Proprietățile fizice și chimice ale cuprului. Rezervați link-uri transversale pentru formula proprietății native Copper

Care se referă la metale neferoase, este cunoscută de mult timp. Producția sa a fost inventată înainte ca oamenii să înceapă să producă fier. Conform ipotezelor, acest lucru s-a întâmplat ca urmare a disponibilității sale și a extracției destul de simple din compuși și aliaje care conțin cupru. Așadar, să ne uităm la proprietățile și compoziția cuprului de astăzi, principalele țări din lume în producția de cupru, fabricarea produselor din acesta și caracteristicile acestor zone.

Cuprul are o conductivitate electrică ridicată, care a servit la creșterea valorii sale, ca material electric. Dacă mai devreme până la jumătate din tot cuprul produs în lume se cheltuia pe sârmă electrică, acum aluminiul este folosit în aceste scopuri, ca un metal mai accesibil. Și cuprul în sine devine cel mai rar metal neferos.

Acest videoclip discută compoziția chimică a cuprului:

Structura

Compoziția structurală a cuprului include multe cristale: aur, calciu, argint și multe altele. Toate metalele incluse în structura sa se caracterizează prin moliciune relativă, ductilitate și ușurință în prelucrare. Cele mai multe dintre aceste cristale în combinație cu cuprul formează soluții solide cu rânduri continue.

Celula unitară a acestui metal este o formă cubică. Pentru fiecare astfel de celulă, există patru atomi localizați la vârfuri și în partea centrală a feței.

Compoziție chimică

Compoziția cuprului în timpul producției sale poate include o serie de impurități care afectează structura și caracteristicile produsului final. În același timp, conținutul lor ar trebui reglementat atât de elemente individuale, cât și de numărul lor total. Impuritățile găsite în cupru includ:

• Bismut. Această componentă afectează negativ atât proprietățile tehnologice, cât și cele mecanice ale metalului. De aceea nu trebuie să depășească 0,001% din compoziția finită.
• Oxigen. Este considerată cea mai nedorită impuritate din compoziția cuprului. Conținutul său limitativ în aliaj este de până la 0,008% și se reduce rapid în procesul de expunere la temperaturi ridicate. Oxigenul afectează negativ ductilitatea metalului, precum și rezistența acestuia la coroziune.
• Mangan. În cazul fabricării cuprului conductiv, această componentă este afișată negativ pe conductanța sa. Deja la temperatura camerei se dizolvă rapid în cupru.
• Arsenic. Această componentă creează o soluție solidă cu cupru și practic nu îi afectează proprietățile. Acțiunea sa vizează mai ales neutralizarea efectelor negative ale antimoniului, bismutului și oxigenului.
• . Formează o soluție solidă cu cuprul și în același timp îi reduce conductivitatea termică și electrică.
• . Creează o soluție solidă și îmbunătățește conductivitatea termică.
• seleniu, sulf. Aceste două componente au același efect asupra produs final. Ei organizează o legătură fragilă cu cuprul și nu fac mai mult de 0,001%. Odată cu creșterea concentrației, gradul de plasticitate a cuprului scade brusc.
• Antimoniu. Această componentă este foarte solubilă în cupru, prin urmare are un efect minim asupra proprietăților sale finale. Se admite nu mai mult de 0,05% din volumul total.
• Fosfor. Servește ca principal dezoxidant de cupru, a cărui solubilitate limită este de 1,7% la o temperatură de 714°C. Fosforul, în combinație cu cuprul, nu numai că contribuie la o mai bună sudare a acestuia, dar o îmbunătățește și proprietăți mecanice.
• . Conținut într-o cantitate mică de cupru, practic nu îi afectează conductivitatea termică și electrică.

Producția de cupru

Cuprul este produs din minereuri sulfurate, care conțin acest cupru într-un volum de cel puțin 0,5%. În natură, există aproximativ 40 de minerale care conțin acest metal. Calcopirita este cel mai comun mineral sulfurat care este utilizat activ în producția de cupru.

Pentru producerea a 1 tonă de cupru, este necesar să luați o cantitate imensă de materii prime care îl conțin. Luați, de exemplu, producția de fontă, pentru a obține acest metal în cantitate de 1 tonă, va fi necesar să procesați aproximativ 2,5 tone. minereu de fier. Și pentru a obține aceeași cantitate de cupru, va fi necesar să procesăm până la 200 de tone de minereu care îl conțin.

Videoclipul de mai jos vă va spune despre mineritul cuprului:

Tehnologie și echipamente necesare

Producția de cupru include o serie de etape:

1. Măcinarea minereului în concasoare speciale și măcinarea sa mai amănunțită ulterioară în mori cu bile.
2. Plutirea. Materiile prime pre-zdrobite sunt amestecate cu o cantitate mică de agent de flotație și apoi plasate în mașina de flotare. Xantatul de potasiu și var acționează de obicei ca o componentă suplimentară, care este acoperită cu minerale de cupru în camera mașinii. Rolul varului în această etapă este extrem de important, deoarece previne învelirea xantatului de particulele altor minerale. Doar bulele de aer se lipesc de particulele de cupru, care le transportă la suprafață. În urma acestui proces, se obține un concentrat de cupru, care este îndreptat către îndepărtarea excesului de umiditate din compoziția sa.
3. Ardere. Minereurile și concentratele lor sunt prăjite în cuptoare monopode, ceea ce este necesar pentru a elimina sulful din ele. Rezultatul este o cenușă și gaze care conțin sulf, care sunt ulterior folosite pentru a produce acid sulfuric.
4. Topirea sarcinii într-un cuptor de tip reflectorizant. În această etapă, puteți lua amestecul crud sau deja ars și îl supuneți la ardere la o temperatură de 1500°C. O condiție importantă pentru funcționare este menținerea unei atmosfere neutre în cuptor. Ca rezultat, cuprul este sulfurat și transformat în mat.
5. Conversia. Cuprul rezultat în combinație cu fluxul de cuarț este suflat într-un convector special timp de 15-24 ore. Ca urmare, cuprul blister se obține ca urmare a arderii complete a sulfului și a eliminării gazelor. Poate conține până la 3% din diverse impurități, care sunt scoase din cauza electrolizei.
6. Rafinare prin foc. Metalul este mai întâi topit și apoi rafinat în cuptoare speciale. Ieșirea este cupru roșu.
7. rafinare electrolitică. Această etapă trece prin anod și cupru de foc pentru o curățare maximă.

Despre plante și centre de producție de cupru din Rusia și din lume, citiți mai jos.

Producători de seamă

Există doar patru cele mai mari întreprinderi de extracție și producție de cupru în Rusia:

1. „Norilsk Nickel”;
2. „Uralelectromed”;
3. Uzina metalurgică Novgorod;
4. Instalație electrolitică de cupru Kyshtym.

Primele două companii fac parte din celebrul holding UMMC, care include aproximativ 40 întreprinderile industriale. Produce mai mult de 40% din tot cuprul din țara noastră. Ultimele două fabrici aparțin Companiei Ruse de Cupru.

Videoclipul de mai jos vă va spune despre producția de cupru:

CUPRU și COPPER ROLL

Clasele și compoziția chimică a cuprului tehnic

Calitățile de cupru și compoziția lor chimică sunt definite în GOST 859-2001. abreviat Mai jos sunt prezentate informații despre gradele de cupru (se indică conținutul minim de cupru și conținutul maxim de numai două impurități - oxigen și fosfor):

Primul grup de grade se referă la cuprul catodic, restul reflectă compoziția chimică a diferitelor produse semifabricate din cupru (lingouri de cupru, sârmă și produse din acesta, produse laminate).

Caracteristici specifice cuprul, inerent diferitelor grade, este determinat de absența cuprului (diferențele nu depășesc 0,5%), ci de conținutul de impurități specifice (cantitatea acestora poate varia de 10 - 50 de ori). Clasificarea gradelor de cupru în funcție de conținutul de oxigen este adesea folosită:

Cupru fără oxigen (M00 , M0 și M1 ) cu conținut de oxigen de până la 0,001%.

Cupru rafinat (M1f, M1r, M2r, M3r) cu conținut de oxigen de până la 0,01%, dar cu

conținut ridicat de fosfor.

Cupru puritate înaltă(M00, M0, M1) cu un conținut de oxigen de 0,03-0,05%.

Cupru scop general(M2, M3) cu conținut de oxigen de până la 0,08%.

Aproximativ Corespondența calităților de cupru produse conform diferitelor standarde este prezentată mai jos:

Diferitele grade de cupru au aplicații diferite, iar diferențele în condițiile producției lor determină semnificativ diferente de pret.

Pentru producția de produse din cablu și sârmă, catozii sunt topiți conform unei tehnologii care exclude saturarea cuprului cu oxigen în timpul fabricării produselor. Prin urmare, cuprul din astfel de produse corespunde claselor M00, M0 , M1 .

Cereri majoritare sarcini tehnice satisface mărcile relativ ieftine M2 și M3. Ea definește productie in masa principalele tipuri de cupru laminat de la M2 și M3.

Produsele laminate de la mărcile M1, M1f, M1r, M2r, M3r sunt produse în principal pentru consumatori specifici și sunt mult mai scumpe.

Proprietățile fizice ale cuprului

Principala proprietate a cuprului, care determină utilizarea sa predominantă, este o conductivitate electrică foarte mare (sau rezistivitate electrică scăzută). Impuritățile precum fosforul, fierul, arsenul, antimoniul, staniul îi agravează semnificativ conductivitatea electrică. Valoarea conductibilității electrice este afectată semnificativ de metoda de obținere a unui semifabricat și de starea sa mecanică. Acest lucru este ilustrat în tabelul de mai jos:

Diferențele de rezistență ale tijei de tip M00, M0 și M1 se datorează unor cantități diferite de impurități și se ridică la aproximativ 1%. În același timp, diferențele de rezistență datorate diferitelor condiții mecanice ajung la 2–3%. Rezistivitatea produselor din cupru de calitate M2 este de aproximativ 0,020 μOhm * m.

A doua cea mai importantă proprietate a cuprului este conductivitatea sa termică foarte ridicată.

Impuritățile și aditivii de aliaj reduc conductivitatea electrică și termică a cuprului, astfel încât aliajele pe bază de cupru sunt semnificativ inferioare cuprului în acești indicatori. Valorile parametrilor proprietăților fizice principale ale cuprului în comparație cu alte metale sunt date în tabel (datele sunt date în două sisteme diferite unități de măsură):

În ceea ce privește conductivitatea electrică și termică, cuprul este ușoral doilea numai după argint.

Influența impurităților și caracteristicile proprietăților cuprului de diferite grade

Diferențele de proprietăți ale cuprului de diferite grade sunt asociate cu influența impurităților asupra proprietăților de bază ale cuprului. Asupra efectului impurităţilor asupra proprietăți fizice(conductivitate termică și electrică) a fost discutată mai sus. Să luăm în considerare influența lor asupra altor grupuri de proprietăți.

Efectul asupra proprietăților mecanice .

Fierul, oxigenul, bismutul, plumbul, antimoniul afectează plasticitatea. Impuritățile slab solubile în cupru (plumb, bismut, oxigen, sulf) duc la fragilitate la temperaturi ridicate.

Temperatura de recristalizare a cuprului pentru diferite grade este de 150-240 o C. Cu cât sunt mai multe impurități, cu atât este mai mare această temperatură.O creștere semnificativă a temperaturii de recristalizare a cuprului dă argint, zirconiu. De exemplu, introducerea de 0,05% Ag creștetemperatura de recristalizare de două ori, care se manifestă printr-o creștere a temperaturii de înmuiere și o scădere a fluajului la temperaturi ridicate și fără pierderi de conductivitate termică și electrică.

Impact asupra proprietăților tehnologice .

Proprietățile tehnologice includ 1) capacitatea de a procesa prin presiune la temperaturi scăzute și ridicate, 2) lipirea și sudarea produselor.

Impuritățile, în special fuzibile, formează zone casante la temperaturi ridicate, ceea ce face dificilă lucrul la cald. Cu toate acestea, nivelul impurităților din clasele M1 și M2 asigură plasticitatea tehnologică necesară.

În timpul deformării la rece, influența impurităților se manifestă vizibil în producția de sârmă. Pentru aceeași rezistență la tracțiune (? V = 16 kgf/mm 2) tijele de sârmă din clasele M00, M0 și M1 au o alungire relativă diferită? (38%, 35% și respectiv 30%). Prin urmare, sârma tijă clasa A (corespunde cu gradul M00) este mai avansată tehnologic în producția de sârmă, în special de diametre mici. Utilizarea cuprului fără oxigen pentru producerea conductoarelor de curent se datorează nu atât mărimii conductibilității electrice cât și factorului tehnologic.

Procesele de sudare și lipire sunt îngreunate semnificativ de o creștere a conținutului de oxigen, precum și de plumb și bismut.

Influența oxigenului și a hidrogenului asupra proprietăților operaționale .

La conditii normale Proprietățile operaționale ale cuprului (în primul rând durabilitatea funcționării) sunt aproape aceleași pentru diferite grade. În același timp, la temperaturi ridicate, poate apărea efectul nociv al oxigenului conținut în cupru. Această posibilitate se realizează de obicei atunci când cuprul este încălzit într-un mediu care conține hidrogen.

Oxigenul este conținut inițial în clasele de cupru M0, M1, M2, M3. În plus, dacă cuprul fără oxigen este recoapt în aer la temperaturi ridicate, atunci din cauza difuziei oxigenului, stratul de suprafață al produsului va deveni oxigenat.Oxigenul din cupru este prezent sub formă de oxid cupros., care este localizat de-a lungul limitelor de cereale.

Pe lângă oxigen, cuprul poate conține hidrogen. Hidrogenul intră în cupru în timpul electrolizei sau în timpul recoacerii într-o atmosferă care conține vapori de apă. Vaporii de apă sunt întotdeauna prezenți în aer. La temperaturi ridicate, se descompune pentru a forma hidrogen, care se difuzează cu ușurință în cupru.

În cuprul fără oxigen, atomii de hidrogen sunt localizați în interstițiile rețelei cristaline și nu afectează în mod deosebit proprietățile metalului.

În cuprul care conține oxigen la temperaturi ridicate, hidrogenul interacționează cu oxidul cupros. În acest caz, în grosimea cuprului se formează vapori de apă de înaltă presiune, ceea ce duce la umflături, rupturi și fisuri. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „ratul de hidrogen” sau „fragilarea cu hidrogen”. Se manifestă în timpul funcționării unui produs de cupru la temperaturi mai mari200 o C într-o atmosferă care conține hidrogen sau vapori de apă.

Gradul de fragilizare este cu atât mai puternic, cu atât conținutul de oxigen din cupru este mai mare și temperatura de funcționare este mai mare. La 200 o Cdurata de viață este de 1,5 ani, la 400 ° C- 70 de ore.

Este deosebit de pronunțat la produsele de grosime mică (tuburi, benzi).

Când este încălzit în vid, hidrogenul conținut inițial în cupru interacționează cu oxidul cupros și duce, de asemenea, la fragilizarea produsului și la deteriorarea vidului. Prin urmare, produsele care funcționează la temperaturi ridicate sunt fabricate din cupru fără oxigen (rafinat) de clase M1r, M2r, M3r.

Proprietățile mecanice ale cuprului laminat

Majoritatea produselor laminate din cupru disponibile pentru vânzare gratuită sunt produse din clasa M2. Oțelul laminat de la marca M1 este produs în principal la comandă, în plus, este cu aproximativ 20% mai scump.

Oțel laminat la rece- acestea sunt produse trase (tije, sârmă, țevi) și laminate la rece (foi, bandă, folie). Este disponibil în stări dure, semidure și moi (recoace). O astfel de închiriere este marcată cu litera „D”, iar starea de livrare cu literele T, P sau M.

Oțel laminat la cald– rezultatul presarii (tije, tuburi) sau laminare la cald(foi, plăci) la temperaturi peste temperatura de recristalizare. O astfel de închiriere este marcată cu litera „G”. În ceea ce privește proprietățile mecanice, oțelul laminat la cald este aproape (dar nu identic) cu oțelul laminat la rece în stare moale.

Rezistență ridicată la compresiune (55 - 65 kgf / mm 2) în combinație cu ductilitatea ridicată determină utilizarea pe scară largă a cuprului ca garnituri în etanșările îmbinărilor fixe cu temperaturi de funcționare de până la 250 ° C (presiune 35Kgs \ cm2 pentru abur și 100 Kgs \ cm 2 pentru apă).

Cuprul este utilizat pe scară largă în tehnologia temperaturilor scăzute, până la heliu. La temperaturi scăzute, își păstrează rezistența, ductilitatea și duritatea caracteristice temperaturii camerei. Proprietatea cea mai frecvent utilizată a cuprului în ingineria criogenică este conductivitatea sa termică ridicată. La temperaturi criogenice, conductivitatea termică a claselor M1 și M2 devine semnificativă, prin urmare, în tehnologia criogenică, utilizarea gradului M1 devine fundamentală.

Bare de cupru sunt produse presate (20 - 180 mm) și formate la rece, în stări solide, semisolide și moi (diametru 3 - 50 mm) conform GOST 1535-2006.

cupru plat scop general este produs sub formă de folie, bandă, foi și plăci în conformitate cu GOST 1173-2006:

Folie de cupru - laminată la rece: 0,05 - 0,1 mm (disponibilă numai în stare solidă)

Benzi de cupru - laminate la rece: 0,1 - 6 mm.

