Королевская семья. Есть одна королева (медь) — часть 1
Содержание
Было время, когда она правила миром человеческих технологий. Во времена ее правления были возведены пирамиды, строения, размеры которых до сих пор не превзошли. Затем его вытеснил лучший материал — обычное железо. В двадцатом веке его даже превзошел алюминий. Но она по-прежнему королева металла.
Медь, наряду с серебром и золотом, представляет собой уникальную группу элементов. Как редко, кроме железа, влияло на судьбу человечества. А так как их свойства нарушают правила, регулирующие таблицу Менделеева (правители неохотно следуют законам, установленным для других), не будет ошибкой сказать, что 11-я группа элементов — это…
…Королевская семья
Например, валентность. Положение в группе 11 предполагает, что оно будет равно I. Впрочем, именно так оно и есть только для серебра (плюс неустойчивые соединения AgII). Для меди он равен I и II (наиболее прочный), а для золота — III (но есть даже семизначное золото). Цвет: медь — это… медь (хотя на самом деле она имеет другой цвет), серебро — серебристо-белый металл, а золото — просто золото. Такой цветовой вариации нет ни у одной другой группы металлов. Человечество познало их всех в глубокой предыстории и из их имен создало названия мифических эпох в мировой истории. После счастливых веков золота и серебра наступили…
… время бронзы
Именно тогда жили Геракл, Тесей и аргонавты, а герои Гомера сражались облаченными в бронзовые доспехи бронзовыми мечами под стенами Трои. Бронза — один из бронзовых сплавов меди. (второй компонент – олово, также используются другие добавки). Бронза и бронза были обычными металлами древности, пока их не вытеснило железо. В новое время их использовали для производства первых пушек, из них до сих пор отливают памятники и колокола, а в качестве деталей машин применяют различные виды бронзы.
Медный век действительно имел место в истории человечества. Около 5 лет до н.э. доисторические металлурги освоили выплавку этого металла из найденных руд (пока использовались самородки), а каменные орудия заменили медными. Хотя медь довольно мягкая и инструменты быстро тупились, их можно было заточить, а изношенные переплавить на новые. Столетия спустя в употребление вошла бронза (около 3,5 г. до н.э.), выплавленная, вероятно, случайно, когда в печи смешали медную и оловянную руды. Он правил более 2 лет, пока его не заменило железо, эпоха которого продолжается и по сей день.
Кипрский метал
Латинское название меди происходит от Кипра, где находились рудники «кипрского металла» (лат. cyprum aes), известные во всем древнем мире. Позже название было преобразовано в купрум, и во многих европейских языках медь до сих пор носит аналогичное название. В славянских языках имя похоже на польское, что доказывает его образование и в глубокой древности. В свою очередь, по-гречески это халкос, от названия города на берегу Эгейского моря.
Два медных минерала вместе: темно-синий азурит с зеленым малахитом (иллюстрация из Геологической службы США).
Портрет королевы
плотностью почти 9 г/см3, плавится при 1085°С. Он уступает только серебру как проводник тепла и электричества, и благодаря высокой пластичности ему легко придать форму. Поверхностный слой Земли содержит около 0,01 % меди (24-е место в списке элементов) и поэтому имеет умеренное распространение. Помимо нескольких самородков, это также в виде полезных ископаемых. Добыче руд способствует то, что они во многих местах образуют залежи (см.: Кипрский металл). Наиболее важными источниками меди являются халькопирит CuFeS.2 я куприт Cu2A. Зеленый малахит и лазурный азурит — основные карбонаты, используемые в качестве поделочных камней.
Королева работает
Медь в настоящее время это металл номер 3 в мировой экономике. Для многих применений он необходим в очень чистом виде, поэтому производство заключается не только в плавке руды. Сырая медь подвергается электролитической очистке. Медные блоки из доменной печи погружены в раствор CuSO.4 и подключается к положительному полюсу источника напряжения, а отрицательный полюс к небольшим брусочкам из чистого металла.
Когда через раствор пропускают ток, «положительные» блоки растворяются, а металл осаждается на «отрицательных» блоках (см. «Очистка меди»). Условия электролиза подобраны таким образом, что осаждается практически только сама медь, а примеси остаются в растворе или оседают на дно. Шлам, известный как анодный шлам, особенно ценен. Содержит из меди: серебро, золото и платину. Они восстанавливаются, и их стоимость покрывает большую часть производственных затрат. Ежегодно производится около 20 миллионов тонн меди, и Чили является крупнейшим поставщиком. Польский концерн KGHM производит более 550 тыс. тонн этого металла.
Электрорафинирование меди на КГХМ (иллюстрация из ресурсов КГХМ).
В настоящее время медь используется для производства электрических кабелей и проводов, аппаратов для химической промышленности, труб центрального отопления, змеевиков в газовых нагревателях, охладителях и радиаторах. Медные сплавы также широко используются. Бронзы уже упоминались, другие популярные сплавы — золотая латунь (с добавлением цинка). Последние также были получены в древности, когда их часто использовали как имитации золота.
Источники меди
У вас не возникнет никаких трудностей с получением меди. Металл можно получить из электрических проводов после снятия изоляции, а лист из медных труб. Наиболее популярным соединением меди является сульфат (VI), присутствующий в виде голубых кристаллов гидратированной соли с формулой CuSO.4×5ч2О. «Голубой камень» (обычное название соединения) — недорогой реагент, и вы можете купить его дешевле всего в садовом магазине, потому что он используется как фунгицид.
