Курсовая работа (т): Малахіт та мідь

Малахіт та мідь

Вступ

Завданням даної курсової роботи буде розгляд властивостей і застосування міді та її основного карбонату. Також розгляд отримання сполуки і найбільш перспективних способів її отримання з урахуванням екологічності та економії методу.

Головні завдання цієї курсової роботи:

розгляд властивостей карбонату міді;

дослідження найбільш перспективних способів добування цього хімічного продукту;

обрати один метод синтезу та виконати його в лабораторії;

оцінити результати синтезу

1. Мідь. Загальні властивості

хімічний малахіт мідь

Мідь (традиційна назва) або Купрум (назва хімічного елемента в новій хімічній термінології, від лат. - Cuprum) (хімічний символ Cu) - хімічний елемент з атомним номером 29, що в чистому вигляді складає хімічну речовину мідь (до простої речовини назва «купрум» не застосовується).

Атомна маса міді 63,546. Це пластичний ковкий перехідний метал червонувато-золотистого кольору (рожевий за відсутності оксидної плівки), добрий провідник тепла і електрики. Віддавна його широко використовувала людина.

Густина 8,940 r/см³. t_пл 1084,5°С; t_кип 2540°С. Твердість за Моосом - 2,5-3. Хімічно малоактивний. Домішки: Ag, As, Fe, Bi, Sb, Hg, Ge. Взаємодіє з галогенами, сіркою, селеном, утворює комплексні сполуки з ціанідами і ін.

Солі одновалентної міді у воді практично нерозчинні й легко окиснюються до сполук двовалентної міді. Солі двовалентної міді добре розчинні у воді і в розбавлених розчинах повністю дисоційовані. Кларк міді 4,7·10^-3% за масою.

В основних гірських породах її середній вміст трохи вищий (10^-2). Мідь характерна для основного і кислого магматизму. При першому вона концентрується в магматичних і скарнових родововищах і поствулканічних колчеданних рудах.

2. Історія відкриття

Початок мідної доби поклало освоєння людьми техніки гарячого кування і литва, якому багато сприяло поширення гончарного виробництва. Печі й керамічні форми для відливання дали можливість освоїти методи переробки самородної міді.

Сталося це на Близькому Сході приблизно в IV тисячолітті до н. е., в Європі і Китаї в II-III тисячолітті до н.е., а в Перу на початку I тисячоліття до н. е.

Наступний етап розвитку технологій настав вже наприкінці III тисячоліття до н.е., коли була відкрита можливість отримання металів з ​​руди. У зв'язку з відносною простотою отримання з руди і порівняно невисокою температурою плавлення мідь - один з перших металів, широко освоєних людиною. Одночасно, швидше за все випадково, було встановлено, що, якщо в тигель, де плавиться мідь, додати трохи олова, якість отриманого матеріалу суттєво покращиться.

На початку II тисячоліття до нашої ери мідь стала замінюватися бронзою. Приблизно у цю ж пору з'явилися й перші залізні вироби, але м'яке залізо (не придатне до лиття, оскільки вимагало надмірно високих температур),

як матеріал для зброї і сільськогосподарських знарядь, не могло конкурувати з бронзою, - бронзова доба тривала ще 1000 років.

І пізніше бронза зберігала свою роль, так як перевершувала залізо в технологічності, - якщо форму залізному виробу можна було надавати лише куванням (тому навіть старовинні цвяхи мали квадратний перетин), то бронзові знаряддя можна було виливати. З XV століття бронза знову стала стратегічним матеріалом, оскільки виявилося, що вона незамінна для виготовлення гармат.

Мідь і її сплави з глибокої давнини, з служили для чеканення монет і медалей.

3. Походження назви

Латинська назва міді: «купрум» бере своє походження від назви острова Кіпр, де у давнину існував широкий промисел мідних предметів. Слово «мідь» (рос. медь, пол. miedź, чеськ. med) ймовірно бере свій початок від старонімецького «smida» (метал) чи «Schmied» (коваль, англ. Smith). Від цього слова утворились і споріднені назви - медаль, медальйон (фр. medaille). Алхіміки називали мідь - «венера» (Venus).

4. Мінерали міді

Відомо 170-200 мінералів міді, але промислове значення мають близько 20.

