Медь


ЦЕЛЬ УРОКА: Продолжить формирование понятий «химический элемент», «химическая реакция». Закрепить и углубить знания о периодической системе. Подтвердить общие и особенные свойства меди и ее соединениях. Продолжить формирование логического мышления: умение сравнивать, делать выводы. Показать причинно - следственную зависимость между составом, строением, свойствами и применением.

1.Строение атома

Медь — элемент  побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Заряд ядра атома  +29,  относительная атомная масса равна 64. В ядре атома меди содержится 29 протонов, 29 электронов и 35 нейтронов. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum).

29Сu +29    ) 2   ) 8   )18  )1

1s2  2s2 2p6  3s2 3p6 3d10  4s1

В атоме меди десятый d-электрон перешел на третий d-подуровень в результате «провала» с четвертого s-подуровня, поэтому этот электрон подвижный. Атомы меди в соединениях проявляют степени окисления +1(например, Cu2O) и +2 (например, CuO). Известно небольшое число нестойких соединений со степенью окисления +3 (например, Cu2O3).

2. Нахождение в природе

Медь встречается в природе как в соединениях, так и в самородном виде. Медные руды – природные минералы, содержащие медь в таких количествах, при которых извлечение металла экономически выгодно.

К важным минералам относятся:

Халькопирит CuFeS2 – (30 % меди)

Халькозин (медный блеск) Cu2S – (79,8% меди)

Ковеллин CuS – (64,4  %  меди)

Малахит CuCO3 *Cu(OH)2 – (57,4 % меди)

Аузурит 2CuCO3  Cu(OH)2    (55,5 % меди)

Природа сделала Казахстан кладовой руд цветных металлов, в том числе и меди. Большая часть запасов медных руд находится в Жезказганской области, имеются они и в Павлодарской, Жамбылской, Восточно-Казахстанской, Актюбинской областях, на Рудном Алтае.

3. Получение

Для получения меди применяют пирометаллургический и гидрометаллургический процессы:

а) пирометаллургический способ:

    2Cu2S  +  3O2   =  2Cu2 O  +  2SO2

      2Cu2O  +  Cu2S  =  6Cu  +  SO2

б) гидрометаллургический способ:

    CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

    CuSO4 + Fe  =  Cu  +  FeSO4

Преимуществом гидрометаллургического метода является то, что получать металл можно, не извлекая руду на поверхность. В настоящее время этот метод является весьма перспективным.

Полученная медь обычно содержит много примесей. Очистку меди проводят при помощи электролитического рафинирования. Чистота получаемой электролитическим способом меди достигает 99,96%.

4. Физические свойства

Медь – блестящий, светло-розовый металл, тягучий, вязкий, легко прокатывается. Температура плавления 1083;плотность 8,9 г/см3.Отличный проводник электрического тока (уступает серебру).

5. Химические свойства

В сухом воздухе и при обычной температуре медь почти не изменяется, так как покрывается защитной пленкой соединений, состав которой зависит от примесей в воздухе. При повышенной температуре медь может вступать в реакции как с простыми, так и со сложными веществами.

Взаимодействие с простыми веществами.

1. Взаимодействует с неметаллами

    Cu  +  Cl2  =  CuCl2

2. При нагревании - с кислородом и серой

    2Cu  +  O2  =  2CuО

    Cu  +  S  =  CuS

С водородом и азотом медь не реагирует даже при нагревании.

Взаимодействие со сложными веществами

1.Медь в ряду напряжений располагается после водорода, поэтому она реагирует с кислотами только в том случае, если они являются окислителями:

     Cu  +  2H2SO4 (конц. )  =  CuSO4  +  SO2  +  H2O

     Cu  +  4HNO3 (конц. )   =  Cu(NO3)2  +  2NO2  +  2H2O

     Сu + 4HNО3(разб.) = Cu(NО3 )2 + 2NO + 2Н2О

2. Ни с водой, ни с растворами обычных кислот медь не реагирует, но в присутствие кислорода может идти взаимодействие:

      2Cu + 4HCI + O2 = 2CuCI2 + 2H2O

3. Она вытесняет из растворов солей менее активные металлы. Так, если погрузить медную пластинку в раствор нитрата серебра, то через некоторое время она покроется блестящим слоем серебра:

       Cu + 2AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag

6. Соединения меди

Наиболее распространены соединения, в которых медь имеет степень окисления +2, реже встречаются соединения со степенью окисления +1.

С кислородом медь образует два оксида. При нагревании на воздухе медь легко окисляется, превращаясь сначала в красный оксид Cu2O, а затем – в черный CuO.

Водород восстанавливает медь из оксида меди:

          CuO  +  H2  = Cu +  H2O  [1].

          Cu(OH)2 – студенистый осадок голубого цвета. Его получают при действии щелочей на соли меди (II):

      CuSO4  +  2 NaOH  =  Cu(OH)2  +  Na2SO4

Гидроксид меди  (II) при нагревании разлагается:

     Cu(OH)2  =  CuO  +  H2O

                    чёрного цвета

Легко растворяется в кислотах:

     CuO + H2SO4  = CuSO4  + H2O 

     Cu(OH)2   +  H2SO4  =  CuSO4  +  2H2O [2].

CuSO4 – сульфат меди  (II), белого цвета; с водой образует кристаллогидрат голубого цвета  CuSO4 *  5H2O. Используется в сельском хозяйстве  в качестве антисептика и для борьбы с  вредителями.

Из других солей меди особой популярностью пользуется малахит Cu2(OH)2CO3, применяемый как ценный поделочный камень. Из солей меди вырабатывают большое количество минеральных красок: синих, коричневых, фиолетовых и черных.

7.  Распознавание меди и ее соединений

Медь и ее  соединения окрашивают пламя горелки в сине-зеленый цвет. Соли меди  (II) при добавлении щелочей образуют голубой осадок гидроксида меди  (II):

          Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2

8. Биологическая роль меди

Не смотря на то, что ионы меди ядовиты, медь необходима нашему организму, она участвует в процессах кроветворения, входит в состав многих ферментов, ускоряющих процессы окисления, стимулирует углеводный обмен, синтез  гемоглобина и жиров, образование витаминов. Cu в организме концентрируется в печени.

Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносится главным образом белком церулоплазмином. После усваивания меди кишечником она транспортируется к печени с помощью альбумина. Медь встречается в большом количестве ферментов, например, в цитохром-с-оксидазе, в  ферменте супероксид дисмутазе и в переносящем кислород белке гемоцианине. В крови большинства моллюсков и членистоногих медь используется вместо железа для транспорта кислорода.

9. Применение меди и ее сплавов

В электротехнике:  медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость.

Теплообмен: Другое полезное качество меди — высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

Ювелирные сплавы: В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото — очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.

Другие сферы применения: Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена.

 Бронза – сплав меди и олова, превосходит медь в твёрдости, устойчива к окислению. Бронзовый век - начало III тыс – I тыс до н. э.

Бронза широко использовалась для изготовления орудий труда, кухонная утварь: чаши, котлы. Изделия из бронзы отливались у египтян, индусов. Ассирийцев.

Широкое применение медь нашла в гальваностегии - получении металлических покрытий при помощи электролиза. Наиболее часто медь используется в коррозионно-стойком и декоративном никелировании и хромировании.