Питома міцність міді. Мідь та її сплави

• Позначення – Cu (Copper);
• Період – IV;
• Група – 11 (Ib);
• Атомна маса – 63,546;
• Атомний номер – 29;
• Радіус атома = 128 пм;
• Ковалентний радіус = 117 пм;
• Розподіл електронів - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1;
• t плавлення = 1083,4 ° C;
• t кипіння = 2567 ° C;
• Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 1,90/1,75;
• Ступінь окиснення: +3, +2, +1, 0;
• Щільність (н. у.) = 8,92 г/см 3;
• Молярний об'єм = 7,1 см3/моль.

Мідь (купрум, свою назву отримала на честь острова Кіпр, де було відкрите велике мідне родовище) є одним з перших металів, який освоїв людина - Мідний вік (епоха, коли в побуті людини переважали мідні знаряддя) охоплює період IV-III тисячоліття до н. . е.

Сплав міді з оловом (бронза) було отримано Близькому Сході за 3000 років до зв. е. Бронза була кращою за мідь, оскільки була міцніша і краще піддавалася куванню.

Мал. Будова атома міді.

Електронна конфігурація атома міді - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 (див. Електронна структура атомів). У міді один спарений електрон із зовнішнього s-рівня "перескакує" на d-підрівень передньої орбіталі, що пов'язано з високою стійкістюповністю заповненого d-рівня. Завершений стійкий d-підрівень міді зумовлює відносну хімічну інертність (мідь не реагує з воднем, азотом, вуглецем, кремнієм). Мідь у сполуках може виявляти ступені окислення +3, +2, +1 (найстійкіші +1 і +2).

Мал. Електронна конфігурація міді.

Фізичні властивості міді:

• метал, червоно-рожевого кольору;
• має високу ковкість і пластичність;
• гарною електропровідністю;
• малим електричним опором.

Хімічні властивості міді

• при нагріванні реагує з киснем:
  O 2 + 2Cu = 2CuO;
• при тривалому перебуванні на повітрі реагує з киснем навіть при кімнатній температурі:
  O 2 + 2Cu + CO 2 + H 2 O = Cu(OH) 2 · CuCO 3;
• вступає в реакції з азотною та концентрованою сірчаною кислотою:
  Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
• з водою, розчинами лугів, соляною та розведеною сірчаною кислотою мідь не реагує.

З'єднання міді

Оксид міді CuO (II):

• тверда речовина червоно-коричневого кольору, не розчинна у воді, виявляє основні властивості;
• при нагріванні у присутності відновників дає вільну мідь:
  CuO + H 2 = Cu + H 2 O;
• оксид міді одержують взаємодією міді з киснем або розкладанням гідроксиду міді (II):
  O 2 + 2Cu = 2CuO; Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O.

Гідроксид міді Cu(OH 2)(II):

• кристалічна або аморфна речовина блакитного кольору, нерозчинне у воді;
• розкладається на воду та оксид міді при нагріванні;
• реагує з кислотами, утворюючи відповідні солі:
  Cu(OH 2 ) + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O;
• реагує з розчинами лугів, утворюючи купрати - комплексні з'єднання яскраво-синього кольору:
  Cu(OH 2) + 2KOH = K 2 .

Докладніше про сполуки міді див. Оксиди міді.

Отримання та застосування міді

• пірометалургійним методом мідь отримують з сульфідних руд при високих температурах:
  CuFeS 2 + O 2 + SiO 2 → Cu + FeSiO 3 + SO 2;
• оксид міді відновлюється до металевої міді воднем, чадним газом, активними металами:
  Cu 2 O + H 2 = 2Cu + H 2 O;
  Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2;
  Cu 2 O + Mg = 2Cu + MgO.

Застосування міді обумовлюється її високою електро- та теплопровідністю, а також пластичністю:

• виготовлення електричних проводів та кабелів;
• у теплообмінній апаратурі;
• у металургії для отримання сплавів: бронзи, латуні, мельхіору;
• у радіоелектроніці.

Стародавні греки називали цей елемент халкосом, латинською вона називається cuprum (Сu) або aes, а середньовічні алхіміки називали цей хімічний елементне інакше як Марс чи Венера. Людство давно познайомилося з міддю за рахунок того, що в природних умовїї можна було зустріти у вигляді самородків, що мають дуже значні розміри.

