Медь физические и химические свойства применение. Медь как металл и сырье в строительстве: ее особенности и нюансы обработки

Основы > Электротехнические материалы > Проводниковые материалы

МЕДЬ
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси С u О, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ S0 2 , сероводород H 2 S, аммиак NH 3 , окись азота NО, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди (рис. 8-1), делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и M1) по ГОСТ 859-66, химический состав которых приведен в табл. 8-1.
В табл. 8-1 не указана бескислородная медь марки М00 (99,99% Си), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и M1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. По проводимости медь М00 не отличается от меди М0 и M1. Медь повышенной чистоты широко используется в электровакуумной технике.
Примеси Bi и Р b в больших количествах, чем указано в табл. 8-1, делают невозможным горячую прокатку меди. Сера не вызывает горячеломкость меди, но повышает ее хрупкость на холоде. Примеси в небольших количествах Ni, Ag, Zn и Sn не ухудшают технологических свойств, повышая механическую прочность и термическую стойкость меди.
Кислород как примесь в малых дозах, не затрудняя заметно прокатку, несколько повышает проводимость меди, так как находящиеся в меди другие примеси в результате окисления выводятся из твердого раствора, где они наиболее сильно влияют на снижение проводимости металла.
Повышенное содержание кислорода снижает проводимость и делает медь хрупкой в холодном состоянии, поэтому в электротехнических марках меди присутствие кислорода ограничивается (табл. 8-1). Медь, содержащая кислород, подвержена также водородной болезни. В восстановительной атмосфере закись меди восстанавливается до металла. Во время реакций, идущих с образованием водяных паров, в.меди появляются микротрещины.

Рис. 8-1. Влияние примесей на электрическую проводимость меди.

Таблица 8-1 Химический состав проводниковой меди (ГОСТ 859-66)

Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, пресования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При холодной обработке давлением прочность меди в результате обжатия (наклепа) растет, а удлинение падает, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160-200 °С, после чего из-за процесса рекристаллизации происходят разупрочнение и резкое падение твердости наклепанной меди. Чем выше степень обжатия при холодной обработке, тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.
При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются. Физические и технологические свойства меди приведены в табл. 8-2.
Влияние температуры отжига на механические свойства и электрическую проводимость меди представлено на рис. 8-2.
Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.
Согласно ГОСТ 434-71 число твердости Бринелля твердых лент при испытании шариком диаметром 5 мм, нагрузке 2500 Н и выдержке 30 с.
В зависимости от рабочей температуры механические свойства меди представлены в табл.8-3.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07-0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и другими элементами.
В настоящее время медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Таблица 8-2 Физические и технологические свойства меди


Свойства	Состояние	Показатель
Температура плавления, °С		1083±0,1
Плотность, кг/м3	При 20 °С	8930
Температурный коэффициент линейного расширения,	В интервале 20-100 °С
Теплопроводность, Вт/(м °С)		375-380
Удельное электрическое сопротивление при +20 °С (мягкая проволока), мкОм м	Обусловленное ГОСТ 2112-71	0,01724
То же (твердая проволока)	То же	0,0180-0,0177
Температурный коэффициент сопротивления,	При 0-150 °С	0,00411
Температура горячей обработки, °С	Твердое	900-1050
Температура начала рекристаллизации, °С	Наклепанное	160-200
Травитель для полуфабрикатов, %	H 2 SO 4
Атмосфера при плавлении		Восстановительная
Температура литья, °С		1150-1200
Температура отжига, °С		500-700
Температура кипения, °С		2300-2590
Теплота плавления, Дж/кг
Теплота испарения, Дж/кг		5400
Объемная усадка, %	При кристаллизации
Отношение электрического сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой меди	При плавлении и кристаллизации	2,07
Потенциал выхода электронов, В		4,07-2,61
Термо-э.д.с. относительно платины, мВ		0,15

Рис. 8-2. Влияние температуры отжига на свойства меди.

Таблица 8-3 Характер изменения механических свойств проводниковой меди в зависимости от температуры


Свойства	Температура, °С

	Твердотянутая		Отожженная (650 °С, 1 / 2 ч)
Предел прочности при растяжении, МПа Истинный предел прочности при растяжении, МПа Удлинение, % Сужение площади поперечного сечения, % Модуль упругости статический, ГПа Модуль упругости динамический, ГПа Предел текучести, МПа Предел вибрационной усталости, МПа Предел ползучести, МПа	400 670 5,4 53,8 119 110 380 93 -	365 600 5,5 56,1 106 89 355 74 -

а) Плотность и твердость .

Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет свободного пространства, и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.

Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и более плотной компоновкой атомов в кристаллической решетке. Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например, пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек – “усов”. Как оказалось, такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.

б) Цвет меди и её соединений .

Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

При повышении валентности окраска меди и ее соединений темнеет, например, CuCl – белый, Cu 2 O – красный, CuCl + H 2 O – голубой, Cu О - черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.

в) Электропроводимость .

Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено её обширное применение в электронике.

г) Кристаллическая решетка .

Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 1).

Рисунок 1. Кристаллическая решетка меди.

д) Изотопы .

Природная медь состоит из двух стабильных изотопов - 63 Cu и 65 Cu с распространённостью 69,1 и 30,9 атомных процентов соответственно. Известны более двух десятков нестабильных изотопов, самый долгоживущий из которых 67 Cu с периодом полураспада 62 часа.

§4. Сплавы меди.

Медные сплавы - первые металлические сплавы, созданные человеком. Примерно до середины XXв. по мировому производству медные сплавы занимали 1-е место среди сплавов цветных металлов, уступив его затем алюминиевым сплавам. Со многими элементами медь образует широкие области твёрдых растворов замещения, в которых атомы добавки занимают места атомов меди в гранецентрированной кубической решётке. Медь в твёрдом состоянии растворяет до 39 % Zn, 15,8 % Sn, 9,4 % Al, a Ni - неограниченно. При образовании твёрдого раствора на основе меди растут её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, может значительно повыситься коррозионная стойкость, а пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне.

В настоящее время существуют бесчисленные сплавы на основе меди, здесь я приведу три самые основные и распространенные в технике и быту сплавы:

а) Латунь

Латунь – это медный сплав с добавлением цинка. Цинк, содержание которого в составе может доходить до 40%, повышает прочность и пластичность сплава. Наиболее пластична латунь, с долей цинка около 30%. Она применяется для производства проволоки и тонких листов. В состав также могут входить железо, олово, свинец, никель, марганец и другие компоненты. Они повышаю коррозийную устойчивость и механические свойства сплава. Латунь хорошо подвергается обработке: сварке и прокатке, отлично полируется. Широкий диапазон свойств, низкая себестоимость, легкость в обработке и красивый желтый цвет делают латунь наиболее распространенным медным сплавом с большой областью применения.

б) Бронза

Бро́нзы - сплав меди, обычно с оловом в качестве основного легирующего компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка (это латунь) и никеля. Как правило в любой бронзе в незначительных количествах присутствуют добавки: цинк, свинец, фосфор и др.

Традиционную оловянную бронзу человек научился выплавлять ещё в начале Бронзового века и очень длительное время она широко использовалась; даже с приходом века железа бронза не утрачивала своей важности (в частности вплоть до XIX века пушки изготавливались из пушечной бронзы)

Самые широко применимые бронзы это: кремниевые бронзы, бериллиевые бронзы, кремниевые бронзы, хромовые бронзы, но, безусловно, самой известной и наиболее применимой является оловянная бронза.

в) Медно-никелевые сплавы

Сплавы на основе меди, содержащие никель в качестве главного легирующего элемента - Мельхиор, Нейзильбер (сплав меди с 5-35% Ni и 13-45% Zn). Никель образует с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Твердый металл медь люди научились плавить еще до нашей эры. Название элемента по таблице Менделеева – Cuprum, в честь первого массового расположения производства меди. Именно на острове Кипр в третьем тысячелетии до н.э. начали добывать руду. Металл зарекомендовал себя как хорошее оружие и красивый, блестящий материал для изготовления посуды и других приборов.

Процесс плавления меди

Изготовление предметов требовало множество усилий при отсутствии технологий. В первых шагах развития цивилизации и поиску новых металлов, люди научились добывать и плавить медную руду. Получение руды происходило в малахитовом, а не в сульфидном состоянии. Получение на выходе свободной меди, из которой можно изготавливать детали, требовало обжига. Для исключения окислов, металл с древесным углем размещалась в сосуд из глины. Поджигался металл в специально подготовленной яме, образующийся в процессе угарный газ способствовал процессу появления свободной меди.

Для точных расчетов использовался график плавления меди. В то время производился точный расчет времени и примерная температура, при которой происходит плавка меди.

Медь и ее сплавы

Металл имеет красновато-желтый оттенок благодаря оксидной пленке, которая образуется при первом взаимодействии металла с кислородом. Пленка придает благородный вид и обладает антикоррозийными свойствами.

Сейчас доступно несколько способов добычи металла. Распространёнными являются медный колчедан и блеск, которые встречаются в виде сульфидных руд. Каждая из технологий получения меди требует особого подхода и следования процессу.

Добыча в природных условиях происходит в виде поиска медных сланцев и самородков. Объемные месторождения в виде осадочных пород находятся в Чили, а медные песчаники и сланцы расположились на территории Казахстана. Использование металла обусловлено невысокой температурой плавления. Практически все металлы плавятся путем разрушения кристаллической решетки.

