В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.
Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное значение.
Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется медный колчедан (халькопирит) CuFeS2. В природе он встречается главным образом в смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si, Al, Ca и др. Часто сульфидные руды содержат примеси благородных металлов (Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных элементов (Ge и др.).
Содержание меди в руде обычно составляет 1—5%, но благодаря легкой флотируемости халькопирита его можно обогащать, получая концентрат, содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее крупные запасы медных руд сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане, Средней Азии, Африке (Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).
4. Получение.
Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный).
В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего родства меди к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.
На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь подачи 300 м2 и более (30 м; 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).
Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.
Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы (35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.
Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической меди и SO2. Эту черновую медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления растворённой в ней Cu2O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой.
Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллурги-ческие методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора меди, либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.
5. Физические свойства.
Техническая медь — металл красного, в изломе розового цвета, при просвечивании в тонких слоях — зеленовато-голубой. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,36074 нм, плотность 8,96 кг/м3 (20° С). Ионные радиусы меди (в нм) приведены ниже:
| По Белову и Бокию | По Гольдшмидту | По Полингу | |
| Cu+ | 0,098 | 0,095 | 0,096 |
| Cu2+ | 0,080 | 0,070 | — |
Основные физические свойства меди
Температура плавления, °С1083
Температура кипения, °С2600
Теплота плавления, кДж/г-ат.0,7427
Теплота испарения, кДж/г-ат.17,38
Удельная теплоемкость, Дж/(г.град) (20°С)0,022
Теплопроводность, Дж/(м.град.с) (20°С)2,25-10-3
Электрическое сопротивление, Ом.м (20°С)1,68-Ю-4
Удельная магнитная восприимчивость,0,086.10-6
абс. эл.-магн. ед./г (18 °С)
Медь — вязкий, мягкий и ковкий металл, уступающий только серебру высокой теплопроводностью и электропроводностью. Эти качества, а также пластичность и сопротивление коррозии обусловили широкое применение меди в промышленности.
6. Химические свойства.
Медь — электроположительный металл. Относительную устойчивость ее ионов можно оценить на основании следующих данных:
Cu2+ + e → Cu+E0 = 0,153 B,
Сu+ + е → Сu0 E0 = 0,52 В,
Сu2+ + 2е → Сu0 E0 = 0,337 В.
Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами и не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь растворяется в азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц. H2SO4 — с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь растворяется только при продувании через раствор воздуха.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди в водных растворах по отношению к водородному электроду при 25° С приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди.
| Уравнение полуреакции | EL В |
| HCuO2- + ЗН+ + е = Сu+ + 2Н2О | 1,73 |
| CuO22-+ 4Н+ + е = Сu+ + 2Н2О | 2,51 |
| HCuO2- + ЗН+ + 2е = Сu0 + 2Н2О | 1,13 |
| СuО22-+4Н+ +2е = Сu0 + 2Н2О | 1,52 |
| 2Сu2+ + Н2О + 2е = Сu2О + 2Н+ | 0,20 |
| 2НСuО2- + 4Н+ + 2е = Сu2О + ЗН2О | 1,78 |
| 2CuO22- + 6Н+ +2е = Сu2О + ЗН2О | 2,56 |
| СuО + 2Н+ + е = Сu+ + Н20 | 0,62 |
| Сu2+ + Вr - + е = СuВr | 0,64 |
| Сu2+ + Сl- + е =CuCl | 0,54 |
| Сu2+ + I- + е =CuI | 0,86 |
| Cu(NH3)42+ + е = Cu(NH3)2+ + 2NH3 | -0,01 |
| Cu(NH3)2++ е = Сu0 + 2NH3 | -0,12 |
| Cu(NH3)42+ + 2e = Cu0 + 4NH3 | -0,07 |
Химическая активность меди невелика, при температурах ниже 185°С с сухим воздухом и кислородом не реагирует. В присутствии влаги и СО2 на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление; ниже 375°С образуется СuО, а в интервале 375—1100°С при неполном окислении меди — двухслойная окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с медью уже при комнатной температуре, образуя хлорид меди(II), хорошо растворимый в воде. Медь реагирует и с другими галогенами.