До них належать:

·        самородна мідь Cu (92%),

·        халькопірит (мідний колчедан) CuFeS₂ (34,6%),

·        борніт Cu₅FeS₄(63,3%),

·        кубаніт CuFe₂S₃ (22 24%),

·        халькозин Cu₂S (79,9%),

·        ковелін (мідний блиск) CuS (66,5%),

·        тенантит3Cu₂S·As₂S₃ (57,5%),

·        тетраедрит 3Cu₂S·Sb₂S₃(52,3%),

·        енаргіт Cu₃AsS₄,

·        куприт Cu₂O (88,8%),

·        тенорит CuO (79,9%),

·        малахіт Cu₂CO₃·Cu(OH)₂(57,4%),

·        азурит 2 CuCO₃·Cu(OH)₂ (55,3%),

·        халькантит Cu[SO₄]•5H₂O (31,8%),

·        бронцантит CuSO₄·3Cu(OH)₂ (56,2%),

·        атакамітCuCl₂·3Cu(OH)₂ (59,5%),

·        хризокола CuSiO₃·Nh₂O (36,6),

·        делафосит CuFeO₂,

·        ендрюсит та н.

Сульфіди міді (халькопірит, халькозин, борніт, лаутит) є найголовнішими в її рудах; підлегле значення мають сульфосолі (бляклі руди) і сульфоарсеніди (енаргіт); ще менше - оксиди, карбонати і силікати

5. Фізичні та хімічні властивості

Кристалічна решітка металевої міді кубічна гранецентрована, параметр гратки а = 0,36150 нм. Щільність 8,92 г./см³, температура плавлення 1083,4°C, температура кипіння 2567°C. Мідь серед всіх інших металів має одну з найвищих теплопровідностей і одним з найнижчих електричних опорів (при 20° C питомий опір 1,68 • 10-3 Ом • м).

У сухій атмосфері мідь практично не змінюється. У вологому повітрі на поверхні міді в присутності вуглекислого газу утворюється зеленувата плівка складу Cu(OH)₂·CuCO₃. Так як в повітрі завжди є сліди сірчистого газу і сірководню, то в складі поверхневої плівки на металевій міді зазвичай є і сірчисті сполуки міді. Така плівка, що виникає з плином часу на виробах з міді та її сплавів, називається патиною. Патина охороняє метал від подальшого руйнування. Для створення на художніх предметах «нальоту старовини» на них наносять шар міді, який потім спеціально патинують.

При нагріванні на повітрі мідь тьмяніє і врешті-решт чорніє через утворення на поверхні оксидного шару. Спочатку утворюється оксид Cu₂O, потім - оксид CuO.

Червоно-коричневий оксид міді (I) Cu₂O при розчиненні в бромо-і іодоводневих кислотах утворює, відповідно, бромід міді (I) CuBr і йодид міді (I) CuI. При взаємодії Cu₂O з розбавленою сірчаною кислотою виникають мідь і сульфат міді:

₂O + H₂SO₄ = Cu ↓+ CuSO₄ + H₂O

При нагріванні на повітрі або в кисні Cu₂O окислюється до CuO, при нагріванні в струмі водню - відновлюється до вільного металу.

Чорний оксид міді (II) CuO, як і Cu₂O, c водою не реагує. При взаємодії CuO з кислотами утворюються солі міді (II):

+ H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

При сплаві з лугами CuO утворюються купрати, наприклад:

+ 2NaOH = Na₂CuO₂ + H₂O

Нагрівання Cu₂O в інертній атмосфері призводить до реакції диспропорціонування:

₂O = CuO + Cu↓

Такі відновники, як водень, метан, аміак, оксид вуглецю (II) та інші відновлюють CuO до вільної міді, наприклад:

+ СО = Cu↓ + СО₂↑

Крім оксидів міді Cu₂O і CuO, отримано також темно-червоний оксид міді (III) Cu₂O₃, що володіє сильними окисними властивостями.

Мідь реагує з галогенами, наприклад, при нагріванні хлор реагує з міддю з утворенням темно-коричневого дихлорида CuCl₂. Існують також дифторид міді CuF₂ і дибромід міді CuBr₂, але дийодида міді немає. І CuCl₂, і CuBr₂ добре розчиняються у воді, при цьому іони міді гідратуются і утворюють блакитні розчини.

При реакції CuCl₂ з порошком металевої міді утворюється безбарвний нерозчинний у воді хлорид міді (I) CuCl. Ця сіль легко розчиняється в концентрованій соляній кислоті, причому утворюються комплексні аніони [CuCl₂]^-, [CuCl₃]²- і [СuCl₄]³-, наприклад за рахунок процесу:

+ НCl = H[CuCl₂]

При сплаві міді з сіркою утворюється нерозчинний у воді сульфід Cu2S. Сульфід міді (II) CuS випадає в осад, наприклад, при пропусканні сірководню через розчин солі міді (II):

₂S + CuSO₄ = CuS + H₂SO₄

З воднем, азотом, графітом, кремнієм мідь не реагує. При контакті з воднем мідь стає крихкою (так звана «воднева хвороба» міді) через розчинення водню в цьому металі.

У присутності окислювачів, перш за все кисню, мідь може реагувати з соляною кислотою і розведеною сірчаною кислотою, але водень при цьому не виділяється:

З нітратною кислотою різних концентрацій мідь реагує досить активно, при цьому утворюється нітрат міді (II) і виділяються різні оксиди азоту. Наприклад, з 30%-й нітратною кислотою реакція міді протікає так:

Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

З концентрованої сірчаної кислотою мідь реагує при сильному нагріванні:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Практичне значення має здатність міді реагувати з розчинами солей заліза (III), причому мідь переходить в розчин, а залізо (III) відновлюється до заліза (II):

FeCl₃ + Cu = CuCl₂ + 2FeCl₂

Цей процес травлення міді хлоридом заліза (III) використовують, зокрема, при необхідності видалити в певних місцях шар напилення на пластмасі міді.

Іони міді Cu²⁺ легко утворюють комплекси з аміаком, наприклад, складу [Cu(NH₃)]²⁺. При пропущенні через аміачні розчини солей міді ацетилену С₂Н₂ в осад випадає карбід (точніше, ацетиленід) міді CuC₂.

Гідроксид міді Cu(OH)₂ характеризується переважанням основних властивостей. Він реагує з кислотами з утворенням солі і води, наприклад:

Сu(OH)₂ + 2HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2H₂O

Але Cu(OH)₂ реагує і з концентрованими розчинами лугів, при цьому утворюються відповідні купрати, наприклад:

Сu(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Cu(OH)₄]

Якщо в мідноаміачний розчин, отриманий розчиненням Cu(OH)₂ або основного сульфату міді в аміаку, помістити целюлозу, то спостерігається розчинення целюлози і утворюється розчин мідноаміачного комплексу целюлози.

В сполуках мідь проявляє ступені окиснення +1,+2 і +3, з яких +2 - найбільш характерний і стійкий. Мідь (II) утворює стійкий оксид CuO і гідроксид Cu(OH)₂. Цей гідроксид амфотерний, добре розчиняється у кислотах

(OH)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2Н₂О

і в концентрованих лугах.

Солі міді (II) знайшли широке застосування в народному господарстві. Особливо важливим є мідний купорос - кристалогідрат сульфату міді (II) CuSO_4.

6. Сплави на основі міді

Залежно від марки (складу) сплави можуть використовуватися в різних галузях техніки в якості конструкційних елементів (в тому числі у вигляді припоїв), як матеріали з антифрикційними властивостями, із стійкістю до корозії або заданою електро- і теплопровідністю. Велике значення мають наступні мідні сплави:

·              латунь - основна добавка цинк (Zn). Вона має жовтуватий колір.

Позначається звичайна латунь буквою Л з цифрою, що вказує на процентний вміст у латуні міді, а все інше - цинк. Наприклад, Л62 (62% міді). Латунь твердіша за мідь, вона ковка і в'язка, тому легко вальцюється в тонкі листи або виштамповується у найрізноманітніші форми. Недолік: вона з часом окислюється і чорніє. Домішки кремнію (Si), олова (Sn), алюмінію (Al) підвищують міцність, антифрикційні властивості й корозійну стійкість латуні на повітрі, у морській воді й атмосфері. Марганець додає жаростійкості, а залізо твердості. Свинцева латунь добре полірується, а домішка до алюмінієвої латуні миш’яку, нікелю й заліза підвищує її стійкість до кислот;

·              бронза - сплави з різними елементами, головним чином металами - оловом,

алюмінієм, берилієм] (Be), свинцем (Pb), кадмієм (Cd) та іншими, крім цинку і нікелю (Ni). Порівняно з латунню бронза міцніша, стійкіша до корозії, мають антифрикційні властивості. Позначають бронзу Бр, а далі йдуть елементи, які входять у її склад та їх процентний вміст (крім міді). Наприклад, БрОФ 8,0-0,3 містить 8% олова й 0,3% фосфору, решта - мідь. Із бронз виготовляють крани, вентилі, втулки навантажених підшипників і т. п. Берилієва бронза після загартовування, за твердістю й пружнимивластивостями перевершує високоякісну сталь, а кадмієві й хромисті бронзи мають високу тепло- і електропровідність;

·              мідно-нікелеві сплави - (константан (МНМц 40-1,5), манганин (МНМц 3-12),

куніаль (МНА 13-3), мельхіор (МНЖМц 30-0,8-1), нейзильбер («нове срібло») (МНЦ 15-20)). Мідно-нікелеві сплави мають високу корозійну стійкість і особливі електричні властивості, які змінюються залежно від вмісту нікелю. Крім нікелю, до складу сплаву можуть входити й інші елементи.

З часів античності мідь використовувалась у складі монетних сплавів, які отримали особливе поширення у новітню добу. Це сплави: мідь-цинк-олово, мідь-алюміній мідь-нікель, бронза, латунь, мельхіор. Литі мідні зливки античної Греції та Риму представляють інтерес для нумізматики. Мідні монети, що чеканились як еквівалент срібним, мали особливо великі розміри та вагу, як, наприклад шведські мідні дошки-плоти чи мідні гроші. З появою розмінної монети мідні монети пристосувались до потреб грошового обігу.

7. Мідь у інших сплавах

Дюралюміній - є сплавом алюмінію, де основним легуючим елементом є мідь (вміст 4,4%), а також, магній (1,5%) та марганець (0,5%).

У ювелірній справі часто використовуються сплави золота з міддю для збільшення міцності виробів при деформаціях і стійкості до стирання, так як чисте золото дуже м'який метал і не є стійким до цих механічних впливів.

Є сплави на основі міді, створені для імітації золота, що використовуються для виготовлення біжутерії (див., наприклад, абіссінське золото).

8. Біологічна роль

Мідь важливий елемент для всіх рослин і тварин. Відомо понад 50 білків та ферментів, у яких знайдено мідь. В основному мідь міститься в крові в складі білків плазми, які називають сяцерулоплазмінами. Поглинаючись в кишечнику мідь переноситься до печінки завдяки зв'язку ізальбуміном. Мідь сприяє росту і розвитку, бере участь у кровотворенні, імунних реакціях. Мідь потрібна для перетворення заліза організму в гемоглобін. У крові більшості молюсків і членистоногих мідь використовується замість заліза для транспортування кисню.

Відзначено на основі досліджень, що сполуки міді в формі сультату у певних дозах діють бактеростатично, протигрибково, антитоксично, у курчат стимулюють ріст, а у курей несучість і якість яєць, посилють біотрансформацію білків корму в білки тіла, підвищують загальну резистентність організму сільськогосподарської птиці.

Вважається, що мідь і цинк конкурують один з одним у процесі засвоювання в травній системі, тому надлишок одного з цих елементів в їжі може викликати недостачу іншого елемента. Здоровій дорослій людині необхідне надходження міді у кількості 1…2 мг щоденно. Захворювання, що викликаються дефіцитом міді: анемія, водянка, дерматози, затримка росту, депігментація волосся, часткове облисіння, втрата апетиту, сильне схуднення, зниження рівня гемоглобіну, атрофія серцевого м'яза.

9. Цікаві факти

·              Індіанці культури Чонос (Еквадор) ще у XV-XVI століттях виплавляли мідь із вмістом 99,5% і використовували її як монети у вигляді сокирок розмірами сторін по 2 мм і 0,5 мм завтовшки. Ця монета ходила по всьому західному узбережжю Південної Америки, в тому числі і в державі інків.