Spezifische Stärke von Kupfer. Kupfer und seine Legierungen

• Bezeichnung - Cu (Kupfer);
• Zeitraum - IV;
• Gruppe – 11 (Ib);
• Atommasse - 63,546;
• Ordnungszahl - 29;
• Atomradius = 128 pm;
• Kovalenter Radius = 117 pm;
• Elektronenverteilung - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 ;
• Schmelztemperatur = 1083,4°C;
• Siedepunkt = 2567°C;
• Elektronegativität (nach Pauling/nach Alpred und Rochow) = 1,90/1,75;
• Oxidationsstufe: +3, +2, +1, 0;
• Dichte (Anzahl) = 8,92 g/cm3;
• Molvolumen = 7,1 cm 3 /mol.

Kupfer (Kuprum, benannt nach der Insel Zypern, wo ein großes Kupfervorkommen entdeckt wurde) ist eines der ersten Metalle, das der Mensch beherrschte – die Kupferzeit (die Ära, in der Kupferwerkzeuge im menschlichen Gebrauch vorherrschend waren) umfasst diesen Zeitraum des 4.-3. Jahrtausends v. Chr. e.

Im Nahen Osten wurde 3000 v. Chr. eine Legierung aus Kupfer und Zinn (Bronze) gewonnen. e. Bronze wurde Kupfer vorgezogen, da es stärker und leichter zu schmieden war.

Reis. Struktur des Kupferatoms.

Die elektronische Konfiguration des Kupferatoms ist 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 (siehe Elektronische Struktur von Atomen). In Kupfer „springt“ ein gepaartes Elektron vom äußeren S-Niveau zum D-Unterniveau des äußeren Orbitals, was darauf zurückzuführen ist Hohe Resistenz komplett ausgefülltes D-Level. Das fertige stabile d-Subniveau von Kupfer bestimmt seine relative chemische Inertheit (Kupfer reagiert nicht mit Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Silizium). Kupfer in Verbindungen kann die Oxidationsstufen +3, +2, +1 aufweisen (die stabilsten sind +1 und +2).

Reis. Elektronische Konfiguration von Kupfer.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer:

• Metall, rot-rosa Farbe;
• hat eine hohe Formbarkeit und Duktilität;
• gute elektrische Leitfähigkeit;
• geringer elektrischer Widerstand.

Chemische Eigenschaften von Kupfer

• Beim Erhitzen reagiert es mit Sauerstoff:
  O 2 + 2Cu = 2CuO;
• Wenn es längere Zeit der Luft ausgesetzt wird, reagiert es sogar mit Sauerstoff Zimmertemperatur:
  O 2 + 2Cu + CO 2 + H 2 O = Cu(OH) 2 CuCO 3 ;
• reagiert mit Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure:
  Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
• Kupfer reagiert nicht mit Wasser, Alkalilösungen, Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure.

Kupferverbindungen

Kupferoxid CuO(II):

• ein rotbrauner, wasserunlöslicher Feststoff mit basischen Eigenschaften;
• Beim Erhitzen in Gegenwart von Reduktionsmitteln entsteht freies Kupfer:
  CuO + H 2 = Cu + H 2 O;
• Kupferoxid entsteht durch die Reaktion von Kupfer mit Sauerstoff oder die Zersetzung von Kupfer(II)-hydroxid:
  O 2 + 2Cu = 2CuO; Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O.

Kupferhydroxid Cu(OH 2)(II)):

• kristalline oder amorphe Substanz blaue Farbe, Unlöslich in Wasser;
• zerfällt beim Erhitzen in Wasser und Kupferoxid;
• reagiert mit Säuren zu den entsprechenden Salzen:
  Cu(OH 2) + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O;
• reagiert mit Alkalilösungen unter Bildung von Cupraten - komplexen Verbindungen von leuchtend blauer Farbe:
  Cu(OH 2) + 2KOH = K 2.

Weitere Informationen zu Kupferverbindungen finden Sie unter Kupferoxide.

Herstellung und Verwendung von Kupfer

• Mit der pyrometallurgischen Methode wird Kupfer aus Sulfiderzen bei hohen Temperaturen gewonnen:
  CuFeS 2 + O 2 + SiO 2 → Cu + FeSiO 3 + SO 2;
• Kupferoxid wird durch Wasserstoff zu Kupfermetall reduziert, Kohlenmonoxid, aktive Metalle:
  Cu 2 O + H 2 = 2Cu + H 2 O;
  Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2;
  Cu 2 O + Mg = 2Cu + MgO.

Der Einsatz von Kupfer zeichnet sich durch seine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Duktilität aus:

• Herstellung von elektrischen Drähten und Kabeln;
• in Wärmetauschergeräten;
• in der Metallurgie zur Herstellung von Legierungen: Bronze, Messing, Kupfernickel;
• in der Funkelektronik.

Die alten Griechen nannten dieses Element Chalcos, im Lateinischen heißt es Cuprum (Cu) oder Aes, und mittelalterliche Alchemisten nannten es Chemisches Element nichts anderes als Mars oder Venus. Aus diesem Grund ist die Menschheit schon seit langem mit Kupfer vertraut natürliche Bedingungen Es konnte in Form von Nuggets gefunden werden, die oft eine beeindruckende Größe hatten.

Die leichte Reduzierbarkeit von Carbonaten und Oxiden dieses Elements trug dazu bei, dass nach Ansicht vieler Forscher unsere alten Vorfahren lernten, es vor allen anderen Metallen aus Erz zu reduzieren.

Zunächst wurden Kupfergesteine ​​einfach über offenem Feuer erhitzt und dann stark abgekühlt. Dies führte zu Rissen, die eine Wiederherstellung des Metalls ermöglichten.

Nachdem der Mensch eine so einfache Technologie beherrschte, begann er, sie schrittweise weiterzuentwickeln. Die Menschen lernten, mit Blasebälgen und Rohren Luft in Feuer zu blasen, dann kamen sie auf die Idee, Wände um das Feuer herum zu installieren. Schließlich wurde der erste Schachtofen gebaut.

Zahlreiche archäologische Ausgrabungen haben es ermöglicht, eine einzigartige Tatsache festzustellen – die einfachste Kupferprodukte existierte bereits im 10. Jahrtausend v. Chr.! Und nach 8.000 bis 10.000 Jahren begann man, Kupfer abzubauen und aktiver zu nutzen. Seitdem nutzt die Menschheit dieses in vielerlei Hinsicht einzigartige (Dichte, spezifisches Gewicht, magnetische Eigenschaften usw.) chemisches Element für Ihre Bedürfnisse.

Heutzutage sind Kupfernuggets äußerst selten. Kupfer wird aus verschiedenen Quellen gewonnen, darunter den folgenden:

• Bornit (es enthält bis zu 65 % Kupfer);
• Kupferglanz (auch Chalcocin genannt) mit einem Kupfergehalt von bis zu 80 %;
• Kupferpyrit (mit anderen Worten Chalkoperit), das etwa 30 % des für uns interessanten chemischen Elements enthält;
• Covellit (es enthält bis zu 64 % Cu).

Cuprum wird auch aus Malachit, Cuprit, anderen Oxiderzen und fast 20 Mineralien gewonnen, die es in unterschiedlichen Mengen enthalten.

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IN in einfacher Form Das beschriebene Element ist ein Metall mit rosarotem Farbton, das sich durch hohe Duktilität auszeichnet. Natürliches Cuprum umfasst zwei Nuklide mit stabiler Struktur.

Der Radius eines positiv geladenen Kupferions hat folgende Werte:

• mit einem Koordinationsindex von 6 – bis 0,091 nm;
• mit Indikator 2 – bis 0,060 nm.

Und das neutrale Atom des Elements zeichnet sich durch einen Radius von 0,128 nm und eine Elektronenaffinität von 1,8 eV aus. Bei der sequentiellen Ionisation weist das Atom Werte von 7,726 bis 82,7 eV auf.

Cuprum ist ein Übergangsmetall und weist daher variable Oxidationsstufen und einen niedrigen Elektronegativitätsindex (1,9 Einheiten auf der Pauling-Skala) auf. (Koeffizient) beträgt 394 W/(m*K) bei einem Temperaturbereich von 20 bis 100 °C. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer (spezifischer Indikator) beträgt maximal 58, minimal 55,5 MS/m. Nur Silber hat einen höheren Wert; die elektrische Leitfähigkeit anderer Metalle, darunter auch Aluminium, ist niedriger.

Kupfer kann Wasserstoff aus Säuren und Wasser nicht verdrängen, da es in der Standardpotentialreihe rechts von Wasserstoff steht. Das beschriebene Metall zeichnet sich durch ein kubisch flächenzentriertes Gitter mit einer Größe von 0,36150 nm aus. Kupfer siedet bei einer Temperatur von 2657 Grad, schmilzt bei einer Temperatur von knapp über 1083 Grad und seine Dichte beträgt 8,92 Gramm/Kubikzentimeter (zum Vergleich: die Dichte von Aluminium beträgt 2,7).

Andere mechanische Eigenschaften Kupfer und wichtige physikalische Indikatoren:

• Druck bei 1628 °C – 1 mm Hg. Kunst.;
• Wärmeausdehnungswert (linear) – 0,00000017 Einheiten;
• beim Dehnen wird eine Zugfestigkeit von 22 kgf/mm2 erreicht;
• Kupferhärte – 35 kgf/mm2 (Brinell-Skala);
• spezifisches Gewicht – 8,94 g/cm3;
• Elastizitätsmodul – 132000 Mn/m2;
• Dehnung (relativ) – 60 %.

Die magnetischen Eigenschaften von Kupfer sind etwas einzigartig. Das Element ist vollständig diamagnetisch, seine magnetische atomare Suszeptibilität beträgt nur 0,00000527 Einheiten. Die magnetischen Eigenschaften von Kupfer (sowie alle seine physikalischen Parameter – Gewicht, Dichte usw.) bestimmen die Nachfrage nach dem Element für die Herstellung elektrischer Produkte. Aluminium weist ungefähr die gleichen Eigenschaften auf und bildet daher mit dem beschriebenen Metall ein „süßes Paar“, das zur Herstellung von Leiterteilen, Drähten und Kabeln verwendet wird.

Es ist nahezu unmöglich, viele mechanische Eigenschaften von Kupfer zu verändern (z. B. die gleichen magnetischen Eigenschaften), die Zugfestigkeit des betreffenden Elements kann jedoch durch Kalthärten verbessert werden. IN in diesem Fall sie wird sich etwa verdoppeln (bis zu 420–450 MN/m2).

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Kupfer gehört im Periodensystem zur Gruppe der Edelmetalle (IB), steht in der vierten Periode, hat die Ordnungszahl 29 und neigt zur Komplexbildung. Chemische Eigenschaften Kupfer ist nicht weniger wichtig als seine magnetischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften, sei es sein Gewicht, seine Dichte oder ein anderer Wert. Deshalb werden wir ausführlich darüber sprechen.

Die chemische Aktivität von Cuprum ist gering. Kupfer verändert sich in einer trockenen Atmosphäre nur unwesentlich (man könnte sogar sagen, dass es sich fast nicht verändert). Aber mit zunehmender Luftfeuchtigkeit und der Anwesenheit von Umfeld Kohlendioxid bildet normalerweise einen grünlichen Film auf seiner Oberfläche. Es enthält CuCO3 und Cu(OH)2 sowie verschiedene Schwefelverbindungen Kupferverbindungen. Letztere entstehen dadurch, dass in der Luft fast immer eine gewisse Menge an Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid vorhanden ist. Diesen grünlichen Film nennt man Patina. Es schützt das Metall vor Zerstörung.

Wenn Kupfer an der Luft erhitzt wird, beginnen Oxidationsprozesse an seiner Oberfläche. Bei Temperaturen von 375 bis 1100 Grad entsteht durch Oxidation ein zweischichtiger Zunder, bei Temperaturen bis 375 Grad entsteht Kupferoxid. Bei normalen Temperaturen wird normalerweise eine Kombination von Cu mit feuchtem Chlor beobachtet (das Ergebnis dieser Reaktion ist das Auftreten von Chlorid).

Kupfer interagiert auch recht leicht mit anderen Elementen der Halogengruppe. Es entzündet sich in Schwefeldampf und hat außerdem eine hohe Affinität zu Selen. Aber Cu verbindet sich auch bei erhöhten Temperaturen nicht mit Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Beim Kontakt von Kupferoxid mit Schwefelsäure (verdünnt) entstehen Kupfersulfat und reines Kupfer, bei Jodwasserstoff- und Bromwasserstoffsäure entstehen Kupferiodid bzw. -bromid.

Wenn das Oxid mit dem einen oder anderen Alkali kombiniert wird, entsteht als Ergebnis der chemischen Reaktion Cuprat. Aber die bekanntesten Reduktionsmittel (Kohlenmonoxid, Ammoniak, Methan und andere) sind in der Lage, Kupfer wieder in einen freien Zustand zu versetzen.

