Медь

Медь — пищевой минерал, элемент с атомным номером 29 четвертого периода одиннадцатой группы (по старой классификации элемент побочной подгруппы первой группы) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Обозначают символом Cu (латинское Cuprum). Простое вещество медь это пластичный переходный металл, цвет золотисто-розовый (окрас розового цвета в отсутствие оксидной пленки). Человек пользуется этим металлом с давних пор.

Этимология

Cuprum латинское название меди (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где нашли богатое месторождение. От названия города Халкиды на Эвбее медь именуется халкосом, у Страбона. Многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечных изделий и литья, кузнечного ремесла произошли от этого слова. Второе латинское название меди Aes (санскрит ayas, готское aiz, германское erz, английское ore) обозначает руда или рудник.

В древнейших русских литературных памятниках встречаются слова медь и медный. Не имеет четкой этимологии славянское mědь «медь», возможно, исконное слово. Происхождение слова В. И. Абаев предполагал от названия страны Мидия: Мѣдь из ирландского Мādа- через посредство греческого Μηδία. М. Фасмер полагал, что слово «медь» родственно древне-германским smid «кузнец», smîdа «металл».

Обозначалась медь алхимическим символом «♀» — «зеркало Венеры», и сама медь алхимиками именовалась как «венера». Связано это с тем, что богиня красоты Венера (Афродита), была богиней Кипра, и из меди изготавлялись зеркала. Этот символ Венеры был изображен на брэнде Полевского медеплавильного завода, им с 1735 по 1759 годы клеймилась полевская медь. Символ изображен на современном гербе Полевска. Крупнейшее в XVIII—XIX веках месторождение медных руд Российской империи на Среднем Урале Гумешевский рудник Полевского, с которым связан с детства всем известный персонаж П. П. Бажова Хозяйка медной горы, покровительница добычи меди и малахита. Хозяйка по одной из гипотез является преломленная народным сознанием богиня Венера. Встречается название «марс» (Mars) в более ранние времена.

История

Прочностные характеристики меди вполне устраивали оружейников древности и даже средневековья. Во-первых, нагрузка щита при ударе копьем или секирой куда меньше пробивной силы винтовочного выстрела. Во-вторых, у древних металлургов не было материала, прочнее меди, и такого доступного, как она. Этот элемент и послужил материалом для античного бога-кузнеца Гефеста, который выковал непобедимому Ахиллесу, именно медный щит.

Традиция

Доисторическими принято называть семь металлов. Вот список известных людям с древнейших времен металлов золото, медь, олово, железо, серебро, свинец и ртуть. В развитии человеческой культуры особая роль меди. Медный век сменил каменный, а его бронзовый. Повсюду этот процесс проходил не одновременно. Коренное население Америки шло от каменного века к медному в XVI веке нашей эры, всего четыре века назад! А в древнем Египте медный век наступил в IV тысячелетии до нашей эры. Добыты и обтесаны медным инструментом 2 млн 300 тыс. каменных глыб, из которых примерно пять тысячелетий назад сложили 147 метровую пирамиду Хеопса.

Медь, как золото и серебро иногда образует самородки. Возможно, из них около 10тыс. лет назад изготовили первые металлические орудия труда. Такие свойства меди, как способность к холодной ковке и относительная простота выплавки из богатых руд, способствовали ее распространению.

Около тысячи лет длился медный век, что вдвое меньше, чем бронзовый. В Греции культура меди зародилась позже, нежели в Египте, а вот бронзовый век пришел раньше. Руда, которую добывали египтяне, не содержала олова. Грекам повезло больше, они добывали “оловянный камень” там же, где и медную руду. Добавка 15% Sn (олово) снижает температуру плавления меди с 1083 до 960oC. Открыли бронзу случайно, однако такие ее качества как большие твердость и плотность, а также относительная легкоплавкость привели к факту быстрой замены меди бронзой из многих производственных сфер.

Римляне унаследовали от греков искусство выплавки и обработки бронзы и меди. Медь получали из покоренных стран, в первую очередь из Испании и Галлии (считается, что именно от этого слово произошло название галлия), продолжили начатую греками добычу медной руды на Кипре и Крите. С названием острова связывают латинское имя меди “купрум”. Римляне вывозили оловянный камень с Касситеридских островов (так когда-то называли острова Британии). Основной минерал олова и сейчас называют касситеритом. Во времена со II по I века до нашей эры оружие римлян делалось из железа, но для изготовления предметов домашнего обихода преобладали бронза и медь.

Бронза и медь сыграли ведущую роль в становлении материальной культуры, в изобразительном искусстве большинства народов. Развитие культуры шли многие века. И в наши дни отливают бронзовые скульптуры, делают барельефы и гравюры на меди.

Добыча

На территории африканских государств сосредоточены залежи медистых песчаников со значительным вкраплениям соединений меди. Разведанные запасы меди в этих странах намного больше чилийских, хотя Чили считается традиционным экспортером медной руды. Вероятно в XIII веке созданы первые в царской России медеплавильные производства. Из документов известно, что в 1213 году вблизи от Архангельска нашли Цильменское месторождение медной руды.

В Москве в 1479 году существовала “пушечная изба” и выпускались бронзовые пушки разных калибров. В XVI-XVII вв. Россия испытала острую нужду в металлах и в, частности, в меди. “Для сыску медныя руды” направлялись русские умельцы на север, Урал, за Волгу. Казанский воевода в 1652 году доносил царю: “Медныя руды… сыскано много и заводы… к медному делу заводим”. И действительно заводы строили. Начиная с 1652 г., за 12 лет “в присылке было из Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд 6 гривенок”.

Металла не хватало. Ломоносов писал о металлах, что “…до трудов Петровых почти все получаемы были от окрестных народов, так что и военное оружие иногда у самих неприятелей нужда заставляла перекупать через другие руки дорогою ценой”. ПетрI приложил немало сил для развития русской металлургии. К концу царствования, а именно в 1724 г., только на Урале существовало 11 плавильных печей и 4 “переплавных”, выпускавших медь. Началась и на Алтае добыча цветных металлов.

А в 1760 г. в России работало больше 50 медеплавильных заводов. Цифра ежегодной выплавки меди достигла 180 тыс. пудов, что составляет около 3 тыс. т. В середине XIXв. она удвоилась. В это время производство меди сосредоточилось в основном в Казахстане, на Урале, Кавказе .

Деньги

Царь Петр I высказывал мысль о замене серебряной разменной монеты на медную. Эту мысль он претворил в жизнь, переход осуществил. В 1700 г. пошли в оборот медные “деньга” – 1/2 копейки, “полушка” – 1/4 копейки, “полуполушка” – 1/8 копейки. В 1704 г. впервые медная копейка отчеканена.

Новый Колыванский монетный двор организовали в 1766 году на Алтае. Это являлось следствием благоразумной политики, неразумно вывозить из Сибири медь, а в Сибирь везти монеты, отчеканенные из этой самой меди. Колыванский двор начал чеканить новые монеты из меди достоинством в 1, 5 и 10 копеек. На реверсе, понятно, что на оборотной стороне был герб Сибири – два соболя и надпись “Сибирская монета”. За 15 лет работы, с 1766 по 1781 годы Колыванский монетный двор таких монет отчеканил на 4 млн рублей.

Современные медные монеты выливаются из алюминиевой бронзы – сплава меди с 4,5-5,5% алюминия. Обнаружены в Норильске останки медеплавильной печи в 1919 г. геологом Н.Н. Урванцевым. Выяснилось, что построил ее в 1872 году купец Сотников. Таймыр богат рудой, во второй половине прошлого века было это известно, но строительные материалы, особенно кирпич, обходились весьма дорого.

От губернатора предприимчивый купец добился разрешения на строительство в Дудинке из дерева церкви. В губернаторской канцелярии, конечно, не знали про то, что в Дудинке уже стоит церковь каменная. Сотников, получив лес действительно срубил из него церковь, а старую каменную – разобрал и из “святых” кирпичиков выстроил медеплавильную печь. Печь выплавила несколько сот пудов меди.