Основной порядок плавления и свойства:

на температурных порогах от 20 до 100° материал полностью сохраняет свои свойства и внешний вид, верхний оксидный слой остается на месте;
кристаллическая решетка распадается на отметке 1082°, физическое состояние становится жидким, а цвет белым. Уровень температуры задерживается на некоторое время, а затем продолжает рост;
температура кипения меди начинается на отметке 2595°, выделяется углерод, происходит характерное бурление;
при отключении источника тепла происходит снижение температуры, происходит переход в твердую стадию.

Плавка меди возможна в домашних условиях, при соблюдении определенных условий. Этапы и сложность задачи зависят от выбора оборудования.

Физические свойства

Основные характеристики металла:

в чистом виде плотность металла составляет 8.93 г/см 3 ;
хорошая электропроводность с показателем 55,5S, при температуре около 20⁰;
теплопередача 390 Дж/кг;
кипение происходит на отметке 2600°, после чего начинает выделение углерода;
удельное электрическое сопротивление в среднем температурном диапазоне – 1.78×10 Ом/м.

Основными направлениями эксплуатации меди является электротехнические цели. Высокая теплоотдача и пластичность дают возможность применения к различным задачам. Сплавы меди с никелем, латунью, бронзой, делаю более приемлемой себестоимость и улучшают характеристики.

В природе она не однородна по своему составу, так как содержит ряд кристаллических элементов, образующих с ней устойчивую структуру, так называемые растворы, которые можно подразделить на три группы:

Твердые растворы. Образуются, если в составе содержаться примеси железа, цинка, сурьмы, олова, никеля и многих других веществ. Такие вхождения существенно снижают ее электрическую и тепловую проводимость. Они усложняют горячий вид обработки под давлением.
Примеси, растворяющиеся в медной решетке. К ним относятся висмут, свинец и другие компоненты. Не ухудшают качества электропроводимости, но затрудняют обработку под давлением.
Примеси, формирующие хрупкие химические соединения. Сюда входят кислород и сера, а также другие элементы. Они ухудшают прочностные качества, в том числе снижают электропроводность.

Масса меди с примесями гораздо больше, чем в чистом виде. Ко всему прочему, элементы примесей существенно влияют на конечные характеристики уже готового продукта. Поэтому их суммарный состав, в том числе количественный, по отдельности должен регулироваться еще на этапе производства. Рассмотрим более подробно влияние каждого элемента на характеристики конечных медных изделий.

Кислород. Один из самых нежелательных элементов для любого материала, не только медного. С его ростом ухудшается такое качество, как пластичность и устойчивость к коррозионным процессам. Его содержание не должно превышать 0,008%. В ходе термической обработки в результате процессов окисления количественное содержание этого элемента уменьшается.
Никель. Образует устойчивый раствор и существенно снижает показатели проводимости.
Сера или селен. Оба компонента одинаково влияют на качество готовой продукции. Высокая концентрация таких вхождений снижает пластичные свойства медных изделий. Содержание таких компонентов не должно превышать 0,001% от общей массы.
Висмут. Негативно влияет на механические и технологические характеристики готовой продукции. Максимальное содержание не должно превышать 0,001%.
Мышьяк. Он не меняет свойств, но образует устойчивый раствор, является своего рода защитником от пагубного влияния других элементов, как кислород, сурьма или висмут.

Марганец. Он способен полностью раствориться в меди практически при комнатной температуре. Влияет на проводимость тока.
Сурьма. Компонент лучше всех растворятся в меди, наносит ей минимальный вред. Содержание его не должно превышать 0,05% от массы меди.
Олово. Образует устойчивый раствор с медью и повышает ее свойства по проведению тепла.
Цинк. Его содержание всегда минимально, поэтому такого пагубного влияния он не оказывает.

Фосфор. Основной раскислитель меди, максимальное содержание которого при температуре 714°С составляет 1,7%.

Сплав на основе меди с добавлением цинка называется латунь. В некоторых ситуациях добавляется олово в меньших пропорциях. Джеймс Эмерсон в 1781 году решил запатентовать комбинацию. Содержание цинка в сплаве может варьироваться от 5 до 45%. Латуни различают в зависимости от предназначения и спецификации:

простые, состоящие из двух компонентов – меди и цинка. Маркировка таких сплавов обозначается буквой «Л», напрямую значащая содержание меди в сплаве в процентах;
многокомпонентные латуни – содержат множество других металлов в зависимости от назначения к использованию. Такие сплавы повышают эксплуатационные свойства изделий, обозначаются также буквой «Л», но с прибавлением цифр.

Физические свойства латуни относительно высокие, коррозийная стойкость на среднем уровне. Большинство сплавов не критично к пониженным температурам, возможно эксплуатировать металл в различных условиях.
Технологии получения латуни взаимодействует с процессами медной и цинковой промышленности, обработке вторичного сырья. Эффективным способом плавки является использование электропечи индукционного типа с магнитным отводом и регулировкой температуры. После получения однородной массы, она разливается в формы и подвергается процессам деформации.

Применение материала в различных отраслях, повышает на него спрос с каждым годом. Сплав применяется в суд строительстве и производстве боеприпасов, различных втулок, переходников, болтов, гаек и сантехнических материалов.

Цветной металл для изготовки изделий разных типов начали использовать с древних времен. Данный факт подтверждается найденными материалами при археологических раскопках. Состав бронзы изначально был богат оловом.

Промышленностью выпускается различное количество разновидностей бронзы. Опытный мастер способен по цвету металла определить его предназначение. Однако не каждому под силу определить точную марку бронзы, для этого используется маркировка. Способы производства бронзы подразделяются на литейные, когда происходит плавление и отлив и деформируемые.

Состав металла зависит от предназначения к использованию. Основным показателем является наличие бериллия. Повышенная концентрация элемента в сплаве, подвергнутая процедуре закаливания, может соперничать с высокопрочными сталями. Наличие в составе олова отнимает у металла гибкость и пластичность.

Производство бронзовых сплавов изменилось с древних времен фактически внедрением современного оборудования. Технология с использованием в качестве флюса в виде древесного угля используется до сих пор. Последовательность получения бронзы:

печь разогревается для требуемой температуры, после этого в нее устанавливается тигель;
после плавки металл может окислится, во избежание этого добавляют флюс в качестве древесного угля;
кислотным катализатором служит фосфорная медь, добавление происходит после полного прогрева сплава.

Плавка бронзы

Старинные изделия из бронзы подвержены естественным процессам – патинирование. Зеленоватый цвет с белым оттенком проявляется из-за образования пленки, обволакивающей изделие. Искусственные методы патинирования включают в себя методы с использованием серы и параллельным нагреванием до определенной температуры.

Температура плавления меди

Плавится материал при определенной температуре, которая зависит от наличия и количества сплавов в составе.

В большинстве случаев, процесс происходит при температуре от 1085°. Наличие олова в сплаве дает разбег, плавление меди может начаться при 950°. Цинк в составе также понижает нижнюю границу до 900°.

Для точных расчетов времени понадобится график плавления меди. На обычном листке бумаги используется график, где по горизонтали отмечается время, а по вертикали градусы. График должен указывать, на каких моментах поддерживается температура при нагреве для полного процесса кристаллизации.

Плавление меди в домашних условиях

В домашних условиях медные сплавы возможно плавить несколькими способами. При использовании любого из методов, понадобятся сопутствующие материалы:

тигель – посуда, изготовленная из закаленной меди или другого огнеупорного металла;
древесный уголь, понадобится в роли флюса;
крюк металлический;
форма будущего изделия.

Наиболее легким вариантом для плавления является муфельная печь. В емкость опускаются куски материала. После установки температуры плавления процесс можно наблюдать через специальное окошко. Установленная дверца позволяет удалять образованную в процессе оксидную пленку, для этого понадобиться заранее подготовленный металлический крюк.

Вторым способом плавления в домашних условиях является использование горелки или резака. Пропан – кислородное пламя отлично подойдет для работ с цинком или оловом. Куски материалов для будущего сплава помещаются в тигель, и нагреваются мастером произвольными движениями. Максимальная температура плавления меди может быть достигнута при взаимодействии с пламенем синего цвета.

Плавка меди в домашних условиях подразумевает работу с повышенными температурами. Приоритетом служит соблюдение техники безопасности. Перед любой процедурой следует одеть защитные огнеупорный перчатки и плотную, полностью закрывающую тело одежду.

Значение плотности меди

Плотность - это отношение массы к объему. Выражается она в килограммах на кубический метр всего объема. В виду неоднородности состава, значение плотности может меняться в зависимости процентного содержания примесей. Поскольку существуют разные марки медных прокатов с разным содержанием компонентов, то и значение плотности у них будет разное. Плотность меди можно найти в специализированных технических таблицах, которая равна 8,93х10 3 кг/м 3 . Это справочная величина. В этих же таблицах показан удельный вес меди, который равен 8,93 г/см 3 . Таким совпадением значений плотности и его весовых показателей характеризуются не все металлы.

Не секрет, что от плотности напрямую зависит конечная масса изготовленного изделия. Однако для расчетов гораздо правильнее использовать удельный вес. Этот показатель очень важен для производства изделий из меди или любых других металлов, но применим больше к сплавам. Он выражается отношением массы меди к объему всего сплава.

Расчет удельного веса

В настоящее время учеными разработано огромное количество способов, помогающих найти характеристики удельного веса меди, которые позволяют даже без обращения к специализированным таблицам вычислять этот немаловажный показатель. Зная его, можно с легкостью подобрать необходимые материалы, благодаря которым в конечном итоге можно получить нужную деталь с требуемыми параметрам. Это делается еще на стадии подготовки, когда планируется создать необходимую деталь из меди или ее содержащих сплавов.

Как уже говорилось выше, удельный вес меди можно подсмотреть в специализированном справочнике, но если под рукой такого нет, то его можно рассчитать по следующей формуле: вес делим на объем и получаем необходимую нам величину. Общими словами такое соотношение можно выразить как общее весовое значение к общему значению объема всего изделия.

Не стоит путать его с понятием плотности, так как он характеризует металл по-другому, хоть и имеет одинаковые значения показателей.

Рассмотрим, как можно вычислить удельный вес, если известна масса и объем медного изделия.

Например, имеем чистый медный лист толщиной 5 мм, шириной 2 м и длиной 1 м. Для начала посчитаем его объем: 5 мм * 1000 мм (1 м = 1000 мм) * 2000 мм, что составляет 10 000 000 мм 3 или 10 000 см 3 . Для удобства расчетов будем считать, что масса листа составляет 89 кг 300 грамм или 89300 грамм. Делим рассчитанный результат на объем и получаем 8,93 г/см 3 . Зная этот показатель, мы всегда с легкостью можем вычислить весовое содержание в меди того или иного сплава. Это удобно, например, для обработки металла.

Единицы измерения удельного веса

В разных системах измерения используются разные единицы для обозначения удельного веса меди:

В системе измерения СГС или сантиметр-грамм-секунда используется дин/см 3 .
В Международной СИ используются единицы н/м 3 .
В системе МКСС или метр-килограмм-секунда-свеча применяется кг/м 3 .

Первые два показателя равны между собой, а третий при конвертации равен 0,102 кг/м 3 .

Расчет веса с использованием значений удельного веса

Не будем уходить далеко и воспользуемся примером, описанным выше. Вычислим общее содержание меди в 25 листах. Поменяем условие и будем считать, что листы изготовлены из медного сплава. Таким образом, берем удельный вес меди из таблицы и он равен 8.93 г/см 3 . Толщина листа 5 мм, площадь (1000 мм * 2000 мм) составляет 2 000 000 мм, соответственно объем будет равняться 10 000 000 мм 3 или 10 000 см 3 . Теперь умножаем удельный вес на объем и получаем 89 кг и 300 гр. Мы вычислили общий объем меди, который содержится в этих листах без учета веса самих примесей, то есть общее весовое значение может быть больше.

Теперь умножаем рассчитанный результат на 25 листов и получаем 2 235 кг. Такие расчеты уместно использовать при обработке медных деталей, так как позволяют узнать, сколько меди всего содержится в изначальных объектах. Аналогичным образом можно рассчитать медные прутки. Площадь сечения провода умножается на его длину, где получим объем прутка, а далее по аналогии с вышеописанным примером.

Как определяется плотность

Плотность меди, как и плотность любого другого вещества, является справочной величиной. Она выражается соотношением массы к объему. Самостоятельно вычислить этот показатель весьма сложно, так как без специальных приборов состав проверить невозможно.

Пример расчета плотности меди

Выражается показатель в килограммах на кубический метр или в граммах на кубический сантиметр. Показатель плотности более полезен для производителей, которые на основе имеющихся данных могут скомпоновать ту или иную деталь с требуемыми свойствами и характеристиками.

Области использования меди

Благодаря физико-механическим свойствам, она широко используется для различных отраслей промышленности. Наиболее часто ее можно встретить в электротехнической области в качестве составляющей части электрического провода. Не меньшей популярностью она пользуется также в производстве систем отопления и охлаждения, электроники и системах теплового обмена.

В строительной отрасли она используется, прежде всего, для создания разного рода конструкций, которые получаются гораздо меньше по массе, чем из любых других аналогичным материалов. Часто ее используют для кровли, так как такие изделия обладают легкостью и пластичностью. Такой материал легко обрабатывается и позволяет менять геометрии профиля, что очень удобно.

Как уже говорилось выше, основное свое применение она находит в изготовлении электрических и иных токопроводящих кабелей, где она используется для изготовления жил проводов и кабелей. Обладая хорошей электропроводностью, она дает достаточное сопротивление электронам тока.

Широко используются также сплавы меди, например, сплав меди и золота повышает прочность последнего в разы.

На стенках медных прокатов никогда не образуются соляные отложения. Такое качество полезно для транспортировки жидкостей и паров.

На основе оксидов меди получают сверхпроводники, а в чистом виде она идет на изготовление гальванических источников питания.

Она входит в состав бронзы, которая обладает стойкостью к агрессивным средам, как морская вода. Поэтому часто ее используют в навигации. Также бронзовые продукты можно увидеть на фасадах домов, как элемент декора, так как такой сплав обрабатывается легко, так как очень пластичен.

Медь

Медь (лат. Cuprum) - химический элемент I группы периодической системы Менделеева (атомный номер 29, атомная масса 63,546). В соединения медь обычно проявляет степени окисления +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди. Важнейшие соединения меди: оксиды Cu 2 O, CuO, Cu 2 O 3 ; гидроксид Cu(OH) 2 , нитрат Cu(NO 3) 2 . 3H 2 O, сульфид CuS, сульфат(медный купорос) CuSO 4 . 5H 2 O, карбонат CuCO 3 Cu(OH) 2 , хлорид CuCl 2 . 2H 2 O.

Медь - один из семи металлов, известных с глубокой древности. Переходный период от каменного к бронзовому веку (4 - 3-е тысячелетие до н.э.) назывался медным веком или халколитом (от греческого chalkos - медь и lithos - камень) или энеолитом (от латинского aeneus - медный и греческого lithos - камень). В этот период появляются медные орудия. Известно, что при возведении пирамиды Хеопса использовались медные инструменты.

Чистая медь - ковкий и мягкий металл красноватого, в изломе розового цвета, местами с бурой и пестрой побежалостью, тяжелый (плотность 8,93 г/см 3), отличный проводник тепла и электричества, уступая в этом отношении только серебру (температура плавления 1083 °C). Медь легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы, но сравнительно мало активна. В сухом вохдухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатной температуре с галогенами, например с влажным хлором образует хлорид CuCl 2 , при нагревании с серой образует сульфид Cu 2 S, с селеном. Но с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная и разбавленная серная кислоты. Но в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах с образованием соотвествующих солей: 2Cu + 4HCl + O 2 = 2CuCl 2 + 2H 2 O.

В атмосфере, содержащей CO 2 , пары H 2 O и др., покрывается патиной - зеленоватой пленкой основного карбоната (Cu 2 (OH) 2 CO 3)), ядовитого вещества.

Медь входит более чем в 170 минералов, из которых для промышленности важны лишь 17, в том числе: борнит (пестрая медная руда - Cu 5 FeS 4), халькопирит (медный колчедан - CuFeS 2), халькозин (медный блеск - Cu 2 S), ковеллин (CuS), малахит (Cu 2 (OH) 2 CO 3). Встречается также самородная медь.

Плотность меди, удельный вес меди и другие характеристики меди

Плотность - 8,93*10 3 кг/м 3 ;
Удельный вес - 8,93 г/cм 3 ;
Удельная теплоемкость при 20 °C - 0,094 кал/град;
Температура плавления - 1083 °C ;
Удельная теплота плавления - 42 кал/г;
Температура кипения - 2600 °C ;
Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20 °C) - 16,7 *10 6 (1/град);
Коэффициент теплопроводности - 335ккал/м*час*град;
Удельное сопротивление при 20 °C - 0,0167 Ом*мм 2 /м;

Модули упругости меди и коэффициент Пуассона

СОЕДИНЕНИЯ МЕДИ

Оксид меди (I) Cu 2 O 3 и закись меди (I) Cu 2 O , как и другие соединения меди (I) менее устойчивы, чем соединения меди (II). Оксид меди (I), или закись меди Cu 2 O в природе встречается в виде минерала куприта. Кроме того, она может быть получена в виде осадка красного оксида меди (I) в результате нагревания раствора соли меди (II) и щелочи в присутствии сильного восстановителя.

Оксид меди (II) , или окись меди, CuO - черное вещество, встречающееся в природе (например в виде минерала тенерита). Его получают прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH) 2 CO 3 или нитрата меди (II) Cu(NO 2) 2 .
Оксид меди (II) хороший окислитель. Гидроксид меди (II) Cu(OH) 2 осаждается из растворов солей меди (II) при действии щелочей в виде голубой студенистой массы. Уже при слабом нагревании даже под водой он разлагается, превращаясь в черный оксид меди (II).
Гидроксид меди (II) - очень слабое основание. Поэтому растворы солей меди (II) в большинстве случаев имеют кислую реакцию, а со слабыми кислотами медь образует основные соли.

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. Водный раствор сульфата меди имеет характерный сине-голубой цвет. Эта окраска свойственна гидратированным ионам 2+ , поэтому такую же окраску имеют все разбавленные растворы солей меди (II), если только они не содердат каких-либо окрашенных анионов. Из водных растворов сульфат меди кристаллизуется с пятью молекулами воды, образуя прозрачные синие кристаллы медного купороса. Медный купорос применяется для электролитического покрытия металлов медью, для приготовления минеральных красок, а также в качестве исходного вещества при получении других соединений меди. В сельском хозяйстве разбавленный раствор медного купороса применяется для опрыскивания растений и протравливания зерна перед посевом, чтобы уничтожить споры вредных грибков.

