же, где и медную руду. Открытие бронзы произошло, по-видимому, случайно, однако большие твердость и плотность, а также относительная легкоплавкость (добавка 15%Sn снижает температуру плавления меди с 1083 до 960°C) позволили бронзе быстро вытеснить медь из многих производственных сфер.
Искусство выплавки и обработки меди и бронзы от греков унаследовали римляне. Они получали медь из покоренных стран, в первую очередь из Галлии и Испании, продолжали начатую греками добычу медной руды на Крите и Кипре. Кстати, с названием последнего острова связывают латинское имя меди – «купрум». А оловянный камень римляне вывозили с Касситеридских островов (так тогда называли острова Британии); основной минерал олова и сейчас называется касситеритом. Во II...I вв. до н.э. оружие римлян делалось уже в основном из железа, но в производстве предметов домашнего обихода все еще преобладали бронза и медь.
Бронза и медь сыграли выдающуюся роль не только в становлении материальной культуры большинства народов, но и в изобразительном искусстве. В этом качестве они прошли через века. И в наши дни отливают бронзовые скульптуры, делают барельефы и гравюры на меди. Подробно об этом рассказывать, вероятно, не стоит. Произведения изобразительного искусства лучше смотреть, нежели рассуждать о них.
Медные «усы»
Известно, что практическая прочность всех металлов во много раз меньше теоретической. Причиной тому дислокации – нарушения в кристаллической структуре металлов. Медь не исключение среди них. Не будь дислокации, прочность меди измерялась бы сотнями (!) килограммов на квадратный миллиметр. И это не голая теория. Уже получены медные «усы» – нитевидные кристаллы, практически лишенные дислокации; их прочность на растяжение около 300 кг/мм2. Правда, диаметр этих кристаллов значительно меньше миллиметра – всего 1,25 мкм.
Медные «усы» получают так. В специальную печь помещают ванночку с химически чистым монохлоридом меди CuCl. Туда же подается тщательно очищенный водород. В печи поддерживается строго постоянная температура порядка 600°C. Происходит реакция 2СuСl + Н2 = 2Сu + 2HCl. Образующийся хлористый водород отводится в другой сосуд, где улавливается водой. Направленному росту кристалла способствует электрическое поле.
С увеличением размеров удельная прочность нитевидных кристаллов значительно уменьшается. Но несколько лет назад советским ученым И.А. Одингу и И.М. Копьевой удалось получить «усы» диаметром около 100 мкм из сплава железа и меди при восстановлении смеси FeCl2 и CuCl.
Cu – Медь
[Ar]3d104s1
Древние цивилизации оставили нам множество изделий из бронзы.
Атомная
масса:
63,54
Электроотрицательность:
1,9
Тпл:
1083 °C
Tкип:
2567 °C
Плотность:
8,93 г/см3
Розовато-красный металл с высокой тепло- и электропроводностью. В сухом воздухе на холоде почти не окисляется. При нагревании тускнеет из-за образования пленки оксидов меди. С кислотами, кроме азотной, не реагирует, растворяется в растворах кислот, аммиака и цианидов в присутствии окислителей. Во влажном воздухе в присутствии CO2 образуется зеленоватая пленка Cu(OH)2·CuCO3. В соединениях проявляет степени окисления 1+, 2+, 3+. Применяется в основном в электротехнической промышленности, для изготовления проводов, кабелей, медьсодержащих материалов с высокотемпературной проводимостью, теплообменной аппаратуры. Используется с древнейших времен в виде сплавов (бронза, латунь и др.). Относится к числу микробиоэлементов, многие соединения меди широко применяются в медицине в качестве антисептиков и других лекарственных препаратов.