Медь и ее сплавы

     Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

    Тема, конечно, звучит несколько обыденно. Ну, медь, ну металл. Ну что нового, кроме кучки сухих цифр может предоставить такая работа для изучения? Это не о культуре разглагольствовать, не о высоких материях вспоминать – тут нужна чёткость, сухость…

    Примерно  такие мысли возникали у меня в голове, когда реферат только начинал создаваться. Но, как это часто случается в нашем нелепом мире, всё повернулось совсем по-другому. У металла, название которого мы слышим каждый день, к которому давно привыкли и не обращаем на него никакого внимания, оказалась богатая история, а где эта история берёт своё начало – про то не ведает ни один человек на нашей планете. В принципе, мы, обладая достаточно развитой фантазией, можем представить себе всё, что происходило в далёком прошлом. Мы мысленно можем увидеть, как совершенно дикий человек, закутанный, быть может, в звериные шкуры идёт по горам, сжимая в кулаке каменный топор. Как человек натыкается на странный для него камень красноватого оттенка и начинает стучать по нему своим топором. Мы можем увидеть, как из обрабатываемого куска меди постепенно появляется копия топора каменного, который затем будет выброшен за ненадобностью. Так медный век подошёл к колыбели человечества, так прогресс набирал свою скорость.

    Медь, использовавшаяся на заре человечества и сопровождавшая его на протяжении тысячелетий, используется и по сей день. В современном мире, она занимает видное место, равно как и её сплавы, речь о которых ещё зайдёт позже. В моём реферате была предпринята попытка предоставить исчерпывающие сведения по данной теме. Надеюсь, мне это удалось. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История меди 

    Первое  знакомство человека с медью произошло, очевидно, в доисторические времена. В природе медь иногда встречается  в самородном состоянии в виде отдельных кристаллов, кусочков и крупных кусков. Самый крупный из когда-либо найденных самородков меди весил 420 т. Интересно отметить, что у некоторых крупных самородков меди, найденных еще в древности, иногда выступающие части обрублены... каменными топорами. Нетрудно представить, сколько усилий потратили первобытные люди для этой операции. Как известно, вначале человек освоил камень. Из камня он научился делать свои первые орудия и в том числе каменный топор. С помощью каменного топора впоследствии, возможно, был изготовлен... медный топор. Таким образом, медь стала одним из первых металлов, который человек начал применять в своей сознательной деятельности. Медь хорошо была известна в доисторические времена людям, населявшим районы Северной Америки. Там, на побережье Гудзонова залива и берегах Верхнего Озера, находили большие самородки меди и обрабатывали ее холодным способом. Этот способ обработки самородной меди сохранился у индейцев до времен Колумба.

         Но самородки меди встречаются  редко, и уже за несколько  тысяч лет до нашей эры человек нашел способ получения меди из медных руд. У египтян, например, медь была известна очень давно и уже при первых фараонах(4000- 5000 лет до н. э.) добыча меди производилась в рудниках Синайского полуострова. С глубокой древности известны медные руды на острове Кипр в Средиземном море. Ученые полагают, что научное название меди "купрум" происходит от наименования острова Кипр, где были медные рудники древних римлян.

         Русское слово "медь", по  мнению некоторых исследователей, произошло от слова "смида", которое у некоторых древних племен, населявших европейскую часть бывшей территории СССР, обозначал вообще металл.

         Опыт применения этого металла  показывал людям древности малую  твердость меди, что заставляло  задумываться над способами улучшения ее качества. Случайное образование сплава меди с оловом при обработке некоторых руд, содержащих медь и олово вместе, не прошло мимо внимания первобытных "металлургов". Преимущества полученного таким образом сплава послужили толчком к искусственному его воспроизводству.

         Это открытие, по-видимому, было сделано  в Месопотамии (Ирак), откуда впоследствии  распространилось по странам  Ближнего и Дальнего Востока.  Название сплава меди с оловом - бронза - имеет значительно более  позднее происхождение и связано с названием небольшого итальянского торгового городка Бриндизи на берегу Адриатического моря. Среди предметов торговли были и изделия из бронзы от латинского "Эс брундуси", т. е. медь из Бриндизи. Бронза тверже меди, более легкоплавка, устойчива на воздухе, легко полируется, хорошо отливается в формы.