Легка відновлюваність карбонатів і оксидів даного елемента сприяла тому, що саме його, на думку багатьох дослідників, наші стародавні предки навчилися відновлювати з руди раніше за решту металів.

Спочатку мідні породи просто нагрівали на відкритому вогні, а потім різко охолоджували. Це призводило до їхнього розтріскування, що давало можливість виконувати відновлення металу.

Освоївши таку нехитру технологію, людина почала поступово розвивати її. Люди навчилися вдувати за допомогою хутра та труб у вогнища повітря, потім додумалися встановлювати навколо вогню стіни. Зрештою, було сконструйовано і першу шахтну піч.

Численні археологічні розкопки дозволили встановити унікальний факт – найпростіші мідні виробиіснували вже у 10 тисячолітті до нашої ери! А більш активно мідь почала видобуватись і використовуватись через 8–10 тисяч років. Саме з того часу людство застосовує цей унікальний за багатьма показниками (щільність, питома вага, магнітні характеристики тощо) хімічний елемент для своїх потреб.

У наші дні мідні самородки зустрічаються дуже рідко.Мідь видобувають із різних , серед яких можна виділити такі:

• борнить (у ньому купрума буває до 65%);
• мідний блиск (він же халькозин) із вмістом міді до 80%;
• мідний колчедан (інакше кажучи – халькоперит), що містить близько 30 % хімічного елемента, що цікавить нас;
• ковелін (у ньому Cu буває до 64%).

Також купрум видобувають з малахіту, куприту, інших оксидних руд і ще майже з 20 мінералів, що містять її в різних кількостях.

2

У простому виглядіописуваний елемент являє собою метал рожево-червоного відтінку, що характеризується високими пластичними можливостями. Природний купрум включає два нукліди зі стабільною структурою.

Радіус позитивно зарядженого іона міді має такі значення:

• при координаційному показнику 6 – до 0,091 нм;
• за показника 2 – до 0,060 нм.

А нейтральний атом елемента характеризується радіусом 0,128 нм та спорідненістю до електрона 1,8 еВ. При послідовній іонізації атом має величини від 7726 до 827 еВ.

Купрум є перехідним металом, тому він має змінні ступені окислення та малий показник електронегативності (1,9 одиниць за шкалою Полінга). (Коефіцієнт) дорівнює 394 Вт/(м*К) при температурному інтервалі від 20 до 100 °С. Електропровідність міді (питомий показник) становить максимум 58 мінімум 55,5 МСм/м. Більш високою величиною характеризується лише срібло, електропровідність інших металів, зокрема і алюмінію, нижче.

Мідь не може витісняти водень з кислот і води, так як у стандартному потенційному ряду вона стоїть правіше водню. Описуваний метал характеризується гранецентрованими кубічними гратами з величиною 0,36150 нм. Кипить мідь при температурі 2657 градусів, плавиться при температурі трохи більше 1083 градусів, а її щільність дорівнює 8,92 г/кубічний сантиметр (для порівняння – щільність алюмінію дорівнює 2,7).

Інші механічні властивостіміді та важливі фізичні показники:

• тиск при 1628 ° С - 1 мм рт. ст.;
• термічна величина розширення (лінійного) – 0,00000017 од.;
• при розтягуванні досягається межа міцності рівну 22 кгс/мм2;
• твердість міді – 35 кгс/мм2 (шкала Брінелля);
• питома вага – 8,94 г/см3;
• модуль пружності – 132 000 Мн/м2;
• подовження (відносне) - 60%.

Магнітні властивості міді певною мірою унікальні. Елемент повністю діамагнітний, показник його магнітної атомної сприйнятливості становить лише 0,00000527 од. Магнітні характеристики міді (втім, як і всі її фізичні параметри – вага, щільність та ін.) зумовлюють потрібність елемента виготовлення електротехнічних виробів. Приблизно такі ж характеристики є й у алюмінію, тому вони з описуваним металом становлять "солодку парочку", що використовується для провідникових деталей, проводів, кабелів.

Багато механічні показники міді змінити практично нереально (ті ж магнітні властивості, наприклад), а ось межу міцності елемента, що розглядається, можна поліпшити за допомогою виконання наклепу. У даному випадкувін підвищиться приблизно удвічі (до 420–450 МН/м2).

3

Купрум у системі Менделєєва включено до групи благородних металів (IB), він у четвертому періоді, має 29 порядковий номер, має схильність до комплексообразованию. Хімічні характеристикиміді не менш важливі, ніж її магнітні, механічні та фізичні показники, чи то її вага, щільність чи інша величина. Тому ми говоритимемо про них докладно.

Хімічна активність купруму мала. Мідь в умовах сухої атмосфери незначно змінюється (можна навіть сказати, що майже не змінюється). А ось при підвищенні вологості та наявності в навколишньому середовищівуглекислого газу її поверхні зазвичай формується плівка зеленого відтінку. У ній присутні CuCO3 і Cu(OH)2, а також різні сірчисті мідні сполуки. Останні утворюються через те, що в повітрі практично завжди є кілька сірководню і сірчистого газу. Зазначену зелену плівку називають патиною. Вона захищає від руйнування металу.

Якщо мідь нагріти на повітрі, розпочнуться процеси окислення її поверхні. При температурах від 375 до 1100 градусів у результаті окислення утворюється двошарова окалина, а за температури до 375 градусів – оксид міді. При звичайній температурі зазвичай спостерігається з'єднання Cu з вологим хлором (підсумок такої реакції - поява хлориду).

З іншими елементами групи галогенів мідь взаємодіє досить легко. У парах сірки вона спалахує, високий рівень спорідненості вона має і до селену. Зате з вуглецем, азотом та воднем Сu не з'єднується навіть за підвищених температур. При контакті оксиду міді із сірчаною кислотою (розведеною) виходить сульфат та чиста мідь, з йодоводородною та бромоїдоводневою кислотою – йодид та бромід міді відповідно.

Якщо оксид з'єднати з тим чи іншим лугом, результатом хімічної реакції стане поява купрата. А ось найвідоміші відновники (оксид вуглецю, аміак, метан та інші) здатні відновити купрум до вільного стану.

Практичний інтерес представляє здатність цього металу вступати в реакцію із солями заліза (у вигляді розчину). У цьому випадку фіксується відновлення заліза та перехід Cu у розчин. Ця реакція застосовується для зняття з декоративних виробів напиленого шару міді.

В одно- та двовалентних формах мідь здатна створювати комплексні сполуки з високим показником стійкості. До таких сполук відносять аміачні суміші (вони становлять інтерес для промислових підприємств) та подвійні солі.

4

Головна сфера застосування алюмінію та міді відома, мабуть, усім. З них роблять різноманітні кабелі, у тому числі силові. Сприяє цьому малий опір алюмінію та купруму, їх особливі магнітні можливості. В обмотках електричних приводіві в трансформаторах (силових) широко використовуються мідні дроти, які характеризуються унікальною чистотою міді, що є вихідною сировиною для їхнього випуску. Якщо в таку чисту сировину додати лише 0,02 відсотка алюмінію, електропровідність виробу зменшиться відсотків 8–10.

Су, що має високу щільність і міцність, а також мала вага, чудово піддається механічній обробці. Це дозволяє виробляти чудові мідні труби, які демонструють свої високі експлуатаційні характеристикиу системах подачі газу, опалення, води. У багатьох європейських державах саме мідні труби використовуються в переважній більшості випадків для облаштування внутрішніх інженерних мереж житлових та адміністративних будівель.

Ми багато сказали про електропровідність алюмінію та міді. Не забудемо і про відмінну теплопровідність останньої. Ця характеристика дає можливість використовувати мідь у таких конструкціях:

• у теплових трубках;
• у кулерах персональних комп'ютерів;
• в опалювальні системита системах охолодження повітря;
• у теплообмінниках та багатьох інших пристроях, що відводять тепло.

Щільність і невелика вага мідних матеріалів та сплавів зумовили їхнє широке застосування в архітектурі.

5

Зрозуміло, що щільність міді, її вага та всілякі хімічні та магнітні показники, за великим рахунком, мало цікавлять звичайної людини. А ось цілющі властивості міді хочуть дізнатися багато.

Стародавні індійці застосовували мідь для лікування органів зору та різних недуг шкірних покривів. Стародавні греки виліковували мідними пластинками виразки, сильну набряклість, синці та забиті місця, а також і більш серйозні хвороби (запалення мигдаликів, вроджену та набуту глухоту). А на сході мідний червоний порошок, розчинений у воді, застосовувався для відновлення зламаних кісток ніг та рук.