Так на 69-й параллели впервые появилось металлургическое предприятие, которое вполне можно считать “прадедушкой” известному всему миру Норильскому горно-металлургическому комбинату.

Медные сплавы

Гильзы от патронов и артиллерийских снарядов желтого цвета. Они выполнены из латуни, которая представляет собой сплав меди с цинком. В качестве легирующих добавок в латунь могут входить марганец, алюминий, свинец, железо и другие элементы. Почему же конструкторы отдали предпочтение латуни, а не более дешевым черным сплавам и легкому алюминию? Латунь способна хорошо обрабатываться давлением и что немало важно обладает высокой вязкостью. Благодаря этим свойствам хорошая сопротивляемость ударным нагрузкам, которые создают пороховые газы.

Артиллерийские латунные гильзы в большинстве своем используют неоднократно. В годы войны обычно существовал в любом артиллерийском дивизионе человек (конечно, офицер), который отвечал за своевременный сбор стреляных гильз и отправку их на перезарядку. В гильзовой латуни содержится до 68% меди. Морские латуни проявляют высокую стойкость к разъедающему действию соленой воды. Это латуни с добавкой олова.

Известный коррозионно-стойкий сплав томпак тоже латунь, который содержит меди больше, чем любой другой сплав этой группы, то есть от 88 до 97%. Важное свойство латуни ее стоимость, она, как правило, дешевле бронзы, которая представляет другую важнейшую группу сплавов на основе меди. Изначально бронзой называли сплавы меди с оловом. Олово – дорогой металл, и, кроме того, сочетание медь — олово(Cu- Sn) не позволяет получить всех свойств, которые хотелось бы дать сплавам на основе меди.

Сейчас существуют бронзы вообще без олова – алюминиевые, марганцовистые, кремнистые и т.д. Бронза это не только памятники. Без бронзовых вкладышей, сальников, втулок, клапанов не способен обойтись ни один химический аппарат. Применение бронзы в различных областях машиностроения из года в год растет. Из бронзы изготовляют инструмент, который используют во взрывоопасных цехах. Многообразны современные бронзы по составу и свойствам. У обычной оловянистой бронзы содержится до 33% Sn. Художественная бронза, тысячелетиями применяемая для скульптурного литья, содержит до 10% цинка, около 5% олова и 3% свинца. Автомобильная и подшипниковая бронза содержит олова больше до 10-12%.

Алюминиевые бронзы, в которой 5-11% Аl превращают мягкую медь в материал для изготовления пружин, а бронза АНЖ10-4-4 (10% Аl, 4% Ni, 4% Fe) используется для ответственных деталей авиационных двигателей и турбин. Свинцовые бронзы в своем составе содержат 27-33% свинца (Pb). Из такой бронзы подшипники работают на предельно больших скоростях. Кремнистые бронзы (до 5% Si) заменяют оловяннистые и отличаются относительной дешевизной. Бериллиевые бронзы (до 2,3% Be) один из самых прочных цветных сплавов.

Получение

Можно позавидовать металлургам прошлого их медь была “изобильней гораздо”. В XIX веке рентабельными считали те медные руды, в которых содержание элемента меди достигало 6-9%. Руда с 5% меди ныне признают очень богатой, большинство из используемых руд содержит 2-3% Сu. Ряд стран перерабатывают руды, в составе которых находится половина процента меди! Это усложнило технологию производства металла. Получение меди – процесс многоступенчатый.

Начинают процесс с дробления руды, а затем подвергают флотации. Флотационные машины измельченную руду смешивают с водой, в которую заранее вводят специальные добавки – флотоагенты. Туда же подают и воздух. Образуется пенящаяся пульпа. Зерна минералов, содержащих металлы и плохо смоченные водой, прилипают к пузырькам воздуха, которые и выносят их на поверхность, а пустая порода садится на дно. Умелым подбором реагентов можно еще при флотации частично отделить собственно модную руду от соедивестий других металлов. Добавка цианидов и цинкового купороса уменьшает флотируемость (от английского float – “плавать”) сернистого цинка, который часто сопровождает медь в сульфидных рудах. Известь, используемая как добавка, позволяет “утопить” часть железосодержащего пирита. Сульфиды железа содержатся в большинстве медных руд.

Построена в 1929 г. в Казахстане обогатительная фабрика для флотации медной руды первая в СССР. Концентрат обогащенный в результате флотации поступает в медеплавильные печи. Распространения нашли отражательные печи, представляющие крупные горизонтальные агрегаты, занимающие большую площадь. Шихту грузят в печь на откосы, идущие вдоль ее боковых стен. Газообразное, жидкое или пылевидное топливо подается в пространство над шихтой, и тепло, образующееся при сгорании, отражается от стен печи; температура в отражательной печи поддерживается 1200oC.

Во время плавки здесь образуется не медь, а так называемый штейн, в основном состоящий из трех элементов — железа, меди, серы. Естественно, образуется и шлак. Шлак и расплавы штейна не смешиваются, более легкий шлак плавает по поверхности штейна. Кварцевый флюс вводят в состав шихты для уменьшения содержания железа в штейне. Окисленное железо сплавляясь с кварцем частично переходит в шлак. Для увеличения содержания в штейне меди, предварительно концентрат подвергают окислительному обжигу.

Несмотря на все эти операции, количество меди в штейне редко бывает выше 30%. Следующая стадия производства превращает штейн в черновую медь. Этот процесс происходит в конвертерах, напоминающих бессемеровские, похожих, на бочонок, уложенный на бок. Поскольку количество примесей для выжигания в конвертере, очень велико, то и процесс идет долго; шлак, образующийся в процессе, приходится неоднократно сливать.

Подогревать конвертер не требуется: штейн заливается в расплавленном состоянии, а реакции окисления железа и серы сопровождают выделение большого количества тепла. Поэтому в конвертер подают воздух, а через горловину измельченный кварц. Сначала выжигается железо. Железо металл менее благородный и окисляется кислородом воздуха раньше меди. Окислы его реагируют с кварцем, и образуется шлак – силикаты железа.

Начинается окисление серы связанной с медью. Температура в конвертере все время находится примерно на одном уровне в районе 1200oC. Продувку конвертера воздухом прекращают, когда в нем остается так называемая черновая медь, содержащая 98-99% основного металла; остальное приходится на серебро, железо, никель, серу, мышьяк, сурьму, золото.

Впервые в России цех электролитического рафинирования меди построили на заводе Азербайджана. “Делаются довольно удачные опыты получения чистой меди путем электролиза прямо из купферштейна; почисловые данные, а также подробности производства заводоуправление держит в тайне. На Калакентском заводе, где есть запас живой силы воды, делаются теперь грандиозные приготовления для электролиза, причем динамоэлектромашина Вернера Сименса будет приводиться в движение при помощи турбины”. В 1887 г. такое сообщение об этом событии напечатал старейший в России научный “Горный журнал”

Очистка меди

Мышьяк, сурьма, сера и железо – примеси вредные, которые отрицательно влияют на самое важное свойство меди, ее электропроводность. Необходимо их удалить. А золото, серебро и дефицитный никель высоко ценные элементы. Поэтому черновую медь подвергают рафинированию – огневому и электролитическому. Первую в России электролитическую медь получили в конце 80-х годов девятнадцатого века.

В ванну с электролитом помещали катод, представляющий собой тонкий лист из чистой меди. Анодом служила толстая литая плита из черновой меди. Анод растворяется в электролите, и ионы меди разряжаются на катоде. В электролите содержится серная кислота, переводящая в раствор примеси, такие как никель, железо, цинк. Но так как в ряду напряжений они располагаются значительно левее меди, на катоде они не осаждаются и остаются в растворе. А золото, серебро и теллур в раствор не переходят и при разрушении анода осаждаются на дно ванны в виде шлама.

Все затраты на рафинирование окупаются извлеченными из черновой меди драгоценными металлами.

В живой природе

Медь есть в печени в довольно значительных количествах — 0,0004 мг на 100г веса. Находится она и в крови: в организме взрослого человека примерно 0,001мг/л. Медь участник процессов кроветворения и ферментативного окисления. Она входит в состав ферментов – лактазы, оксидазы и др. В организме низших животных относительное содержание меди выше. Гемоцианин, пигмент крови моллюсков и ракообразных, содержит 0,15-0,26% Сu.

Медь необходима растениям. Это один из важнейших микроэлементов, участвующий в процессе фотосинтеза и влияющий на усвоение азота растениями. Растения хуже плодоносят или вообще становятся бесплодными при недостатке меди в почве. Медные удобрения содействуют синтезу белков, жиров и витаминов, повышают морозоустойчивость многих сельскохозяйственных культур. В почву медь вносят в виде распространенной ее соли медного купороса — CuSO4 х 5H2О. Это сине-голубое кристаллическое вещество получают из отходов меди, которые обрабатывают подогретой серной кислотой при свободном доступе кислорода.

Сельское хозяйство медный купорос использует в других целях. В его растворе протравливают семена перед севом. Соли меди и купорос в частности ядовит, особенно для низших организмов. Уничтожают споры плесневых грибов на семенах раствором купороса. Из соединений меди особой популярностью пользуется малахит Сu2(OH)2CO3, используемый как поделочный камень. Но малахит используют и как сырье для производства меди. Больше, чем красивые украшения, людям нужна медь, являющийся главным металлом электротехники.

В организме

Медь необходима для всех высших растений и животных. В токе крови медь переносит главным образом белок церулоплазмин. После усваения меди кишечником она транспортируется в печень с помощью альбумина.

Медь встречается в разных ферментах, например, в цитохром-с-оксидазе, в содержащем медь и цинк ферменте супероксид дисмутазе, и в переносящем молекулярный кислород белке гемоцианине. В крови всех головоногих и большинства брюхоногих моллюсков и членистоногих медь входит в состав гемоцианина в виде имидазольного комплекса иона меди, роль, аналогичная роли порфиринового комплекса железа в молекуле белка гемоглобина в крови позвоночных животных.

Предполагается, что медь и цинк конкурируют друг с другом в процессе усваивания в пищеварительном тракте, поэтому избыток одного из этих элементов в пище вызывает недостаток другого элемента. Здоровому взрослому человеку необходимо поступление меди в количестве 0,9 мг в день. Недостаток меди в хондро- и остеобластах снижает активность ферментных систем и замедляет белковый обмен, в результате замедляется и нарушается рост костных тканей.

Много функций выполняет медь в организме. Преимущественно она служит в качестве кофактора для ферментов, таких как церулоплазмин, цитохром- с-оксидаза, тирозиназа, дофамин бета гидроксилаза, супероксиддисмутаза. Медь всасывает желудочно-кишечный тракт. Транспортный белок на клетках тонкой кишки CMT1 (англ. Copper Membrane Transporter 1) перемещает медь внутрь клеток. Медь частично связывается с металлотионеином, а другая — перемещается в сеть Гольджи с помощью транспортного белка ATOX1. В аппарате Гольджи в ответ на повышение концентрации меди фермент ATP7A (англ. Copper-transporting ATPase 1) высвобождает этот элемент через воротную вену в печень. В печеночных клетках белок ATP7B связывает медь с церулоплазмином и высвобождает его в кровь, а также удаляет избыток меди с выделяющейся желчью.

В земной коре

Содержание меди в земной коре сравнительно невелико – 0,007%. Это в 1000 раз меньше, чем алюминия, в 600 раз меньше, чем железа. Однако медь находят в составе 200 минералов. Многие из них отличаются яркой и красивой окраской. Борнит Cu5FeS4 и лазурит Сu3(OH)2CO3 синего цвета, халькопирит CuFeS2 золотистого, а темно-зеленые громадные вазы из малахита Сu2(OH)2CO3 и убранство знаменитого “малахитового зала” помнит каждый, кто хоть раз бывал в петербургском Эрмитаже. Главными источниками меди являются сульфидные руды и медистые песчаники.

В продуктах

Источниками богатыми медью являются: сухофрукты, шоколад, раки, печень, орехи, цельная пшеница.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *