Ковкість міді. Характеристика міді

Ковкістю називають сприйнятливість металів і сплавів до куванні і іншим видам обробки тиском. Це може бути волочіння, штампування, прокатка або пресування. Ковкість міді характеризується не тільки опором деформації, але і пластичністю. Що ж таке пластичність? Це вміння металу змінювати свої контури під тиском без руйнування. Ковкими металами є латунь, сталь, дюралюміній і деякі інші мідні, магнієві, нікелеві, алюмінієві сплави. Саме у них високий рівень пластичності поєднується з низьким опором деформації.

Мідь

Цікаво, як виглядає характеристика міді? Відомо, що це елемент 11 групи 4 періоди системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Його атом має 29 номер і позначається символом Cu. Фактично це перехідний пластичний метал рожево-золотистого кольору. До речі, він має рожевий колір, якщо оксидна плівка відсутня. З давніх пір даний елемент використовується людьми.

Історія

Одним з перших металів, які люди почали активно використовувати у своєму господарстві, є мідь. Дійсно, вона занадто доступна для отримання з руди і має малу температуру плавлення. З давніх пір людському роду відома сімка металів, в яку також входить і мідь. У природі цей елемент зустрічається набагато частіше, ніж срібло, золото або залізо. Старовинні предмети з міді, шлак, є свідченням її виплавки з руд. Вони виявлені при розкопках селища Чатал-Гююк. Відомо, що в мідний вік отримали велике поширення мідні речі. У всесвітній історії він слідує за кам`яним.

С. А. Семенов із співробітниками проводив експериментальні дослідження, в яких з`ясував, що мідні знаряддя праці порівняно з кам`яними виграють по багатьом параметрам. У них вище швидкість стругання, свердління, рубки і розпилювання деревини. А обробка кістки мідним ножем триває стільки ж, скільки і кам`яним. А адже мідь вважається м`яким металом.

Дуже часто в давнину замість міді використовували її сплав з оловом - бронзу. Вона необхідна була для виготовлення зброї та інших речей. Отже, на зміну мідному віку прийшов бронзовий. Бронзу вперше отримали на Близькому Сході за 3000 років до н. е .: людям подобалася міцність і відмінна ковкість міді. З одержуваної бронзи виходили чудові знаряддя праці і полювання, посуд, прикраси. Всі ці предмети знаходять в археологічних розкопках. Далі бронзовий вік змінився залізним.

Як отримати мідь можна було в давнину? Спочатку її добували не з сульфідної, а з малахітовою руди. Адже в цьому випадку займатися попередніми випалюванням не було необхідності. Для цього суміш вугілля і руди поміщали в глиняну посудину. Посудина встановлювали в неглибоку яму і суміш підпалювали. Далі починав виділятися чадний газ, який сприяв відновленню малахіту до вільної міді.

Відомо, що на Кіпрі вже в третьому тисячолітті до нашої ери були побудовані мідні рудники, на яких і здійснювалася її виплавка.

На землях Росії та сусідніх держав мідні рудники виникли за два тисячоліття до н. е. Їх руїни знаходять і на Уралі, і на Україні, і в Закавказзі, і на Алтаї, і в далекій Сибіру.

Промислове плавлення міді було освоєно в тринадцятому столітті. А в п`ятнадцятому в Москві був створений Гарматний двір. Саме там з бронзи відливали знаряддя різних калібрів. Неймовірна кількість міді йшло на виготовлення дзвонів. У 1586 з бронзи була відлита Цар-гармата, в 1735 році - Цар-дзвін, в 1782 році був створений Мідний вершник. У 752 році майстри виготовили чудову статую Великого Будди в храмі Монастир Тодай. Взагалі, список творів ливарного мистецтва можна продовжувати нескінченно.

У вісімнадцятому столітті людина відкрила електрику. Саме тоді величезні обсяги міді почали йти на виготовлення проводів і подібних їм виробів. У двадцятому столітті дроти навчилися робити з алюмінію, але мідь в електротехніці все ще мала велике значення.

Походження назви

А ви знаєте, що Cuprum - це латинське найменування міді, що відбулося від назви острова Кіпр? До речі, у Страбона мідь величають халкосом - місто Халкида на Евбее винен у походженні такого імені. Більшість давньогрецьких назв мідних і бронзових предметів відбулися саме від цього слова. Вони знайшли широке застосування і в ковальському ремеслі, і серед ковальських виробів і лиття. Іноді мідь називають Aes, що означає руду або рудник.

Слов`янське слово «мідь» не має яскраво вираженої етимології. Можливо, воно старовинне. Але воно дуже часто зустрічається в найдавніших літературних пам`ятках Росії. В. І. Абаєв припускав, що це слово походить від назви країни Мідія. Алхіміки прозвали мідь «Венера». У більш давні часи її називали «Марс».

Де знаходять мідь в природі?

Земна кора вміщує (4,7-5,5) х 10^-3% Міді (по масі). У річковій і морській воді її набагато менше: 10^-7% І 3 х 10^-7% (По масі) відповідно.

У природі дуже часто знаходять сполуки міді. У промисловості використовується халькопирит CuFeS₂, іменований мідним колчеданом, борної Cu₅FeS₄, халькозин Cu₂S. Одночасно люди знаходять і інші мінерали міді: куприт Cu₂O, азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)₂, малахіт Cu₂CO₃(OH)₂ і ковеллин CuS. Дуже часто маса окремих скупчень міді досягає 400 тонн. Мідні сульфіди утворюються в основному в гідротермальних среднетемпературних жилах. Нерідко і в осадових породах можна відшукати мідні родовища - сланці і мідисті пісковики. Найбільш відомими родовищами є в Забайкальському краї Удокан, Жезказган в Казахстані, Мансфельд в Німеччині та медоносний пояс Центральної Африки. Інші багатющі родовища міді розташовані в Чилі (Кольяусі і Ескондідо) і США (Моренсі).

Більшу частину мідної руди видобувають відкритим способом. У ній міститься від 0,3 до 1,0% міді.

Фізичні властивості

Багатьох читачів цікавить опис міді. Це пластичний рожево-золотистий метал. На повітрі його поверхня моментально покривається оксидною плівкою, яка надає йому своєрідний інтенсивний червоно-жовтий відтінок. Цікаво, що тонкі плівки міді мають блакитно-зелений колір.

Осмій, цезій, мідь і золото мають однакову колірну забарвлення, що відрізняється від сірої або сріблястою інших металів. Даний колірний відтінок свідчить про наявність електронних переходів між четвертим напівпорожній і заповненої третьої атомними орбиталями. Між ними існує якась енергетична різниця, відповідна довжині хвилі оранжевого кольору. Та ж система відповідає за специфічний колір золота.

Чим же ще дивна характеристика міді? Цей метал утворює гранецентрированную кубічні грати, просторова група Fm3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

А ще знаменита мідь високої електро- і теплопровідністю. З проведення струму вона знаходиться серед металів на другому місці. До речі, мідь має гігантський температурний коефіцієнт опору і в широкому діапазоні температур майже незалежна від її показників. Мідь називають діамагнетиком.

Сплави міді відрізняються різноманітністю. Люди навчилися поєднувати і латунь з цинком, і нікель з мельхіором, і свинець з бабітом, і бронзу з оловом і іншими металами.

Ізотопи міді

Мідь складається з двох стійких ізотопів - ⁶³Cu і ⁶⁵Cu, які мають поширеність 69,1 і 30,9 відсотків атомних відповідно. Взагалі існує більше двох десятків ізотопів, які не мають стабільності. Самим довгоживучим ізотопом є ⁶⁷Cu з періодом напіврозпаду 62 години.

Як отримують мідь?

Виготовлення міді є досить цікавим процесом. Цей метал отримують з мінералів і мідних руд. Базовими методами отримання міді є гідрометалургія, Пірометалургія і електроліз.

Розглянемо пірометалургійних метод. Даним способом отримують мідь з сульфідних руд, наприклад, халькопирита CuFeS₂. У халькопірітном сировину знаходиться 0,5-2,0% Cu. Спочатку вихідна руда піддається флотаційного збагачення. Потім виконується її окислювальний випал при температурі 1400 градусів. Далі обпалений концентрат йде в плавку на штейн. Для зв`язування оксиду заліза в розплав додають кремнезем.

Утворений силікат спливає у вигляді шлаку, і його відокремлюють. На дні залишається штейн - сплав сульфідів CU₂S і FeS. Далі його плавлять за методом Генрі Бессемера. Для цього в конвертер переливають розплавлений штейн. Потім ємність продувають киснем. А сульфід заліза, який залишився, окислюється до оксиду і за допомогою кремнезему виводиться з процесу у вигляді силікату. Окислюється сульфід міді до оксиду міді неповністю, але потім відновлюється до міді металевої.

У одержуваної чорнової міді міститься 90,95% металу. Далі вона піддається електролітичної очищенню. Цікаво, що в якості електроліту використовується підкисленою розчин мідного купоросу.

На катоді утворюється електролітична мідь, яка володіє високою частотою близько 99,99%. Предмети з міді отриманої виготовляють самі різні: дроти, електротехнічне обладнання, сплави.

Гідрометалургійний метод виглядає дещо по-іншому. Тут мінерали міді розчиняються в розведеною сірчаної кислоти або в аміачному розчині. З приготованих рідин мідь витісняють залізом металевим.

Хімічні властивості міді

У з`єднаннях мідь показує дві ступені окислення: +1 і +2. Перша з них тяжіє до диспропорціонування і стійка лише в нерозчинних з`єднаннях або комплексах. До речі, сполуки міді безбарвні.

Ступінь окислення +2 більш стійка. Саме вона надає солі синій і синьо-зелений колір. У незвичних умовах можна приготувати з`єднання зі ступенем окислення +3 і навіть +5. Останню зазвичай знаходять у солях купраборанового аніона, отриманих в 1994 році.

Чиста мідь на повітрі не змінюється. Це слабкий відновник, який не вступає в реакцію з розбавленою соляною кислотою і водою. Окислюється концентрованими азотної та сірчаної кислотами, галогенами, киснем, «царської горілкою», оксидами неметалів, халькогенами. При нагріванні вступає в реакцію з галогеноводородами.

Якщо повітря вологий, мідь окислюється, утворюючи основний карбонат міді (II). Вона чудово реагує з холодною і гарячою насиченою сірчаною кислотою, гарячою безводної сірчаною кислотою.

З розбавленої соляної кислотою мідь реагує у присутності кисню.

Аналітична хімія міді

Всі знають, що таке хімія. Мідь у розчині виявити нескладно. Для цього необхідно платинову зволікання змочити досліджуваним розчином, а потім внести її в полум`я бунзеновской пальника. Якщо в розчині присутній мідь, полум`я буде забарвлено в зелено-блакитний колір. Необхідно знати, що:

• Зазвичай кількість міді в слабокислих розчинах вимірюється за допомогою сірководню: його змішують з субстанцією. Як правило, при цьому сульфід міді випадає в осад.
• У тих розчинах, де відсутні заважають іони, мідь визначають комплексонометріческого, іонометріческіх або потенціометрично.
• Малі кількості міді в розчинах вимірюють спектральними і кінетичними методами.

Застосування міді

Погодьтеся, вивчення міді є вельми цікавої річчю. Отже, даний метал володіє низьким питомим опором. Завдяки даним якості мідь використовують в електротехніці для виробництва силових та інших кабелів, проводів та інших провідників. Мідні дроти використовуються в обмотках силових трансформаторів і електроприводів. Для створення цих виробів метал підбирають дуже чистий, так як домішки моментально знижують електричну провідність. І якщо в міді присутній 0,02% алюмінію, її електрична провідність знизиться на 10%.

Другим корисним якістю міді є чудова теплопровідність. Завдяки даній властивості вона застосовується в різних теплообменниках, теплових трубках, теплоотводних пристроях і комп`ютерних кулерах.

А де ж використовується твердість міді? Відомо, що безшовні мідні труби круглого перетину володіють чудовою механічною міцністю. Вони чудово витримують механічну обробку і застосовуються для переміщення газів і рідин. Зазвичай їх можна зустріти у внутрішніх системах газопостачання, водопостачання, опалення. Їх широко використовують в холодильних агрегатах і кондиційних системах.

Відмінна твердість міді відома багатьом країнам. Так, у Франції, Великобританії та Австралії мідні труби застосовують для газопостачання будинків, у Швеції - для опалення, в США, Великобританії та Гонконгу - це основний матеріал для водопостачання.

У Росії виробництво водопровідних і газових мідних труб нормується стандартом ГОСТ Р 52318-2005, а федеральний Звід правил СП 40-108-2004 регулює їх застосування. Труби, виконані з міді і її сплавів, активно використовуються в енергетиці та суднобудуванні для переміщення пари і рідин.

А ви знаєте, що сплави міді використовуються в різноманітних галузях техніки? З них найвідомішими вважаються бронза і латунь. Обидва сплаву включають в себе колосальну сімейство матеріалів, в яке, крім цинку і олова, можуть входити вісмут, нікель і інші метали. Наприклад, гарматна бронза, що використовувалась до дев`ятнадцятого століття для виготовлення артилерійських знарядь, складалася з міді, олова і цинку. Її рецептура змінювалася залежно від місця і часу виготовлення знаряддя.

Всім відома відмінна технологічність і висока пластичність міді. Завдяки даним властивостям, неймовірна кількість латуні йде на виробництво гільз для зброї і артилерійських боєприпасів. Примітно, що автозапчастини виготовляють із сплавів міді з кремнієм, цинком, оловом, алюмінієм та іншими матеріалами. Мідні сплави відрізняються високою міцністю і при термічній обробці зберігають свої механічні властивості. Їх стійкість до зношування визначається лише хімічним складом і його впливом на структуру. Необхідно відзначити, що дане правило не відноситься до берилієвої бронзи і деяким алюмінієвим бронзам.

Мідні сплави мають модуль пружності нижче, ніж у сталі. Основним їх перевагою можна назвати невеликий коефіцієнт тертя, що поєднується для більшості сплавів з високою пластичністю, відмінною електропровідністю і чудовим протидією корозії в агресивному середовищі. Як правило, це бронзи алюмінієві і сплави мідно-нікелеві. Вони, до речі, знайшли своє застосування в парах ковзання.

Практично всі мідні сплави мають однакову величину коефіцієнта тертя. Разом з тим зносостійкість і механічні властивості, поведінка в агресивному середовищі безпосередньо залежать від складу сплавів. Пластичність міді використовується в однофазних сплавах, а міцність - в двофазних. Мельхіор (міднонікелевого сплав) застосовують для карбування розмінних монет. Меднонікелевие сплави, в тому числі і «адміралтейський», використовуються в суднобудуванні. З них виготовляють трубки для конденсаторів, очищувальних турбінний відпрацьований пар. Примітно, що турбіни охолоджуються забортної водою. Меднонікелевие сплави мають дивовижної корозійної стійкістю, тому їх намагаються використовувати в областях, пов`язаних з агресивним впливом морської води.

Фактично мідь є найважливішою складовою твердих припоїв - сплавів, що мають температуру плавлення від 590 до 880 градусів Цельсія. Саме їм властива чудова адгезія до більшості металів, завдяки чому вони застосовуються для міцного з`єднання різних металевих деталей. Це можуть бути трубопровідна арматура або рідинні реактивні двигуни, виготовлені з різнорідних металів.

А тепер перерахуємо сплави, в яких ковкість міді має велике значення. Дюраль або дюралюміній є сплавом алюмінію і міді. Тут міді знаходиться 4,4%. Сплави міді з золотом часто використовуються в ювелірній справі. Вони необхідні для підвищення міцності виробів. Адже чисте золото - вельми м`який метал, який не може проявляти стійкість до механічних впливів. Вироби з чистого золота швидко деформуються і стираються.

Цікаво, що для створення оксиду ітрію-барію-міді використовують оксиди міді. Він служить основою для виготовлення високотемпературних надпровідників. Мідь також використовують для виробництва батарей і мідно-окисних гальванічних елементів.

Інші сфери застосування

А ви знаєте, що мідь дуже часто вживають як каталізатор полімеризації ацетилену? Завдяки цій властивості мідні трубопроводи, що використовуються для переміщення ацетилену, дозволено застосовувати лише тоді, коли вміст міді в них не перевищує 64%.

Люди навчилися використовувати ковкість міді і в архітектурі. Фасади та покрівлі, виготовлені з найтоншої листової міді, служать безаварійно по 150 років. Даний феномен пояснюється просто: в мідних аркушах відбувається автозатуханіе процесу корозії. У Росії використовують мідний лист для фасадів та покрівель відповідно до норм Федерального Зводу правил СП 31-116-2006.

У недалекому майбутньому люди планують використовувати мідь як бактерицидних поверхонь в клініках для перешкоджання переміщенню бактерій в приміщеннях. Всі поверхні, до яких доторкається рука людини, - двері, ручки, перила, водозапорная арматура, стільниці, ліжка - фахівці виготовлятимуть лише з цього дивного металу.

Маркування міді

Які марки міді використовує людина для виробництва необхідних йому виробів? Їх безліч: М00, М0, М1, М2, М3. Взагалі, марки міді ідентифікуються чистотою її змісту.

Наприклад, мідь марок М1р, М2р і М3р містить 0,04% фосфору і 0,01% кисню, а марок М1, М2 і М3 - 0,05-0,08% кисню. У марці М0б кисень відсутній, а в МО його процентний вміст становить 0,02%.

Отже, розглянемо більш докладно мідь. Таблиця, наведена далі, надасть більш точну інформацію:

27 марок міді

Всього існує двадцять сім марок міді. Де ж таку кількість мідних матеріалів використовує людина? Розглянемо даний нюанс докладніше:

• Матеріал Cu-DPH використовується для виготовлення фітингів, необхідних для з`єднання труб.
• АМФ потрібен для створення гарячекатаних і холоднокатаних анодів.
• АМФУ використовують для виробництва холоднокатаних і гарячекатаних анодів.
• М0 потрібен для створення провідників струму і високочастотних сплавів.
• Матеріал М00 використовують для виготовлення високочастотних сплавів і провідників струму.
• М001 застосовують для виготовлення дроту, шин та інших електротехнічних виробів.
• М001б необхідний для виготовлення електротехнічних виробів.
• М00б використовують для створення провідників струму, високочастотних сплавів і апаратів електровакуумної індустрії.
• М00к - вихідна сировина для створення деформованих і литих заготовок.
• М0б застосовують для створення сплавів з високою частотою.
• М0К використовують для виробництва литих і деформованих заготовок.
• М1 потрібен для виготовлення дроту та виробів кріогенної техніки.
• М16 застосовують для виробництва приладів електровакуумної індустрії.
• М1Е необхідний для створення холоднокатаних фольги і стрічки.
• М1К потрібен для створення напівфабрикатів.
• М1ор застосовують для виготовлення дроту та інших електротехнічних виробів.
• М1р використовують для виготовлення електродів, що застосовуються для зварювання чавуну і міді.
• М1рЕ потрібен для виробництва холоднокатаних стрічки і фольги.
• М1у використовують для створення холоднокатаних і гарячекатаних анодів.
• М1ф потрібен для створення стрічки, фольги, гарячекатаних і холоднокатаних листів.
• М2 використовують для виготовлення добротних сплавів і напівфабрикатів на мідній основі.
• М2К використовують для виробництва напівфабрикатів.
• М2р необхідний для виготовлення прутків.
• М3 потрібен для виготовлення прокату, сплавів.
• М3р використовують для створення прокату і сплавів.
• МБ-1 необхідний для створення берилієвмісних бронз.
• МСр1 використовують для виготовлення електротехнічних конструкцій.