Медь. Cеребро

МЕДЬ

Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %) , однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причём самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком.

В настоящее время медь добывают из руд. Последние, в зависимости от характера входящих в их состав соединений, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляется 80% всей добываемой меди.

Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются: халькозин или медный блеск - Cu 2 S; халькопирит или медный колчедан - CuFeS 2 ; малахит - (CuOH) 2 CO 3 .

Медные руды, как правило содержат большое количество пустой породы, так что непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому в металлургии меди особенно важную роль играет обогащение (обычно флотационный метод) , позволяющее использовать руды с небольшим содержание меди.

Выплавка меди их её сульфидных руд или концентратов представляет собою сложный процесс. Обычно он слагается из следующих операций:

• обжиг
• плавка
• конвертирование
• огневое рафинирование
• электролитическое рафинирование

В ходе обжига большая часть сульфидов примесных элементов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд, пирит - FeS 2 - превращается в Fe 2 O 3 . Газы, отходящие при обжиге, содержат SO 2 и используются для получения серной кислоты.

Получающиеся в ходе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Основной же продукт плавки - жидкий штейн (Cu 2 S с примесью FeS) поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь.

Для извлечения ценных спутников (Au, Ag, Te и др.) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом примеси железа, цинка, кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. Медь же разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.

Чистая медь — тягучий вязкий металл светло-розового цвета, легко прокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на её поверхности тончайшая плёнка оксидов придаёт меди более тёмный цвет и также служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Hо в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налётом гидроксокарбоната меди - (CuOH) 2 CO 3 . При нагревании на воздухе в интервале температур 200-375 o C медь окисляется до чёрного оксида меди(II) CuO. При более высоких температурах на её поверхности образуется двухслойная окалина: поверхностный слой представляет собой оксид меди(II) , а внутренний - красный оксид меди(I) - Cu 2 O.

Медь широко используется в промышленности из-за:

• высокой теплопроводимости
• высокой электропроводимости
• ковкости
• хороших литейных качеств
• большого сопротивления на разрыв
• химической стойкости

Около 40% меди идёт на изготовление различных электрических проводов и кабелей. Широкое применение в машиностроительной промышленности и электротехнике нашли различные сплавы меди с другими веществами. Hаиболее важные из них являются латуни (сплав меди с цинком) , медноникеливые сплавы и бронзы .

Латунь содержит до 45% цинка. Различают простые латуни и специальные. В состав последних, кроме меди и цинка, входят другие элементы, например, железо, алюминий, олово, кремний. Латунь находит разнообразное применение - из неё изготовляют трубы для конденсаторов и радиаторов, детали механизмов, в частности - часовых. Некоторые специальные латуни обладают высокой коррозийной стойкостью в морской воде и применяются в судостроении. Латунь с высоким содержанием меди - томпак - благодаря своему внешнему сходству с золотом используется для ювелирных и декоративных изделий.

Медноникеливые сплавы и бронзы также подразделяются на несколько различных групп — по составу других веществ, содержащихся в примесях. И в зависимости от химических и физических свойств находят различное применение.

Все медные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии.

В химическом отношении медь — малоактивный металл. Однако с галогенами она реагирует уже при комнатной температуре. Например, с влажным хлором она образует хлорид - CuCl 2 . При нагревании медь взаимодействует и с серой, образуя сульфид - Cu 2 S.

Hаходясь в ряду напряжения после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислоты на медь не действуют. Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей:

2Cu + 4HCl + O 2 —> 2CuCl 2 + 2H 2 O

Летучие соединения меди окрашивают несветящееся пламя газовой горелки в сине-зелёный цвет.

Соединения меди(I) в общем менее устойчивы, чем соединения меди(II) , оксид Cu 2 O 3 и его производные весьма нестойки. В паре с металлической медью Cu 2 O применяется в купоросных выпрямителях переменного тока.

Оксид меди(II) (окись меди) - CuO - чёрное вещество, встречающееся в природе (например в виде минерала тенерита ) . Его легко можно получит прокаливанием гидроксокарбоната меди(II) (CuOH) 2 CO 3 или нитрата меди(II) - Cu(NO 3 ) 2 . При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород -- в воду и восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения содержания в них углерода и водорода.

Гидроксокарбонат меди(II) - (CuOH) 2 CO 3 - встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивый изумрудно-зелёный цвет. Применяется для получения хлорида меди(II) , для приготовления синих и зелёных минеральных красок, а также в пиротехнике.

Сульфат меди(II) - CuSO 4 - в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощении воды синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влаги в органических жидкостях.

Смешанный ацетат-арсенит меди(II) - Cu(CH 3 COO) 2• Cu 3 (AsO 3 ) 2 - применяется под названием "парижская зелень" для уничтожения вредителей растений.

Из солей меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету: зелёных, синих, коричневых, фиолетовых и чёрных. Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят --- покрывают внутри слоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей.

Характерное свойство двухзарядных ионов меди --- их способность соединяться с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов.

Медь принадлежит к числу микроэлементов. Такое название получили Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co в связи с тем, что малые количества их необходимы для нормальной жизнедеятельности растений. Микроэлементы повышают активность ферментов, способствуют синтезу сахара, крахмала, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и ферментов. Микроэлементы вносят в почву вместе с микроудобрениями. Удобрения, содержащие медь, способствуют росту растений на некоторых малоплодородных почвах, повышают их устойчивость против засухи, холода и некоторых заболеваний.

СЕРЕБРО

Серебро распространено в природе значительно меньше, чем медь (около 10 -5 вес. %) . В некоторых местах (например, в Канаде) серебро находится в самородном состоянии, но большую часть серебра получают из его соединений. Самой важной серебряной рудой является серебряный блеск ( аргент ) - Ag 2 S.

В качестве примеси серебро встречается почти во всех медных и серебряных рудах. Из этих руд и получают около 80% всего добываемого серебра.

Чистое серебро - очень мягкий, тягучий металл. Оно лучше всех металлов проводит электрический ток и тепло.

Hа практике чистое серебро вследствие мягкости почти не применяется: обычно его сплавляют с большим или меньшим количеством меди. Сплавы серебра служат для изготовления ювелирных и бытовых изделий, монет, лабораторной посуды. Серебро используется для покрытия им других металлов, а также радиодеталей в целях повышения их электропроводимости и устойчивости к коррозии. Часть добываемого серебра расходуется на изготовление серебряно-цинковых аккумуляторов.

Серебро — малоактивный металл. В атмосфере воздуха оно не окисляется ни при комнатных температурах, ни при нагревании. Часто наблюдаемое почернение серебряных предметов — результат образования на их поверхности чёрного сульфида серебра - AgS 2 . Это происходит под влиянием содержащегося в воздухе сероводорода, а также при соприкосновении серебряных предметов с пищевыми продуктами, содержащими соединения серы.

4Ag + 2H 2 S + O 2 —> 2Ag 2 S +2H 2 O

В ряду напряжения серебро расположено значительно дальше водорода. Поэтому соляная и разбавленная серная кислоты на него не действуют. Растворяют серебро обычно в азотной кислоте, которая взаимодействует с ним согласно уравнению:

Ag + 2HNO 3 —> AgNO 3 + NO 2­ + H 2 O

Серебро образует один ряд солей, растворы которых содержат бесцветные катионы Ag + .

При действии щелочей на растворы солей серебра можно ожидать получения AgOH, но вместо него выпадает бурый осадок оксида серебра(I) :

2AgNO 3 + 2NaOH —> Ag 2 O + 2NaNO 3 + H 2 O

Кроме оксида серебра(I) известны оксиды AgO и Ag 2 O 3 .

Hитрат серебра ( ляпис ) - AgNO 3 - образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике, в медицине.

Подобно меди, серебро обладает склонностью к образованию комплексных соединений.

Многие нерастворимые в воде соединения серебра (например: оксид серебра (I) — Ag 2 O и хлорид серебра — AgCl) , легко растворяются в водном растворе аммиака.

Комплексные цианистые соединения серебра применяются для гальванического серебрения, так как при электролизе растворов этих солей на поверхности изделий осаждается плотный слой мелкокристаллического серебра.

Все соединения серебра легко восстанавливаются с выделением металлического серебра. Если к аммиачному раствору оксида серебра(I) , находящемуся в стеклянной посуде, прибавить в качестве восстановителя немного глюкозы или формалина, то металлическое серебро выделяется в виде плотного блестящего зеркального слоя на поверхности стекла. Этим способом готовят зеркала, а также серебрят внутреннюю поверхность стекла в сосудах для уменьшения потери тепла лучеиспусканием.

Соли серебра, особенно хлорид и бромид, ввиду их способности разлагаться под влиянием света с выделением металлического серебра, широко используются для изготовления фотоматериа-лов --- плёнки, бумаги, пластинок. Фотоматериалы обычно представляют собою светочувствительную суспензию AgBr в желатине, слой которой нанесён на целлулоид, бумагу или стекло.