Von praktischem Interesse ist die Fähigkeit dieses Metalls, mit Eisensalzen (in Form einer Lösung) zu reagieren. Dabei wird die Reduktion von Eisen und der Übergang von Cu in Lösung beobachtet. Diese Reaktion wird verwendet, um die abgeschiedene Kupferschicht von dekorativen Produkten zu entfernen.

In ein- und zweiwertigen Formen ist Kupfer in der Lage, komplexe Verbindungen mit hoher Stabilität einzugehen. Zu diesen Verbindungen gehören Ammoniakmischungen (sie sind von Interesse für Industrieunternehmen) und Doppelsalze.

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Der Hauptanwendungsbereich von Aluminium und Kupfer ist vielleicht jedem bekannt. Sie werden zur Herstellung verschiedener Kabel verwendet, darunter auch Stromkabel. Dies wird durch den geringen Widerstand von Aluminium und Kupfer und ihre besonderen magnetischen Eigenschaften erleichtert. In den Wicklungen elektrische Antriebe und in Transformatoren (Strom) werden häufig Kupferdrähte verwendet, die sich durch die einzigartige Reinheit des Kupfers auszeichnen, das der Rohstoff für ihre Herstellung ist. Wenn man solchen reinen Rohstoffen nur 0,02 Prozent Aluminium hinzufügt, sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Produkts um 8–10 Prozent.

Cu, das eine hohe Dichte und Festigkeit sowie ein geringes Gewicht aufweist, lässt sich hervorragend zerspanen. Dadurch können wir hervorragend produzieren Kupferrohre die ihre Größe zur Schau stellen Leistungsmerkmale in Gas-, Heizungs- und Wasserversorgungssystemen. In vielen europäischen Ländern werden Kupferrohre in den allermeisten Fällen für die Gestaltung interner Versorgungsnetze von Wohn- und Verwaltungsgebäuden verwendet.

Wir haben viel über die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium und Kupfer gesagt. Vergessen wir nicht die hervorragende Wärmeleitfähigkeit des letzteren. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Kupfer in folgenden Strukturen:

• in Wärmerohren;
• in Kühlern von Personalcomputern;
• V Heizsysteme und Luftkühlsysteme;
• in Wärmetauschern und vielen anderen Geräten, die Wärme abführen.

Die Dichte und das geringe Gewicht von Kupfermaterialien und -legierungen haben auch zu ihrer weit verbreiteten Verwendung in der Architektur geführt.

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Es ist klar, dass die Dichte von Kupfer, sein Gewicht und alle möglichen chemischen und magnetischen Indikatoren im Großen und Ganzen von geringem Interesse sind gewöhnlicher Mensch. Aber viele Menschen möchten die heilenden Eigenschaften von Kupfer kennenlernen.

Die alten Indianer verwendeten Kupfer zur Behandlung der Augen und verschiedener Hautkrankheiten. Die alten Griechen verwendeten Kupferplatten zur Heilung von Geschwüren, starken Schwellungen, Prellungen und Prellungen sowie schwerwiegenderen Krankheiten (Mandelentzündungen, angeborene und erworbene Taubheit). Und im Osten wurde in Wasser gelöstes rotes Kupferpulver zur Wiederherstellung gebrochener Knochen in Beinen und Armen verwendet.

Die heilenden Eigenschaften von Kupfer waren den Russen wohlbekannt. Unsere Vorfahren verwendeten dieses einzigartige Metall zur Heilung von Cholera, Epilepsie, Polyarthritis und Radikulitis. Derzeit werden zur Behandlung meist Kupferplatten verwendet, die an speziellen Stellen des menschlichen Körpers angebracht werden. Heilenden Eigenschaften Kupfer äußert sich in dieser Therapie wie folgt:

• das Schutzpotential des menschlichen Körpers steigt;
• Infektionskrankheiten sind für diejenigen, die mit Kupfer behandelt werden, nicht gefährlich;
• es gibt einen Rückgang Schmerz und lindert Entzündungen.