Медь не токсична, хотя как тяжелый металл тоже небезразлична для организма. Достаточно обычных мер безопасности, применяемых в лаборатории, т. е. вы не едите и не пьете во время работы, а проводите анализы, чтобы не загрязнять окружающую среду. При дополнительном использовании концентрированных кислотных или щелочных растворов обязательна защита глаз и кожи рук.
Как обнаружить медь?
Самый простой по цвету. Это не шутка, синий цвет раствора указывает на наличие гидратированных ионов Cu.2+ (см. Зеркало Венеры). Так что если замечен такой цвет, проводятся испытания по поиску металла. Ниже приведены некоторые аналитические тесты на медь.
Приготовьте несколько процентов раствора CuSO.4 и раствор гидроксида натрия той же концентрации. Сразу же при смешивании растворов образуется голубой осадок:
Практически нерастворим в избытке основания, но растворяется при добавлении раствора NH аммиака.3aqи цвет раствора становится темнее, чем первоначально. Причина – образование комплексных ионов темно-синего цвета:
Когда воздействуешь только на раствор соли меди раствор аммиака, сначала образуется синий осадок (раствор аммиака является щелочным), который затем растворяется с описанным выше цветовым эффектом. Запомните этот опыт. Выпадение голубого осадка под действием раствора щелочи и его растворение после прибавления раствора аммиака с образованием темно-синего цвета является характерным тестом для обнаружения ионов Cu.2+. В случае низкой концентрации меди в образце аммиак вызывает более насыщенную окраску раствора. Измеряя светопоглощение раствора для соответствующим образом выбранной длины волны (в данном случае это дополнительный цвет в желтом диапазоне), определяют содержание меди в растворе.
Еще более чувствительным реагентом, чем аммиак, является К.4[Fe (CN)6], то есть гексацианоферрат (II) калия. В просторечии это ферроцианид калия, появляющийся в виде светло-желтоватых кристаллов. Не путайте его с красным кристаллообразующим феррицианидом К.3[Fe (CN)6], иначе опыт не выйдет. Реагент с ионами Cu2+ дает красновато-коричневый осадок Cu2[Fe (CN)6], а в случае очень низкой концентрации меди — красноватый цвет раствора.
Синий цвет гидратированных ионов меди (II).
Темно-синий комплекс меди (II) с аммиаком.
Хлорид и бромид меди (II) растворимы в воде, тогда как йодид дает неожиданность. Темное твердое вещество выпадает в осадок после добавления раствора йодида калия KI. Если в пробирку добавить немного крахмальной взвеси (то есть просто картофельной муки), то получится темно-синяя окраска. Вы наверняка знаете, что означает этот результат теста — в сосуде есть свободный йод, который образовался в результате реакции:
Окислительные свойства ионов Cu ответственны за эффект2+ (о них через месяц) и восстанавливающие йодиды.
Желатиновый осадок гидроксида меди (II).
Комплекс хлорида меди (II) имеет желтый цвет, но в сочетании с гидратированными ионами дает зеленую окраску раствора.
Медь можно обнаружить еще проще: достаточно газовой горелки (может даже печки) и металлической проволоки. Платиновые провода используются в лабораториях, но достаточно простой стальной проволоки, заделанной в кусок дерева. Отрегулируйте пламя горелки так, чтобы оно было стабильным и бесцветным. Окуните проволоку в соляную кислоту и поместите ее в пламя, которое очистит поверхность металла. Когда пламя перестанет окрашиваться, прикоснитесь к концу проволоки любой солью меди, чтобы кристалл соединения прилип к концу (если не хочет, смочите проволоку дистиллированной водой). При внесении образца в пламя соединения меди окрашивают его в зеленый цвет, а в случае хлорида — в сине-зеленый. [анализ пламени]
Аффинаж меди
Проверьте сами, как рафинируют медь. Присоедините зачищенные медные провода к проводам, подключенным к полюсам батареи 4,5 В. В стакане растворите немного сульфата меди (II) CuSO.4 и добавить несколько капель серной кислоты (VI) H.2SO4. Поместите провода в стакан и пропустите ток через раствор. Через час вы заметите, что «плюсовой» провод похудел, а «минусовой» пополнел.
В зеленом наряде
Помимо синего, королева также носит зеленые мантии. И это не только приглушенная патина (основной карбонат, который образуется, например, на медных крышах), но и сочная зелень. Приготовьте раствор CuSO.4 и концентрированный раствор NaCl, т.е. поваренной соли. Влейте солевой раствор в голубой раствор соли меди. Появляется зеленый цвет. Теперь добавьте немного воды. Синий цвет вернулся.
Откуда взялись эти изменения? Синий — это гидратированные ионы меди.2+. Под действием высокой концентрации хлорида натрия часть ионов меди образует анионы CuCl.4 2- желтого цвета. Желтый + синий = зеленый. Разбавление водой вызывает разрушение хлоридного комплекса и возвращение синей окраски.
Пламенный анализ солей меди.
Зеркало Венеры
Афродита тоже родом с Кипра, где однажды вышла из моря у берегов острова. Алхимики связывали медь с ее римским аналогом Венерой, а также с посвященной ей планетой. Они обозначали металл и планету символом ♀, т.е. зеркало Венеры (знак символизирует зеркало с ручкой; мы знаем из раскопок медные зеркала). Неудивительно, что медь тоже любит морские цвета — синий и зеленый (это цвета многих ее сочетаний).
Морские цвета медной соли.