При экспозиции в тех местах светочувствительного слоя, где на него попал свет, образуются мельчайшие зародыши кристаллов металлического серебра. Это — скрытое изображение фотографируемого предмета. При проявлении бромид серебра разлагается, причём скорость разложения тем больше, чем выше концентрация зародышей в данном месте слоя. Получается видимое изображение, которое является обращённым или негативным изображением, поскольку степень почернения в каждом месте светочувствительного слоя тем больше, чем выше была его освещённость при экспозиции. В ходе закрепления (фиксирования) из светочувствительного слоя удаляется неразложившийся броми серебра. Это происходит в результате взаимодействия между AgBr и веществом закрепителя - тиосульфатом натрия. При этой реакции получается нерастворимая комплексная соль:

AgBr + 2Na 2 S 2 O 3 —> Na 3 (Ag(S 2 O 3 ) 2 ) + NaBr

Далее негатив накладывают на фотобумагу и подвергают действию света — "печатают" . При этом наиболее освещёнными оказываются те места фотобумаги, которые находятся против светлых мест негатива, Поэтому в ходе печатания соотношения между светом и тенью меняется на обратное и становится отвечающим сфотографированному объекту. Это — позитивное изображение.

Ионы серебра подавляют развитие бактерий и уже в очень низкой концентрации (около 10 -10 г-ион/л) стерилизуют питьевую воду. В медицине для дезинфекции слизистых оболочек применяются стабилизированные специальными добавками коллоидные растворы серебра (протаргол, колларгол и др.) .

Золото

Золото встречается в природе почти исключительно в самородном состоянии, главным образом в виде мелких зёрен, вкраплённых в кварц или содержащихся в кварцевом песке. В небольших количествах золото встречается в сульфидных рудах железа, свинца и меди. Следы его открыты в морской воде. Общее содержание золота в земной коре составляет около 5*10 -7 вес. %. Крупные месторождения золота находятся в Южной Африке, на Аляске, в Канаде и Австралии.

Золото отделяется от песка и измельченной кварцевой породы промыванием водой, которая уносит частицы песка, как более лёгкие, или обработкой песка жидкостями, растворяющими золото. Чаще всего применяется раствор цианида натрия (NaCN) , в котором золото растворяется в присутствии кислорода с образованием комплексных анионов (Au(CN) 2 ) - :

4Au + 8NaCN + O 2 + 2H 2 0 —> 4Na(Au(CN) 2 ) + 4NaOH

Из полученного раствора золото выделяют цинком:

2Na(Au(CN) 2 ) + Zn —> Na 2 (Zn(CN) 4 ) + 2Au

Освобождённое золото обрабатывают для отделения от него цинка разбавленной серной кислотой, промывают и высушивают. Дальнейшая очистка золота от примесей (главным образом от серебра) производится обработкой его горячей концентрированной серной кислотой или путём электролиза.

Метод извлечения золота из руд с помощью растворов цианидов калия или натрия был разработан в 1843 году русским инженером П. Р. Багратионом. Этот метод, принадлежащий к гидрометаллургическим способам получения металлов, в настоящее время наиболее распространён в металлургии золота.

Золото — ярко-жёлтый блестящий металл. Оно очень ковко и пластично; путём прокатки из него можно получить листочки толщиной менее 0.0002 мм, а из 1 грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 3.5 км. Золото — прекрасный проводник тепла и электрического тока, уступающий в этом отношении только серебру и меди.

Ввиду мягкости золото употребляется в сплавах, обычно с серебром или медью. Эти сплавы применяются для электрических контактов, для зубопротезирования и в ювелирном деле.

В химическом отношении золото — малоактивный металл. На воздухе оно не изменяется даже при сильном нагревании. Кислоты в отдельности не действуют на золото, но в смеси соляной и азотной кислот (царской водке) золото легко растворяется:

Au + HNO 3 + 3HCl —> AuCl 3 + NO­ + 2H 2 O

Так же легко растворяется золото в хлорной воде и в аэрируемых (продуваемых воздухом) растворах цианидов щелочным металлов. Ртуть тоже растворяет золото, образуя амальгаму, которая при содержании более 15% золота становится твёрдой.

Известны два ряда соединений золота, отвечающие степеням окислённости +1 и +3. Так, золото образует два оксида — оксид золота (I) , или закись золота , - Au 2 O - и оксид золота (III) , или окись золота - Au 2 O 3 . Более устойчивы соединения, в которых золото имеет степень окисления +3.

Все соединения золота легко разлагаются при нагревании с выделением металлического золота.