Foi de cupru - laminate la rece: 0,2 - 12 mm

Laminat la cald: 3 - 25 mm (proprietățile mecanice sunt reglate până la 12 mm)

Plăci de cupru - laminate la cald: peste 25 mm (proprietățile mecanice nu sunt reglementate)

Foile și benzile de cupru laminate la cald și moale laminate la rece trec testul de îndoire în jurul unui dorn cu diametrul egal cu grosimea foii. Cu o grosime de până la 5 mm, rezistă la îndoire până când părțile laterale se ating, iar cu o grosime de 6 - 12 mm - până când laturile sunt paralele. Foile și benzile semirigide laminate la rece rezistă la un test de îndoire la 90 de grade.

Astfel, raza de îndoire admisă a foilor și benzilor de cupru este egală cu grosimea foii (bandă).

Tevi de cupru de uz general sunt realizate formate la rece (în stare moale, semisolidă și solidă) și presate (secțiuni mari) în conformitate cu GOST 617-2006.

Țevile de cupru sunt folosite nu numai pentru fluidele de proces, ci și pentru bând apă. Cuprul este inert la clor și ozon, care sunt folosite pentru purificarea apei, inhibă creșterea bacteriilor, iar atunci când apa îngheață, conductele de cupru se deformează fără a se rupe. Țevile de cupru pentru apă sunt produse în conformitate cu GOST R 52318-2005, conținutul de substanțe organice de pe suprafața interioară este limitat pentru ele. Raze de îndoire minime și presiuni admisibile pentru moale tevi de cupru sunt date mai jos:

Proprietățile de coroziune ale cuprului .

La temperaturi normale de cupru grajdîn următoarele medii:

aer uscat

Apa dulce (amoniac, hidrogen sulfurat, cloruri, acizi accelerează coroziunea)

În apa de mare la viteze mici ale apei

În acizi neoxidanți și soluții sărate (în absența oxigenului)

Soluții alcaline (cu excepția amoniacului și a sărurilor de amoniu)

Gaze halogen uscate

Acizi organici, alcooli, rasini fenolice

Cupru instabilîn următoarele medii:

Amoniac, clorură de amoniu

Acizi minerali oxidanți și soluții de sare acide

Proprietățile corozive ale cuprului în unele medii se înrăutățesc considerabil odată cu creșterea cantității de impurități.

coroziunea de contact.

Este permis contactul cuprului cu aliaje de cupru, plumb, staniu în atmosferă umedă, apă dulce și de mare. În același timp, contactul cu aluminiul și zincul nu este permis din cauza distrugerii rapide a acestora.

Conductivitatea termică și electrică ridicată a cuprului îngreunează sudarea lui electrică (punct și rolă). Acest lucru este valabil mai ales pentru produsele masive. Părțile subțiri pot fi sudate electrozi de wolfram. Piesele cu grosimea mai mare de 2 mm pot fi sudate cu o flacără neutră de oxiacetilenă. O modalitate fiabilă de a conecta produsele din cupru este lipirea cu lipituri moi și dure. Pentru detalii despre sudarea cuprului, vezi www.weldingsite.com.ua

Cuprul tehnic are o rezistență scăzută și rezistență la uzură, proprietăți slabe de turnare și anti-fricțiune. Aliajele pe bază de cupru sunt lipsite de aceste neajunsuri -alamă Și bronz . Adevărat, aceste îmbunătățiri sunt obținute datorită deteriorării conductibilității termice și electrice.

Există cazuri speciale când este necesar să se mențină conductivitatea electrică sau termică ridicată a cuprului, dar să îi confere rezistență la căldură sau rezistență la uzură.

Când cuprul este încălzit peste temperatura de recristalizare, are loc o scădere bruscă a forței de curgere și a durității. Acest lucru face dificilă utilizarea cuprului în electrozii de sudare cu rezistență. Prin urmare, în acest scop, se folosesc aliaje speciale de cupru cu crom, zirconiu, nichel, cadmiu (BrKh, BrKhTsr, BrKN, BrKd). Aliajele cu electrozi păstrează o duritate relativ mare și o conductivitate electrică și termică satisfăcătoare la temperaturile procesului de sudare (aproximativ 600C).

Rezistenta la caldura se obtine si prin aliarea cu argint. Astfel de aliaje (MA) au fluaj mai mic la o conductivitate electrică și termică constantă.

Pentru utilizare în contacte mobile (plăci colectoare, sârmă de contact), se folosește cupru cu un nivel scăzut de aliaj cu magneziu sau cadmiu BrKd, BrMg. Au rezistență crescută la uzură cu conductivitate electrică ridicată.

Pentru cristalizatoare se folosește cuprul cu adaos de fier sau staniu. Astfel de aliaje au o conductivitate termică ridicată cu rezistență crescută la uzură.

Calitățile de cupru slab aliate sunt în esență bronzuri, dar ele se referă adesea la grupul de cupru laminat cu marcajul corespunzător (MS, MK, MF).

În sistemul periodic de elemente al lui D.I. Mendeleev, cuprul este situat în grupa I a perioadei a IV-a, numărul său de serie este 29. Masa atomică este 63,54. Ca element al primului grup, cuprul este monovalent. În această stare, este larg reprezentat în minereuri, mate, zguri și alte produse ale pirometalurgiei. În produsele oxidării lor în natură și în procesele tehnologice, starea divalentă este mai stabilă.

Punctul de topire al cuprului este 1083 0 C. Punctul de fierbere este 2325 0 C.

Cuprul este un metal roșu moale, ductil și maleabil care poate fi prelucrat cu ușurință. Rulată cu ușurință în foi subțiri și trasă în sârmă.

Cea mai importantă proprietate este conductivitatea electrică (a doua numai după argint). Impuritățile reduc conductivitatea electrică, astfel încât cuprul de înaltă puritate este folosit în inginerie electrică.

De asemenea, cuprul are o conductivitate termică ridicată.

În termeni chimici, cuprul este inactiv, deși se poate combina direct cu oxigen, sulf, halogeni și alte elemente.

La temperaturi obișnuite și aer uscat, cuprul rămâne inert, dar în aerul umed care conține CO 2, cuprul se oxidează și se acoperă cu o peliculă protectoare de carbonat bazic СuCO 3 ·Cu (OH) 2, care este o substanță toxică.