4. Der Einfluss von Verunreinigungen und der Struktur von Kupfer auf seine Duktilität

Das Vorhandensein von Verunreinigungen in sauerstofffreiem Kupfer in den durch GOST 859-78 geregelten Mengen hat keinen spürbaren Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften bei 20 °C. Bei Hochtemperaturtests und bestimmten Bedingungen werden jedoch mehrere Intervalle einer Abnahme der Duktilität beobachtet, die bei spektral reinem Kupfer fehlen. Es gibt eine Reihe von Hypothesen, die den Grund für die Abnahme der Duktilität von Kupfer in einem bestimmten Temperaturbereich und bei statischen Prüfgeschwindigkeiten von Proben erklären. Diese Hypothesen lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

a) Hypothesen, die eine anomale Abnahme der Plastizität mit der Wechselwirkung von Honig mit Selen, Tellur, Wismut, Blei, Schwefel, Sauerstoff und Wasserstoff in Verbindung bringen;

b) Hypothesen, die die Abnahme der Duktilität in bestimmten Temperaturbereichen durch strukturelle Veränderungen im Kupfer erklären.

Die Hypothesen der ersten Gruppe basieren auf in der Arbeit getesteten thermodynamischen Berechnungen. Berechnungen haben gezeigt, dass der Bereich der verringerten Plastizität von Honig mit der Temperatur zusammenfällt, bei der sich Selen und Tellur zwischen Kupferkristallen befinden können Gaszustand. Tellur und Selen kommen in Kupfer in Tausendstel- und Zehntausendstelprozent vor, dünne Schichten der Gasphase dieser Elemente können jedoch als fertige Risse kritischer Größe angesehen werden, die unter dem Einfluss von Zugkräften während der Prüfung entstehen , sich zu Mikrorissen entwickeln und das Kupfer spröde machen.

Blei und Wismut sind in festem Kupfer schwer löslich (0,001 %) und kommen daher als Einschlüsse von elementarem Blei oder Wismut vor. Mit steigender Temperatur gehen diese Elemente in über flüssigen Zustand und entlang der Korngrenzen gelegen, unterbrechen sie die Verbindung zwischen ihnen.

Bei Temperaturen in der Größenordnung von 800 °C lösen sich kleine Mengen dieser Elemente in Kupfer, bis die flüssige Phase verschwindet und die Zone verringerter Duktilität beseitigt wird. Bei Selen und Tellur kann die Zunahme der Plastizität bei hohen Temperaturen jedoch nicht durch die Auflösung dieser Elemente in Kupfer erklärt werden.

Sauerstofffreie Kupferbarren mit 2 10-3 % S reißen beim Warmwalzen an den Kanten, und weniger als 1 10-3 % S reißen nicht. Das Ende des Walzens von Barren erfolgt in der Regel im Bereich eines Duktilitätsabfalls (500–700 °C), was die Bildung von Mikrorissen bereits in diesem Stadium erklärt. Selbst bei einem Gehalt von 3,8 - 10 -4 % verringert Wismut die Duktilität von Kupfer, und bei 2,5 -10 -4 % wurden an den Korngrenzen Entmischungen mit bis zu 17 % Bi festgestellt; auch beim Schwefel aufgefallen. Als oberflächenaktive Elemente im Verhältnis zu Kupfer reduzieren diese Verunreinigungen dessen Oberflächenenergie, was zu einer Verringerung des interkristallinen Zusammenhalts und damit zu einem Verlust der Duktilität führt. Während die Oberflächenenergie von reinem Kupfer etwa 0,135 mJ beträgt, wird sie durch die Anwesenheit von Schwefel auf 7 μJ reduziert und dadurch die Kohäsionsfestigkeit der Korngrenzen verringert. Eine wesentliche Rolle beim Auftreten roter Sprödigkeit von sauerstofffreiem Kupfer spielt der Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Verunreinigungen und ihrer Löslichkeit in festem Kupfer. Je höher dieses Verhältnis ist (das vor allem bei Sauerstoff, Wismut, Schwefel und Blei am größten ist), desto größer ist die Tendenz zur Bildung von Einschlüssen, die sich entlang der Korngrenzen entmischen und bei der Hochtemperaturbehandlung koagulieren und Defekte bilden.

Bei verformtem Kupfer trägt die Anwesenheit geringer Mengen Sauerstoff dazu bei, die Gleichmäßigkeit zu erhöhen und die lokale Verengung des Kupferdrahthalses auf 55–65 % (je nach Verformungsgrad und Sauerstoffgehalt) zu reduzieren. Gleichzeitig ermöglichte der Nachweis einer sehr geringen Duktilität von sauerstoffhaltigem Kupfer bei Raumtemperatur und Hochtemperaturtests (ψ = 20 %) die Annahme)