Лікувальні властивості міді добре відомі і росіянам. Наші пращури виліковували за допомогою цього унікального металу холеру, епілепсію, поліартрити та радикуліти. В даний час для лікування зазвичай використовуються мідні платівки, що накладаються на спеціальні точки на тілі людини. Цілющі властивостіміді при такій терапії проявляються в наступному:

• захисний потенціал організму людини зростає;
• інфекційні хвороби не страшні тим, хто лікується міддю;
• спостерігається зниження больових відчуттівта зняття запальних явищ.

4. Вплив домішок та структури міді на її пластичність

Наявність у безкисневій міді домішок у кількостях, що регламентуються ГОСТ 859-78, не помітно впливає на її механічні властивості при 20°С. Однак при високотемпературних випробуваннях і певних умовах спостерігається кілька інтервалів зниження пластичності, які у спектрально чистої міді відсутні. Існує ряд гіпотез, що пояснюють причину зниження пластичності міді у певному температурному інтервалі та при статичних швидкостях випробування зразків. Ці гіпотези умовно можна поділити на дві групи:

а) гіпотези, що пов'язують аномальне зниження пластичності із взаємодією меду з селеном, телуром, вісмутом, свинцем, сіркою, киснем, воднем;

б) гіпотези, що пояснюють падіння пластичності у певних температурних інтервалах структурними змінами міді.

Гіпотези першої групи ґрунтуються на термодинамічних розрахунках, перевірених у роботі. Розрахунки показали, що інтервал зниженої пластичності меду збігається з температурою, при якій селен і телур можуть перебувати між мідними кристалами газоподібному стані. Теллур і селен знаходяться в міді в тисячних і десятитисячних частках відсотка, проте тонкі прошарки газової фази цих елементів можна розглядати як готові тріщини критичного розміру, які під дією зусиль, що розтягують, при випробуваннях розвиваються в мікротріщини і викликають крихкість міді.

Свинець і вісмут трохи розчиняються в твердій міді (0,001%) і тому знаходяться у вигляді включень елементарного свинцю або вісмуту. З підвищенням температури ці елементи переходять у рідкий стані, розташовуючись за межами зерен, порушують зв'язок з-поміж них.

При температурах 800°С відбувається розчинення малих кількостей цих елементів у міді до зникнення рідкої фази і ліквідується зона зниження пластичності. Однак у разі селену та телуру підвищення пластичності при високих температурах розчиненням цих елементів у міді пояснити не можна.

Зливки з безкисневої міді, що містять 2 · 10-3% S, розтріскуються по кромках при гарячій прокатці, а менше 1 · 10-3% S не мають тріщин. Закінчення прокатки злитків проходить, як правило в районі, падінь пластичності (500-700 ° С), що пояснює утворення мікротріщин вже на цій стадії. Вісмут навіть за вмісту 3,8 - 10 -4 % знижує пластичність міді, а за 2,5 -10 -4 % на межах зерен знайдено сегрегації, містять до 17 % Bi; теж помічено і у випадку із сіркою. Будучи поверхнево-активними елементами стосовно міді, ці домішки зменшують її поверхневу енергію, що призводить до зниження міжзеренного зчеплення, а отже, до втрати пластичності. Якщо поверхнева енергія чистої міді становить близько 0,135 мДж, то присутність сірки знижує її до 7 мкДж і тим самим знижує міцність когезивну меж зерен. Істотну роль у виникненні червоноломкості безкисневої міді відіграє відношення між вмістом домішок та їх розчинністю у твердій міді. Чим вище це відношення (яке найбільш велике в основному для кисню, вісмуту, сірки, свинцю), тим більша тенденція до утворення включень, які, сегрегуючи по межах зерен та коагулюючи при високотемпературній обробці, утворюють дефекти.

У разі деформованої міді присутність невеликих кількостей кисню сприяє підвищенню рівномірного та зменшення локального звуження шийки мідного дроту до 55 -65 % (залежно від ступеня деформації та вмісту кисню). У той же час прояв дуже низької пластичності кисневмісної міді при кімнатній температурі та високотемпературних випробуваннях (ψ = = 20%) дало можливість припустити.