În soluții de acizi clorhidric și sulfuric în absența unui agent oxidant, cuprul nu se dizolvă. În acizii care sunt simultan agenți oxidanți (azot sau sulfuric concentrat la cald), cuprul se dizolvă ușor.

La temperaturi ridicate în procesele pirometalurgice, compușii stabili de cupru sunt Cu 2 O și Cu 2 S.

Cuprul și sulfura sa Cu 2 S sunt buni colectori (solvenți) de aur și argint, ceea ce face posibilă recuperarea lor ridicată în producția de cupru.

O proprietate importantă a cuprului este de a forma aliaje cu alte metale. Acestea sunt aliaje de bronz (Cu + Sn), alamă (Cu + Zn) cupru-nichel.

În bronzurile moderne, aluminiul, siliciul, beriliul și plumbul sunt folosite ca aditivi. Aceste bronzuri sunt folosite pentru fabricarea pieselor critice și a produselor turnate.

De exemplu, bronzurile de beriliu (2% Be) sunt superioare ca proprietăți mecanice față de multe clase de oțel și au o conductivitate electrică bună. Bronzurile de aluminiu (5-10% Al) sunt foarte durabile și sunt folosite la fabricarea motoarelor de aeronave.

În alamă specială, pe lângă zinc, se adaugă aluminiu, fier, siliciu, nichel. Alama este folosită pentru fabricarea radiatoarelor, țevilor, furtunurilor flexibile, cartușelor, produselor de artă.

Dintre aliajele cupru-nichel, cupronickelul este cel mai faimos (folosit în construcțiile navale, deoarece este rezistent la apa de mare) și nichel-argint - rezistente în soluții de săruri și acizi organici (fac instrumente medicale).

Aproximativ 50% din tot cuprul este folosit de industria electrică. De asemenea, cuprul este folosit în inginerie mecanică, în tehnologia rachetelor, în producția de materiale de construcții, în transporturi, în industria chimică și în agricultură.

1.3 Materii prime pentru producția de cupru

Cupru clarke, adică conținutul său în scoarța terestră este de 0,01%. Cu toate acestea, formează numeroase depozite. Caracteristic pentru cuprul este prezența în natură a tuturor celor 4 tipuri de minereuri. Cu toate acestea, principalele materii prime de cupru sunt minereurile sulfurate. 85-90% din tot cuprul primar este în prezent topit din minereuri sulfurate.

În Rusia, minereurile de cupru sunt extrase în Urali - Kirovgrad, Krasnouralsk, Mednogorsk, Guy etc., în Arctica - în Peninsula Kola și Taimyr.

Sursele de obținere a cuprului sunt minereurile, produsele de îmbogățire a acestora - concentrate - și materiile prime secundare. Ponderea materiilor prime secundare reprezintă în prezent aproximativ 40% din producția totală de cupru.

Minereurile de cupru sunt aproape complet clasificate ca polimetalice. Nu există minereuri monometalice de cupru în natură. Aproximativ 30 de elemente sunt însoțitori valoroși ai cuprului din materiile prime minereu. Cele mai importante dintre ele: zinc, plumb, nichel, cobalt, aur, argint, metale din grupa platinei, sulf, seleniu, teluriu, cadmiu, germaniu, reniu, indiu, taliu, molibden, fier.

Sunt cunoscute peste 250 de minerale de cupru. Cele mai multe dintre ele sunt rare. Cel mai grozav valoare industrială are un grup mic de minerale, a căror compoziție este dată în tabelul 2.

Tabelul 2 - Minerale industriale de cupru

Majoritatea minereurilor de cupru sunt exploatate în prezent cale deschisă. În Rusia, mineritul subteran reprezintă aproximativ 30%.

ÎN practica contemporană de obicei dezvolta minereuri cu un continut de 0,8-1,5% cupru, uneori mai mare. Dar pentru depozitele mari de minereuri diseminate, conținutul minim de cupru adecvat pentru dezvoltare este de 0,4-0,5%. Dacă roca conține mai puțin decât cantitatea specificată de cupru, prelucrarea sa este neprofitabilă.

Valoarea minereurilor de cupru crește semnificativ datorită prezenței metalelor nobile și a unui număr de metale rare - seleniu, teluriu, reniu, bismut etc.

Datorită conţinutului scăzut de cupru din minereu şi cuprinzătoare materiile prime de minereuri sunt supuse preliminar îmbogățirii prin flotație. La îmbogățirea minereurilor de cupru, produsul principal sunt concentratele de cupru care conțin până la 55% Cu (de obicei 10-30%). Se obțin și concentrate de pirit și concentrate de alte metale neferoase, cum ar fi zincul. Concentratele de flotație sunt pulberi fine cu o dimensiune a particulelor de 74 de microni și un conținut de umiditate de 8-10%.

Minereurile și concentratele de cupru au aceeași compoziție mineralogică și diferă doar în raporturile cantitative dintre diferitele minerale. Bazele fizice și chimice ale prelucrării lor metalurgice sunt exact aceleași.

§1. Proprietățile chimice ale unei substanțe simple (st. ok. = 0).

a) Relația cu oxigenul.

Spre deosebire de vecinii săi de subgrup, argint și aur, cuprul reacționează direct cu oxigenul. Cuprul prezintă o activitate redusă față de oxigen, dar în aerul umed se oxidează treptat și devine acoperit cu o peliculă verzuie, constând din carbonați de cupru bazici:

În aer uscat, oxidarea are loc foarte lent; stratul cel mai subțire oxid de cupru:

În exterior, cuprul nu se schimbă, deoarece oxidul de cupru (I), ca și cuprul însuși, este roz. În plus, stratul de oxid este atât de subțire încât transmite lumină, adică. strălucește prin. Într-un mod diferit, cuprul se oxidează la încălzire, de exemplu, la 600-800 0 C. În primele secunde, oxidarea trece la oxid de cupru (I), care de la suprafață se transformă în oxid de cupru (II) negru. Se formează un strat de oxid cu două straturi.

Formarea Q (Cu 2 O) = 84935 kJ.

Figura 2. Structura peliculei de oxid de cupru.

b) Interacțiunea cu apa.

Metalele subgrupului de cupru se află la capătul seriei electrochimice de tensiuni, după ionul de hidrogen. Prin urmare, aceste metale nu pot înlocui hidrogenul din apă. În același timp, hidrogenul și alte metale pot înlocui metalele subgrupului de cupru din soluțiile sărurilor lor, de exemplu:

Această reacție este redox, deoarece există un transfer de electroni:

Hidrogenul molecular înlocuiește cu mare dificultate metalele subgrupului de cupru. Acest lucru se explică prin faptul că legătura dintre atomii de hidrogen este puternică și se cheltuiește multă energie pentru a o rupe. Reacția are loc numai cu atomi de hidrogen.

Cuprul în absența oxigenului practic nu interacționează cu apa. În prezența oxigenului, cuprul reacționează încet cu apa și devine acoperit cu o peliculă verde de hidroxid de cupru și carbonat bazic:

c) Interacțiunea cu acizii.

Fiind într-o serie de tensiuni după hidrogen, cuprul nu îl înlocuiește de acizi. Prin urmare, acidul clorhidric și acidul sulfuric diluat nu acționează asupra cuprului.

Cu toate acestea, în prezența oxigenului, cuprul se dizolvă în acești acizi pentru a forma sărurile corespunzătoare:

Singura excepție este acidul iodhidric, care reacționează cu cuprul pentru a elibera hidrogen și a forma un complex de cupru (I) foarte stabil:

2 Cu + 3 BUNĂ → 2 H[ CuI 2 ] + H 2

Cuprul reacționează și cu acizi - agenți de oxidare, de exemplu, cu acid azotic:

Cu+4HNO 3( conc .) → Cu (NR 3 ) 2 +2NU 2 +2 ore 2 O

3Cu + 8HNO 3( având diluat .) → 3Cu (NR 3 ) 2 +2NO+4H 2 O

Și, de asemenea, cu acid sulfuric concentrat la rece:

Cu + H 2 ASA DE 4(conc.) → CuO + SO 2 + H 2 O

Cu acid sulfuric concentrat fierbinte :

Cu+2H 2 ASA DE 4( conc ., Fierbinte ) → CuSO 4 + Așa 2 + 2 ore 2 O

Cu acid sulfuric anhidru la o temperatură de 200 0 C, se formează sulfat de cupru (I):

2Cu+2H 2 ASA DE 4( anhidru .) 200°C → Cu 2 ASA DE 4 ↓+SO 2 + 2 ore 2 O

d) Relația cu halogenii și alte nemetale.

Formarea Q (CuCl) = 134300 kJ

Formarea Q (CuCl2) = 111700 kJ

Cuprul reacționează bine cu halogenii, dă două tipuri de halogenuri: CuX și CuX 2 .. Sub acțiunea halogenilor la temperatura camerei nu apar modificări vizibile, dar la suprafață se formează mai întâi un strat de molecule adsorbite, iar apoi un strat foarte subțire de halogenuri. Când este încălzită, reacția cu cuprul este foarte violentă. Încălzim sârma sau folia de cupru și o coborâm fierbinte într-un borcan cu clor - în apropierea cuprului vor apărea vapori maro, constând din clorură de cupru (II) CuCl 2 amestecată cu clorură de cupru (I) CuCl. Reacția are loc spontan datorită degajării de căldură. Halogenurile de cupru monovalente sunt obținute prin reacția cuprului metalic cu o soluție de halogenură de cupru bivalentă, de exemplu:

În acest caz, monoclorura precipită din soluție sub formă de precipitat alb pe suprafața de cupru.

Cuprul reacționează, de asemenea, destul de ușor cu sulful și seleniul atunci când este încălzit (300-400 ° C):

2Cu+S→Cu 2 S

2Cu+Se→Cu 2 Se

Dar cuprul nu reacționează cu hidrogenul, carbonul și azotul chiar și la temperaturi ridicate.

e) Interacțiunea cu oxizi ai nemetalelor

Când este încălzit, cuprul poate înlocui substanțele simple din unii oxizi nemetalici (de exemplu, oxid de sulf (IV) și oxizi de azot (II, IV), formând în același timp un oxid de cupru (II) mai stabil termodinamic):

4Cu+SO 2 600-800°C →2CuO + Cu 2 S

4Cu+2NO 2 500-600°C →4CuO + N 2

2 Cu+2 NU 500-600° C →2 CuO + N 2

§2. Proprietățile chimice ale cuprului monovalent (st.c. = +1)

În soluții apoase, ionul Cu + este foarte instabil și disproporționat:

Cu + ↔ Cu 0 + Cu 2+

Totuși, cuprul în stare de oxidare (+1) poate fi stabilizat în compuși cu solubilitate foarte scăzută sau prin complexare.

a) oxid de cupru (eu) Cu 2 O

oxid amfoter. Substanță cristalină brun-roșu. Apare în mod natural sub formă de cuprită minerală. Poate fi obținut artificial prin încălzirea unei soluții de sare de cupru (II) cu alcalii și un agent reducător puternic, de exemplu, formol sau glucoză. Oxidul de cupru (I) nu reacționează cu apa. Oxidul de cupru (I) este transferat într-o soluție cu acid clorhidric concentrat pentru a forma un complex de clorură:

Cu 2 O+4 acid clorhidric→2 H[ CuCl2]+ H 2 O

De asemenea, dizolvăm într-o soluție concentrată de amoniac și săruri de amoniu:

Cu 2 O+2NH 4 + →2 +

În acid sulfuric diluat, acesta este disproporționat față de cuprul divalent și cuprul metalic:

Cu 2 O+H 2 ASA DE 4(dil.) →CuSO 4 + Cu 0 ↓+H 2 O

De asemenea, oxidul de cupru (I) intră în următoarele reacții în soluții apoase:

1. Oxidată lent cu oxigen la hidroxid de cupru (II):

2 Cu 2 O+4 H 2 O+ O 2 →4 Cu(Oh) 2 ↓

2. Reacționează cu acizi halogenați diluați pentru a forma halogenurile de cupru (I) corespunzătoare:

Cu 2 O+2 HG→2CuG↓ +H 2 O(G=Cl, Br, J)

3. Redus la cupru metalic cu agenți reducători tipici, de exemplu, hidrosulfit de sodiu într-o soluție concentrată:

2 Cu 2 O+2 NaSO 3 →4 Cu↓+ N / A 2 ASA DE 4 + H 2 ASA DE 4

Oxidul de cupru (I) este redus la cupru metalic în următoarele reacții:

1. Când este încălzit până la 1800 °C (descompunere):

2 Cu 2 O - 1800° C →2 Cu + O 2

2. Când este încălzit într-un curent de hidrogen, monoxid de carbon, aluminiu și alți agenți reducători tipici:

Cu 2 O+H 2 - >250°C →2Cu+H 2 O

Cu 2 O+CO - 250-300°C →2Cu+CO 2

3 Cu 2 O + 2 Al - 1000° C →6 Cu + Al 2 O 3

De asemenea, la temperaturi ridicate, oxidul de cupru (I) reacţionează:

1. Cu amoniac (se formează nitrură de cupru(I))

3 Cu 2 O + 2 NH 3 - 250° C →2 Cu 3 N + 3 H 2 O

2. Cu oxizi de metale alcaline:

Cu 2 O+M 2 O- 600-800°C →2 MCuO (M= Li, Na, K)

În acest caz, se formează cuprați de cupru (I).

Oxidul de cupru (I) reacționează semnificativ cu alcalii:

Cu 2 O+2 NaOH (conc.) + H 2 O↔2 N / A[ Cu(Oh) 2 ]

b) hidroxid de cupru (eu) CuOH

Hidroxidul de cupru (I) formează o substanță galbenă și este insolubilă în apă.

Se descompune ușor atunci când este încălzit sau fiert:

2 CuOH → Cu 2 O + H 2 O

c) HalogenuriCuF, CuCUl, CuBrȘiCuJ

Toți acești compuși sunt substanțe cristaline albe, slab solubile în apă, dar ușor solubile în exces de NH3, ioni de cianură, ioni de tiosulfat și alți agenți de complexare puternici. Iodul formează doar compusul Cu +1 J. În stare gazoasă se formează cicluri de tip (CuГ) 3. Reversibil solubil în acizii hidrohalici corespunzători:

CuG + HG ↔H[ CuG 2 ] (G=Cl, Br, J)

Clorura și bromura de cupru (I) sunt instabile în aerul umed și se transformă treptat în săruri bazice de cupru (II):

4 CuD +2H 2 O + O 2 →4 Cu(Oh)G (G=Cl, Br)

d) Alți compuși ai cuprului (eu)

1. Acetat de cupru (I) (CH 3 COOCu) - un compus de cupru, are forma de cristale incolore. În apă, se hidrolizează încet la Cu 2 O, în aer se oxidează până la acetat de cupru divalent; Primește CH 3 COOSu prin reducere (CH 3 COO) 2 Cu cu hidrogen sau cupru, sublimare (CH 3 COO) 2 Cu în vid sau interacțiune (NH 3 OH) SO 4 cu (CH 3 COO) 2 Cu în p-re în prezenţa H3COOH3. Substanța este toxică.

2. Acetilenidă de cupru (I) - roșu-maroniu, uneori cristale negre. Când sunt uscate, cristalele detonează la impact sau căldură. Rezistent la umezeală. Detonarea în absența oxigenului nu produce substanțe gazoase. Se descompune sub acțiunea acizilor. Se formează ca un precipitat atunci când acetilena este trecută în soluții de amoniac de săruri de cupru(I):

CU 2 H 2 +2[ Cu(NH 3 ) 2 ](Oh) → Cu 2 C 2 ↓ +2 H 2 O+2 NH 3

Această reacție este utilizată pentru detectarea calitativă a acetilenei.

3. Nitrură de cupru - un compus anorganic cu formula Cu 3 N, cristale de culoare verde închis.

Se descompune la încălzire:

2 Cu 3 N - 300° C →6 Cu + N 2

Reacţionează violent cu acizii:

2 Cu 3 N +6 acid clorhidric - 300° C →3 Cu↓ +3 CuCl 2 +2 NH 3

§3. Proprietățile chimice ale cuprului bivalent (st.c. = +2)

Cea mai stabilă stare de oxidare a cuprului și cea mai caracteristică a acestuia.

a) oxid de cupru (II) CuO

CuO este oxidul de bază al cuprului divalent. Cristale negre, în condiții normale destul de stabile, practic insolubile în apă. În natură, apare sub formă de tenorit mineral (melaconit) de culoare neagră. Oxidul de cupru (II) reacționează cu acizii pentru a forma sărurile corespunzătoare de cupru (II) și apă:

CuO + 2 HNO 3 → Cu(NU 3 ) 2 + H 2 O

Când CuO este fuzionat cu alcalii, se formează cuprați de cupru (II):

CuO+2 KOH- t ° → K 2 CuO 2 + H 2 O

Când este încălzit la 1100 °C, se descompune:

4CuO- t ° →2 Cu 2 O + O 2

b) Hidroxid de cupru (II).Cu(Oh) 2

Hidroxidul de cupru (II) este o substanță albastră amorfa sau cristalină, practic insolubilă în apă. Când este încălzită la 70-90 ° C, pulberea de Cu (OH) 2 sau suspensiile sale apoase se descompun în CuO și H 2 O:

Cu(Oh) 2 → CuO + H 2 O

Este un hidroxid amfoter. Reacționează cu acizii pentru a forma apă și sarea de cupru corespunzătoare:

Nu reacționează cu soluțiile alcaline diluate, ci se dizolvă în cele concentrate, formând tetrahidroxocuprati albastru strălucitor (II):

Hidroxidul de cupru (II) cu acizi slabi formează săruri bazice. Se dizolvă foarte ușor în exces de amoniac pentru a forma amoniac de cupru:

Cu(OH) 2 +4NH 4 OH→(OH) 2 +4 ore 2 O

Cupru amoniacul are o culoare albastru-violet intensă, de aceea este utilizat în chimia analitică pentru a determina cantități mici de ioni de Cu 2+ în soluție.

c) Săruri de cupru (II)

Sărurile simple de cupru (II) sunt cunoscute pentru majoritatea anionilor, cu excepția cianurilor și iodurii, care, atunci când interacționează cu cationul Cu 2+, formează compuși covalenti de cupru (I) care sunt insolubili în apă.

