post

Мед и металургия на медта

Химичният елемент мед (Cu) съществува в природата под формата на просто вещество (метал) и химични съединения. За първи път в човешката история, метална мед е била обработена около 9000-та годинa преди новата ера в земите на днешен Ирак. Между петото и четвъртото хилядолетие пр.н.е. тя се е превърнала в металът определящ някои от цивилизационните насоки на развитие на човечеството. Затова този период е известен под названието Медна епоха (още каменно-медна, енеолит, халколит).

химичен елемент мед

химичен елемент мед (1Б група, 11 група на ПС)

Във варненския халколитен некропол, заедно с най-старото обработено злато в света, са намерени множество медни предмети от същата ера. До мумията на Йоци – леденият човек от Алпите също е открита медна брадва, която може да бъде датирана около 3350 пр.н.е.

Приблизително към 4500-та пр. Христа, хората за първи път са започнали да сплавят мед с калай, в резултат на което се е получила сплав наречена бронз. През второто и първото хилядолетие, широката употреба на бронза става причината периодът да бъде наречен Бронзова епоха.

Физични свойства

При стайна температура медта е в твърдо агрегатно състояние, като нейната твърдост превъзхожда тази на другите два метала от 1Б група на Периодичната система. Елементът се класифицира като преходен метал (d-елемент) и простото му вещество се отличава с добра ковкост, изтегливост, електропроводимост и топлопроводимост. Металната мед е червена на цвят и притежава метален блясък.

От изотопите на медта само два са стабилни 63Cu и 65Cu, а всички останали са радиоактивни и някои от тях се използват при позитрон-емисионната томография в медицината.

Химични свойства

За да се окисли на въздуха, медта трябва да се нагрее, като при по-ниски температури (около 300°С) се получава меден оксид, който обаче ако продължи да се нагрява при по-висока температура, се превръща в димеден оксид и се отделя кислород.

Cu +  O2 → 2CuO (черен меден оксид)

4CuO → 2Cu2O (розов димеден оксид) +  O2

Със сярата медта реагира също директно при нагряване и се получава бинерното съединение меден сулфид.

Cu +  S → CuS (меден сулфид)

патина върху медното тяло на Статуята на свободата

синьо-зеленият цвят на Статуята на свободата се дължи на патината, която покрива медните ѝ листи

Реакция между мед и халогени може да протече директно. Този тип взаимодйствие се използва например за получаването промишлено на меден хлорид и меден дихлорид.

(при темп. 450–900 °C) 2Cu +  Cl2 → 2CuCl (меден хлорид)

Cu +  Cl2 → CuCl2 (меден дихлорид)

При наличие на влага във въздуха се образува така наречената патина. Тя е повърхностно покритие от основен меден карбонат (малахит, Cu2CO3(OH)2), основен меден сулфат (Cu4SO4(OH)6) и основен меден бикарбонат (Cu3(CO3)2(OH)2) получили се в резултат от взаимодействието на въглероден диоксид, сяра и мед в присъствието на влага.

2CuО + H2O + CO2 → Cu2CO3(OH)2 (зелен)

3CuО + H2O + 2CO2 → Cu3(CO3)2(OH)2 (син)

4CuO + 3H2O + SO3 → Cu4SO4(OH)6 (зелен)

Медта не реагира с киселини, които имат слабо окислително действие, но може да взаимодейства със солна киселина, с оцетна киселина и да се разтваря в концентрирани оксокиселини.

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 (меден сулфат) + SO2  + H2O

Без наличието на окислител медта не реагира с основи, но в присъствието на кислород взаимодейства с цианиди или амоняк.

 4Cu + 8NH+ O2 + H2O → 4[Cu(NH3)2]OH

 

Металургия на медта

Суровини за производството на мед са предимно медните руди, които съдържат сяра – халкопирит (CuFeS2), халкозин (Cu2S), ковелин (CuS), а освен това малахит (CuCO3.Cu(OH)2), куприт (Cu2O) и др. Освен това, те включват и редица ценни метали в състава си, като злато, платина, сребро, рений, молибден и др.

Природно срещащите се руди имат относително ниско медно съдържание. Обикновено то варира между половин и 1-2 процента и рядко повече. Поради тази причина преди да започне извличането на металите, рудата се обогатява флотационно. При процеса се цели отстраняването на голяма част от скалните минерали. Съдържанието на медта в новополучения концентрат се увеличава до 15-40 %.

Медната промишленост използва два основни метода за добив на мед: пирометалургичен и хидрометалургичен.

Пирометалургичен метод за производството на мед

При пирометалургичния метод за производство на метална мед се използва концентрат с медно съдържание до 15%. Обработката протича на няколко етапа: пържене, стапяне, конвертиране и рафиниране. Целта е да се намалят загубите на мед и редица ценни метали. При преработката на медната руда се отделят и други вещества като арсен, антимон и желязо. Затова повишеното арсеново съдържание в косата на Йоци доказва, че той е участвал в металургичното производство на собствените си сечива.

Пържене и стапяне

Пърженето на концентрата е силно екзотермично и при него се отстранява повече от 50% от сярата под формата на серен диоксид. В пържилна пещ с кипящ слой се внасят концентрат и въздух. В нея при температури от около 1300°С протичат процесите на преработка. Пърженето и стапянето се извършват едновременно, като се получават меден камък и шлака. За процеса на стапяне се използват кокс и флюси.

Меден камък (от немски купферщaйн) е смес от желязо и медни сулфиди, като част от желязотo преди това се отстранява под формата на силикати.

2CuO + FeS + SiO2 + C → Cu2S + FeSiO3 + CO

получаване на черна мед

получаване на черна мед

Конвертиране

Медният камък се сипва в меден конвертор, много наподобяващ бесемеров конвертор за получаване на стомана. При преработката в него се вдухва въздух и кварцов пясък. Образуват се меден концентрат и конверторна шлака при температури близки до тези в пържилната пещ. Шлаката се отстранява системно, като се връща в началото на процеса за повторна преработка, за да няма загуби на метал. Процесите протичащи в конвертора са следните:

2Cu2S + 3O→ 2Cu2O + 2SO2

Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2

2FeS + 2SiO2 + 3O2 → 2FeSiO3 + 2SO2

Получената в конвертора се нарича черна мед и е с ниска чистота (98-99%). В нейния състав са включени и останалите ценни метали, които са били изначално в медната руда.

Рафиниране 

Рафинирането включва два процеса – пирометалургичен и електрохимичен (електролиза). Пирорафинирането протича в огнева ванна пещ, която се нагрява с електричество или газ. Черната мед се стопява и продухва с въздух, за да се отделят повечето от химически активните метали. Рафинираната мед достига чистота по-висока от 99,5%, но все още съдържа ценни метали и други съставки. Тя се излива в специални форми, като отливките се използват при окончателното ѝ пречистване.

стоманени катоди с електролитна мед по тях (99,99% чистота)

стоманени катоди с електролитна мед по тях (99,99% чистота)

Медните плочи се потапят в електролизна вана за окончателно рафиниране и извличане на благородните метали. В процеса на електролиза, медта изпълнява ролята на анод. За електролит се използва разтвор на меден сулфат (CuSO4) смесен със сярна киселина. Тъй като в него попадат другите метални примеси при разрушаването на анода, налага се електролитът непрекъснато да се подменя. Благородните метали се утаяват на дъното на ваната във формата на шлам, от който впоследствие се извличат. Чистата електролитна мед се натрупва на катода, който също е направен от чиста електролитна мед (или неръждаема стомана).

След електролизата катодите се изваждат, измиват и се стапят в специални електропещи. Поученият метал се излива на кюлчета и има чистота от порядъка на 99,94 – 99,95%.

Хидрометалургичен метод за производство на мед

Хидрометалургичният метод се използва за руди с малко съдържание на мед. При него екологичният риск е силно ограничен, а медните суровини се разтварят в сярна киселина, а също може в солна или азотна. Полученият разтвор се очиства от примеси, като ценните елементи се извличат. След това, ако разтворената мед е с концентрация около 30 грама на литър, тя отива за електролизно извличане, при което обаче се използва неразтворим анод.

Ако обаче концентрацията на медните йони е по-малка от 10 грама на литър, тогава се използва процес наречен циментация. При него медният разтвор минава проточно през резрвоар с желязо под формата на метални стружки. Осъществява се окислително-редукционен процес, при който медните йони редуцират степента си на окисление до нулева и се отделят като метална мед, а желязото се разтваря под формата на йони. Медната утайка се извлича и пречиства.

Биотехнологично медта също може да бъде извличана от бедни и отпадъчни суровини на медни сулфиди. За целта се използват култури от микроорганизми, които преработват сулфидите до сулфати. В течение на процеса се получават медни катиони разтворени във вода. Те се утаяват като метална мед чрез циментация, след което медната утайка се пречиства. Биотехнологичният подход е времеемък, но изключително изгоден от финансова и екологична гледна точка.

Приложение на медта

мед 11 група, медта се използва дори за кухненски съдове и готварска посуда

медта се използва дори за кухненски съдове и готварска посуда

Медта основно се използва в качеството си на проводник на електрически ток. Но този метал има множество други приложения. Освен в различните си сплави, той се употребява за изработката на съдове, покриви и статуи. При дестилацията на алкохол, метална мед се използва за направата на дестилационните казани, тръби и серпентини. В множество валути, монетите имат различно медно съдържание. Куршумите на редица оръжия също съдържат мед. Рециклирането на метала е важен и доходоносен процес.

Под формата на медни йони, този елемент намира също голямо разпространение както в неживата, така и в живата природа. Характерно заболяване съпроводено с натрупване на мед в човешките тъкани е болестта на Уилсън. Лечението се осъществява посредством извличането на медта от тялото.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *