Калий — девятый по химической распространенности элемент в земной коре. Содержится только в связанном виде в минералах, морской воде (до 0,38 г ионов К+ в 1 л), растениях и живых организмах (внутри клеток). В организме человека имеется = 175 г калия, суточная потребность достигает ~4г. Радиоактивный изотоп 40К (примесь к преобладающему стабильному изотопу 39К) распадается очень медленно (период полураспада 1 • 109лет), он, наряду с изотопами 238U и 232Тh, вносит большой вклад в геотермический запас нашей планеты (внутренняя теплота земных недр).
Медь.
От (лат. Cuprum), Сu, химический элементподгруппы 16 периодической системы; атомный номер 29, атомная масса 63,546 относится кпереходным металлам. Природная медь представляет собойсмесь нуклидов с массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%).
Распространённость в природе. Среднее содержание меди в земной коре 4,7-10~3% по массе.
В земной коре медь встречается как в виде самородков, так и в виде различных минералов. Самородки меди, порой значительных размеров, покрыты зелёным или голубым налётом и необычайно тяжелы по сравнению с камнем; самый большой самородок массой около 420 т был найден в США в районе Великих Озёр (рисунок). Подавляющая часть меди присутствует в горных породах в виде соединений. Известно более 250 минералов, содержащих медь. Промышленное значение имеют: халькопирит (медный колчедан) СuFeS2, ковеллин (медный индиго) Сu2S, халькозин (медный блеск) Сu2S, куприт Сu2О, малахит СuСОз*Си(ОН)2 и азурит 2СиСОз*Си(ОН)2. Почти все минералы меди ярко и красиво окрашены, например халькопирит отливает золотом, медный блеск имеет синевато- стальной цвет, азурит - густо синий со стеклянным блеском, а кусочки ковеллина отливают всеми цветами радуги. Многие из медных минералов - поделочные и драгоценные камни -самоцветы; очень высоко ценятся малахит и бирюза СuА16(РO4)4(ОН)8*5Н2O. Наиболее крупные месторождения медных руд находятся в Северной и Южной Америке (гл. обр. в США, Канаде, Чили, Перу, Мексике), Африке (Замбия, ЮАР), Азии (Иран, Филиппины, Япония). В России залежи медных руд имеются на Урале и Алтае.
Медные руды обычно полиметаллические: помимо меди они содержат Fe, Zn, Рb, Sn, Ni, Мо, Аu, Аg, Sе, платиновые металлы и др.
Историческая справка. Медь известна с незапамятных времён и входит в «великолепную семёрку» древнейших металлов, используемых человечеством, - это золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть. По археологическим данным, медь была известна людям уже 6000 лет назад. Она оказалась первым металлом, заменившим древнему человеку камень в первобытных орудиях труда. Это было начало т.наз. медного века, который длился около двух тысячелетий. Из меди выковывали, а потом и выплавляли топоры, ножи, булавы, предметы домашнего обихода. По преданию, античный бог-кузнец Гефест выковал для непобедимого Ахилла щит из чистой меди. Камни для 147-метровой пирамиды Хеопса также были добыты и отёсаны медным инструментом.
Древние римляне вывозили медную руду с острова Кипр, отсюда и произошло латинское название меди - «купрум». Русское название «медь», по-видимому, связано со словом «смида», что в древности означало «металл».
В рудах, добываемых на Синайском полуострове, иногда попадались руды с примесью олова, что привело к открытию сплава меди с оловом -бронзы. Бронза оказалась более легкоплавкой и твёрдой, чем сама медь. Открытие бронзы положило начало длительному бронзовому веку (4-1-е тысячелетия до н. э.).
Свойства. Медь - металл красного цвета. Т.пл. 1083 "С, т. кип. 2567 °С, плотность 8,92 г/см . Это пластичный ковкий металл, из него можно прокатать листочки в 5 раз тоньше папиросной бумаги. Медь хорошо отражает свет, прекрасно проводит тепло и электричество, уступая только серебру.
Конфигурация внешних электронных слоев атома меди 3d104s1(d-элемент). Хотя медь и щелочные металлы находятся в одной и той же I группе, их поведение и свойства сильно различаются. С щелочными металлами медь сближает только способность образовывать одновалентные катионы. При образовании соединений атом меди может терять не только внешний s-электрон, но один или два d-электрона предшествующего слоя, проявляя при этом более высокую степень окисления. Для меди степень окисления +2 более характерна, чем +1.
Металлическая медь малоактивна, в сухом и чистом воздухе стабильна. Во влажном воздухе, содержащем СО2, на её поверхности образуется зеленоватая плёнка Сu(ОН)2*СuСОз, называемая патиной. Патина придаёт изделиям из меди и ее сплавов красивый «старинный» вид; сплошной налёт патины, кроме того, защищает металл от дальнейшего разрушения. При нагревании меди в чистом и сухом кислороде происходит образование чёрного оксида СиО; нагревание выше 375°С приводит к красному оксиду Сu2О. При нормальной температуре оксиды меди на воздухе устойчивы.
В ряду напряжений медь стоит правее водорода, и поэтому она не вытесняет водород из воды и в бескислородных кислотах не. Растворяться в кислотах медь может только при её одновременном окислении, например в азотной кислоте или концентрированной серной кислоте:
ЗСu + 8НNO3 = ЗСu(NO3)2 + 2NО + 4Н2O
Сu + 2Н2S04 = СиSO4 + SO2 + 2Н2O
Фтор, хлор и бром реагируют с медью, образуя соответствующие дигалогениды, например:
Сu + Сl2 = СuСl2
При взаимодействии нагретого порошка меди с йодом получается иодид Сu(I), или моноиодид меди:
2Сu +I2 = 2СuI
Медь горит в парах серы, образуя моносульфид СиS. С водородом при нормальных условиях не взаимодействует. Однако, если образцы меди содержат микропримеси оксида Си2O, то в атмосфере, содержащей водород, метан или оксид углерода, происходит восстановление оксида меди до металла:
Сu2O+ Н2 = 2Сu + Н2O
Сu2O+ СО = 2Сu + СO2
Выделяющиеся пары воды и СO2 вызывают появление трещин, что резко ухудшает механические свойства металла («водородная болезнь»). Соли одновалентной меди - хлорид СuСl, сульфит Сu2SOз, сульфид Сu2S и другие - как правило, плохо растворяются в воде. Для двухвалентной меди существуют соли практически всех известных кислот; наиболее важные из них - сульфат СuSO4, хлорид СuСl2, нитрат Сu(NОз)2.Все они хорошо растворяются в воде, а при выделении из неё образуют кристаллогидраты, например СuСl2*2Н2O, Си(NOз)2*6Н2O, Си804-5Н20. Цвет солей - от зелёного до синего, т. к. ион Сuв воде гидратируется и находится в виде голубого аква-иона [Сu(Н2O)6]2+, который и определяет цвет растворов солей двухвалентной меди.
Одну из важнейших солей меди - сульфат- получают растворением металла в нагретой разбавленной серной кислоте при продувании воздуха:
2Сu + 2Н2SO4 + O2 = 2СuSO4 + 2Н2O
Безводный сульфат бесцветен; присоединяя воду, он превращается в медный купорос СuSO4-5Н2O - лазурно-синие прозрачные кристаллы. Благодаря свойству сульфата меди изменять окраску при увлажнении его используют для обнаружения следов воды в спиртах, эфирах, бензинах и др.
При взаимодействии соли двухвалентной меди с щёлочью образуется объёмный осадок голубого цвета - гидроксид Сu(ОН)2. Он амфотерный: в концентрированной щёлочи растворяется с образованием соли, в которой медь находится в виде аниона, например:
Сu(ОН)2 + 2КОН = К2[Сu(ОН)4]
В отличие от щелочных металлов, для меди характерна склонность к комплексообразованию - ионы Сu и Сu2+ в воде могут образовывать комплексные ионы с анионами (Сl-, СN-), нейтральными молекулами (NH3) и некоторыми органическими соединениями. Эти комплексы, как правило, ярко окрашены и хорошо растворяются в воде.
Получение и применение. Ещё в 19 в. медь выплавляли из руд, содержащих не менее 15% металла. В настоящее время богатые медные руды практически исчерпаны, поэтому медь гл. обр. получают из сульфидных руд, содержащих лишь 1-7% меди. Выплавка металла - длительный и многоступенчатый процесс.
После флотационной обработки исходной руды концентрат, содержащий сульфиды железа и меди, помещают в медеплавильные отражательные печи, нагреваемые до 1200 °С. Концентрат плавится, образуя т. наз. штейн, содержащий расплавленные медь, железо и серу, а также твёрдые силикатные шлаки, всплывающие на поверхность. В выплавленном штейне в виде СuS содержится около 30% меди, остальное - сульфид железа и сера. Следующая стадия - превращение штейна в т. наз. черновую медь, которое осуществляют в горизонтальных конвертерных печах, продуваемых кислородом. Сначала окисляется FeS; для связывания получающегося оксида железа в конвертер добавляют кварц - при этом образуется легко отделяемый силикатный шлак. Затем окисляется СuS, превращаясь в металлическую медь, и выделяется SO2:
СuS + O2 = Сu + SO2
После удаления воздухом SO2 оставшуюся в конвертере черновую медь, содержащую 97- 99% меди, разливают в формы и затем подвергают электролитической очистке. Для этого слитки черновой меди, имеющие форму толстых досок, подвешивают в электролизных ваннах, содержащих раствор медного купороса с добавлением Н2SO4. В тех же ваннах подвешены и тонкие листы чистой меди. Они служат катодами, а отливки из черновой меди - анодами. Во время прохождения тока на аноде происходи растворение меди, а на катоде - её выделение:
Сu - 2е = Сu2+
Сu2+ + 2е = Сu
Примеси, в том числе серебро, золото, платина, выпадают на дно ванны в виде илообразной массы (шлама). Выделение из шлама благородных металлов обычно окупает весь этот энергоёмкий процесс. После такого рафинирования полученный металл содержит 98-99% меди.
Медь издавна применялась в строительстве: древние египтяне строили медные водопроводы; крыши средневековых замков и церквей покрывали листовой медью, например знаменитый королевский замок в Эльсиноре (Дания) покрыт кровельной медью. Из меди изготовляли монеты и украшения. Благодаря малому электрическому сопротивлению медь является главным металлом электротехники: больше половины всей получаемой меди идёт на производство электрических проводов для высоковольтных передач и слаботочных кабелей. Даже ничтожные примеси в меди приводят к повышению её электрического сопротивления и большим потерям электроэнергии.