Sărurile de cupru (+2) sunt în mare parte solubile în apă. Culoarea albastră a soluțiilor lor este asociată cu formarea ionului 2+. Ele cristalizează adesea sub formă de hidrați. Astfel, tetrahidratul cristalizează dintr-o soluție apoasă de clorură de cupru (II) sub 15 0 C, trihidrat la 15-26 0 C și dihidrat peste 26 0 C. În soluții apoase, sărurile de cupru (II) sunt supuse hidrolizei într-o mică măsură, iar sărurile bazice precipită adesea din ele.

1. Sulfat de cupru (II) pentahidrat (sulfat de cupru)

CuS04*5H2O, numit vitriol albastru. Sarea uscată are o culoare albastră, însă, când este ușor încălzită (200 0 C), pierde apa de cristalizare. Sare albă anhidră. La încălzirea suplimentară la 700 0 C, se transformă în oxid de cupru, pierzând trioxidul de sulf:

CuSO 4 ­-- t ° → CuO+ ASA DE 3

Sulfatul de cupru se prepară prin dizolvarea cuprului în acid sulfuric concentrat. Această reacție este descrisă în secțiunea „Proprietăți chimice ale unei substanțe simple”. Sulfatul de cupru este utilizat în producția electrolitică a cuprului, în agricultură pentru combaterea dăunătorilor și bolilor plantelor și pentru obținerea altor compuși ai cuprului.

2. Clorura de cupru (II) dihidrat.

Acestea sunt cristale de culoare verde închis, ușor solubile în apă. Soluțiile concentrate de clorură de cupru au Culoarea verde, și diluat - albastru. Acest lucru se datorează formării unui complex de clorură verde:

Cu 2+ +4 Cl - →[ CuCl 4 ] 2-

Și distrugerea sa în continuare și formarea unui complex acvatic albastru.

3. Azotat de cupru (II) trihidrat.

Solid cristalin albastru. Obținut prin dizolvarea cuprului în acid azotic. Când sunt încălzite, cristalele pierd mai întâi apă, apoi se descompun cu eliberarea de oxigen și dioxid de azot, transformându-se în oxid de cupru (II):

2Cu (NR 3 ) 2 -- t° →2CuO+4NO 2 +O 2

4. Hidroxomedi(II) carbonat.

Carbonații de cupru sunt instabili și aproape niciodată nu sunt utilizați în practică. De o oarecare importanță pentru producția de cupru este doar carbonatul de cupru de bază Cu 2 (OH) 2 CO 3, care apare în natură sub formă de malachit mineral. Când este încălzit, se descompune ușor cu eliberarea de apă, monoxid de carbon (IV) și oxid de cupru (II):

Cu 2 (OH) 2 CO 3 -- t° →2CuO+H 2 O+CO 2

§4. Proprietățile chimice ale cuprului trivalent (st.c. = +3)

Această stare de oxidare este cea mai puțin stabilă pentru cupru și, prin urmare, compușii de cupru (III) sunt mai degrabă excepția decât „regula”. Cu toate acestea, există unii compuși trivalenți de cupru.

a) Oxid de cupru (III) Cu 2 O 3

Este o substanta cristalina, de culoare granat inchis. Nu se dizolvă în apă.

Obținut prin oxidarea hidroxidului de cupru (II) cu peroxodisulfat de potasiu în mediu alcalin la temperaturi scăzute:

2Cu(OH) 2 +K 2 S 2 O 8 +2KOH -- -20°C →Cu 2 O 3 ↓+2K 2 ASA DE 4 +3H 2 O

Această substanță se descompune la o temperatură de 400 0 C:

Cu 2 O 3 -- t ° →2 CuO+ O 2

Oxidul de cupru (III) este un agent oxidant puternic. Când interacționează cu clorura de hidrogen, clorul este redus la clor liber:

Cu 2 O 3 +6 acid clorhidric-- t ° →2 CuCl 2 + Cl 2 +3 H 2 O

b) Cuprați de cupru (W)

Acestea sunt substanțe negre sau albastre, nu sunt stabile în apă, sunt diamagnetice, anionul este o panglică de pătrate (dsp 2). Formată prin interacțiunea hidroxidului de cupru (II) și a hipocloritului metal alcalinîntr-un mediu alcalin:

2 Cu(Oh) 2 + MClO + 2 NaOH→2MCuO 3 + NaCl +3 H 2 O (M= N / A- Cs)

c) Hexafluorocuprat de potasiu (III)

Substanță verde, paramagnetică. Structura octaedrică sp 3 d 2 . Complex de fluorură de cupru CuF 3, care se descompune în stare liberă la -60 0 C. Se formează prin încălzirea unui amestec de cloruri de potasiu și cupru în atmosferă de fluor:

3KCl + CuCl + 3F 2 → K 3 + 2Cl 2

Descompune apa cu formarea de fluor liber.

§5. Compuși de cupru în stare de oxidare (+4)

Până acum, o singură substanță este cunoscută științei, unde cuprul se află în starea de oxidare +4, acesta este hexafluorocuprat de cesiu (IV) - Cs 2 Cu +4 F 6 - o substanță cristalină portocalie, stabilă în fiole de sticlă la 0 0 C Reacţionează violent cu apa. Obținut prin fluorizare presiune ridicatași temperatura unui amestec de cesiu și cloruri de cupru:

CuCl 2 +2CsCl +3F 2 -- t ° p → Cs 2 CuF 6 +2Cl 2