Хлорид меди (II) CuCl 2 . 2H 2 O . Образует темно-зеленые кристаллы, легко растворимые в воде. Очень концентрированные растворы хлорида меди (II) имеют зеленый цвет, разбавленные - сине-голубой.

Нитрат меди (II) Cu(NO 3) 2 . 3H 2 O . Получается при растворении меди в азотной кислоте. При нагревании синие кристаллы нитрата меди сначала теряют воду, а затем легко разлагаются с выделением кислорода и бурого диоксида азота, переходя в оксид меди (II).

Гидроксокарбонат меди (II) (CuOH) 2 CO 3 . Встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивый изумрудно-зеленый цвет. Искусственно приготовляется действием Na 2 CO 3 на растворы солей меди (II).
2CuSO 4 + 2Na 2 CO 3 + H 2 O = (CuOH) 2 CO 3 ↓ + 2Na 2 SO 4 + CO 2
Применяется для получения хлорида меди (II), для приготовления синих и зеленых минеральных красок, а также в пиротехнике.

Ацетат меди (II) Cu (CH 3 COO) 2 . H 2 O . Получается обработкой металлической меди или оксида меди (II) уксусной кислотой. Обычно представляет собой смесь основных солей различного состава и цвета (зеленого и сине-зеленого). Под названием ярь-медянка применяется для приготовления масляной краски.

Комплексные соединения меди образуются в результате соединения двухзарядных ионов меди с молекулами аммиака.
Из солей меди получают разноообразные минеральные краски.
Все соли меди ядовиты. Поэтому, чтобы избежать образования медных солей, медную посуду покрывают изнутри слоем олова (лудят).

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Медь добывают из оксидных и сульфидных руд. Из сульфидных руд выплавляют 80% всей добываемой меди. Как правило, медные руды содержат много пустой породы. Поэтому для получения меди используется процесс обогащения. Медь получают методом ее выплавки из сульфидных руд. Процесс состоит из ряда операций: обжига, плавки, конвертирования, огневого и электролитического рафинирования. В процессе обжига большая часть примесных сульфидов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд пирит FeS 2 превращается в Fe 2 O 3 . Газы, образующиеся при обжиге, содержат CO 2 , который используется для получения серной кислоты. Получающиеся в процессе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Жидкий медный 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 (Au, Ag, Te и т.д.) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается сначала огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом примеси железа, цинка и кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. А медь разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.
Основным компонентом раствора при электролитическом рафинировании служит сульфат меди - наиболее распространенная и дешевая соль меди. Для увеличения низкой электропроводности сульфата меди в электролит добавляют серную кислоту. А для получения компактного осадка меди в раствор вводят небольшое количество добавок. Металлические примеси, содержащиеся в неочищенной ("черновой") меди, можно разделить на две группы.

1)Fe, Zn, Ni, Co. Эти металлы имеют значительно более отрицательные электродные потенциалы, чем медь. Поэтому они анодно растворяются вместе с медью, но не осаждаются на катоде, а накапливаются в электролите в виде сульфатов. Поэтому электролит необходимо периодически заменять.

2)Au, Ag, Pb, Sn. Благородные металлы (Au, Ag) не претерпевают анодного растворения, а в ходе процесса оседают у анода, образуя вместе с другими примесями анодный шлам, который периодически извлекается. Олово же и свинец растворяются вместе с медью, но в электролите образуют малорастворимые соединения, выпадающие в осадок и также удаляемые.

СПЛАВЫ МЕДИ

Сплавы , повышающие прочность и другие свойства меди, получают введением в нее добавок, таких, как цинк, олово, кремний, свинец, алюминий, марганец, никель. На сплавы идет более 30% меди.

Латуни - сплавы меди с цинком (меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%) - прочнее меди и менее подвержены окислению. При присадке к латуни кремния и свинца повышаются ее антифрикционные качества, при присадке олова, алюминия, марганца и никеля возрастает антикоррозийная стойкость. Листы, литые изделия используются в машиностроении, особенно в химическом, в оптике и приборостроении, в производстве сеток для целлюлознобумажной промышленности.

Бронзы . Раньше бронзами называли сплавы меди (80-94%) и олова (20-6%). В настоящее время производят безоловянные бронзы, именуемые по главному вслед за медью компоненту.

Алюминиевые бронзы содержат 5-11% алюминия, обладают высокими механическими свойствами в сочетании с антикоррозийной стойкостью.

Свинцовые бронзы , содержащие 25-33% свинца, используют главным образом для изготовления подшипников, работающих при высоких давлениях и больших скоростях скольжения.

Кремниевые бронзы , содержащие 4-5% кремния, применяют как дешевые заменители оловянных бронз.

Бериллиевые бронзы , содержащие 1,8-2,3% бериллия, отличаются твердостью после закалки и высокой упругостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих изделий.

Кадмиевые бронзы - сплавы меди с небольшим количества кадмия (до1%) - используют для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий и в машиностроении.

Припои - сплавы цветных металлов, применяемые при пайке для получения монолитного паяного шва. Среди твердых припоев известен медносеребряный сплав (44,5-45,5% Ag; 29-31%Cu; остальное - цинк).

ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИ

Медь, ее соединения и сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

В электротехнике медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы.

Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.

Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медь для изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока из красной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.

Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же, как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается, не отскакивает. Благодаря этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам.

Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов . Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO 4 . 5H 2 O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.

Медь – это металл, который был освоен людьми одним из первых и получил широкое применение благодаря низкой температуре плавления. Данный металл встречается в природе даже чаще, чем железо. Широкое использование меди началось сразу же за каменным веком. С.А. Семенов провел немало исследований, показавших, что применение орудия и инструментов, созданных из меди, дает значительно больше преимуществ, чем каменные.

В древности медь использовали не только в чистом виде, но и в сплавах с оловом, называя полученный металл бронзой. Бронза использовалась для изготовления орудий, инструментов, посуды и украшений, потому что являлась более прочной, чем медь.
Изначально добывалась медь не из сульфидной, а из малахитовой руды, потому что та требовала гораздо меньше дополнительной обработки. Для получения меди смесь малахитовой руды и угля размещали в глиняном сосуде, устанавливали емкость в небольшую яму, а затем поджигали уголь. Угарный газ, выделяющийся при сжигании угля, вырабатывал свободную медь из малахита. Уже примерно в 3 тысячелетии до н.э. на Кипре появились рудники, занимающиеся добычей и выплавкой меди.

Почему медь назвали именно так

На латинском языке медь звучит как Cuprum, и это название произошло от первого рудника с острова Кипр. Еще одно латинское название меди – Aes, что в переводе означает рудник.
Слово медь встречается уже в древнейших литературных произведениях, однако там оно не имеет четкого обозначения. Называть металл медью предложил В.И.Абаев, исходя из названия страны Мидия: *Мѣдь из ир. Мādа.
Алхимики изначально называли медь «Венера», хотя в более древних трактатах можно встретить и название «Марс».

Физические свойства меди

Медь – это высокопластичный металл, имеющий золотисто-розовый цвет. При взаимодействии с воздушной средой медь в довольно короткие сроки покрывается оксидной пленкой, придающей ей желтовато-красный оттенок.
Медь – это один из немногих металлов, имеющий цветовую окраску, ведь у большинства металлов она серебристая.
Медь обладает высокой теплопроводностью, а по электропроводности занимает второе место среди всех металлов. Кроме того, данный металл имеет высокий температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С.
Существует немало сплавов с медью: сплав с цинком – латунь, сплав с оловом – бронза, сплав с никелем – мельхиор и т.п.

Применение меди в производстве

Применение меди в производстве довольно обширно, ведь этот металл имеет значимые преимущества. Чаще всего медь используют:

В электрической технике – благодаря низкому удельному сопротивлению. В электротехнике применяется для изготовления кабелей и проводников.
Система охлаждения для тепловых трубок ноутбуков – используется из-за высокой теплопроводности.
Для создания труб – медь имеет высокую прочность и отлично подходит для обработки металлических изделий. Медные трубы отлично подходят в целях транспортировки газа и жидкостей. В некоторых странах медь – это основной материал для создания труб.
В ювелирном деле для создания украшений широко применяется данный металл, ведь он легко контактирует с другими драгоценными металлами.
Медь – идеальный проводник электричества и потому отлично подходит для индукционных установок. Как правило, индуктор выполняется из меди.

Сфера применения меди довольно обширная и не ограничивается только вышеописанными областями. На сегодняшний день медь – это широко распространенный металл, облегчающий задачу многих металлургических предприятий. Медь легко поддается такому виду термообработки как нагрев твч и пайка твч .

С 15 века индейцы Эквадора занимались плавкой меди, содержащей 99,5%, и создавали из них монеты. Монета, изготовленная индейцами, ходила по большей части Южной Америки, в том числе использовалась инками.
В Японии трубы из меди, проводящие газ, признаны самыми «сейсмостойкими».
Организм взрослого человека может содержать до 80 мг меди.
Учеными Польши было обнаружено, что в водоемах, содержащих медь, карпы имеют особо крупные размеры.

Вот мы и познакомились с таким универсальным и популярным металлом, как медь. Цена на медь на сегодняшний день достигают до 8000 долларов за тонну.