    Медный  век длился около тысячи лет –  вдвое меньше, чем бронзовый. Характерно, что в Греции культура меди зародилась позже, чем в Египте, а бронзовый  век наступил раньше. Руда, из которой  выплавляли медь египтяне, не содержала олова. Грекам в этом отношении повезло больше. Они добывали «оловянный камень» иногда там же, где и медную руду. Открытие бронзы произошло, по-видимому, случайно, однако большие твердость и плотность, а также относительная легкоплавкость (добавка 15%Sn снижает температуру плавления меди с 1083 до 960°C) позволили бронзе быстро вытеснить медь из многих производственных сфер.  

         В практическую деятельность  человека вошла бронза, положив  начало бронзовому веку. Изделия  из бронзы отливались у ассирийцев, египтян, индусов и других народов древности. Однако цельные бронзовые статуи древние мастера научились отливать не раньше пятого века до нашей эры. Некоторые из этих произведений искусства достигали гигантских размеров. Таким, например, был разрушенный землетрясением в 227 г. до нашей эры Колосс Родосский- достопримечательность древнего порта Родоса, находившегося на одноименном самом восточном острове Эгейского моря. Созданный Харесом около 290 г. до н. э. в честь бога солнца Гелиоса, 32-метровый Колосс Родосский стоял над входом во внутреннюю гавань порта. Самые крупные суда свободно проходили под ним с развернутыми парусами.

         Высокого мастерства в получении  литья из бронзы достигли японцы. Достаточно указать на гигантскую  статую Будды в храме Тодайдзи весом более четырехсот тонн, отлитую в 749 г., чтобы судить, на каких высотах мастерства находились японские литейщики.

         Дошедшие до наших дней статуи (Марк Аврелий, Дискобол, Спящий  сатир, Никея и. др.) свидетельствуют  о большом распространении и значении бронзы в искусстве древнего мира.

         Медь широко использовалась для  разнообразных нужд. По свидетельству  историков древности, в Александрии  изготовляли фальшивые "золотые"  монеты. За 330 лет до нашей эры  Аристотель писал: "В Индии добывают медь, которая отличается от золота только своим вкусом". Аристотель, конечно, ошибался, но следует, однако, отдать должное его наблюдательности. Вода из золотого сосуда, действительно, не имеет вкуса. Некоторые медные сплавы по внешнему виду трудно отличимы от золота, например томпак. Однако жидкость в сосуде из такого сплава имеет металлический привкус. О таких подделках медных сплавов под золото, очевидно, и говорит Аристотель в своих произведениях.

         Не только сама медь, или медные сплавы, были известны древним. Химические анализы древних фресок, произведенные английским химиком Г. Дэви, доказывают наличие в них уксуснокислой меди в виде ярко-зеленой краски, известной с давних времен под названием ярь-медянки. Эта краска найдена в живописи терм (бань) римского императора Тита и в стенных фресках Помпеи. В списках товаров, вывозившихся из древней Александрии, значится "медная зелень", представлявшая, между прочим, предмет роскоши. С помощью этой краски древние модницы подводили зеленые круги под глазами - тогда такой "грим" считали красивым.

         В старину медными листами  покрывались купола многих московских  храмов. Одно из величайших сооружений  мировой архитектуры XVI в.- колокольня  Ивана Великого, находящаяся в  центре Московского Кремля, увенчана луковичной формы главой, покрытой позолоченными листами из чистой меди. Расположенная под главой трехстрочная надпись славянской вязью также выполнена на медных листах по синему фону медными позолоченными буквами.

         Медными листами покрыта и южная дверь Успенского собора - главного храма древней Руси.

         После того как во второй  половине XVI в. француз Христофор  Планети - крупнейший издатель  и владелец типографии в Антверпене  и Лейдене - ввел для воспроизведения  иллюстраций гравюру на меди, этот металл стал в больших количествах расходоваться в книгопечатании.

    Медь - металл многочисленных сплавов. Вот, например, состав некоторых бронз: 90% меди и 10% олова - пушечный металл, еще  сравнительно недавно он применялся для отливки артиллерийских орудий; сплав, содержавший 77-80% меди, 20-23% олова и 1-4% свинца под названием колокольного металла, употреблялся для отливки колоколов. 

         Из колокольного металла состоит  один "часовой" и 10 "четвертных" колоколов, звон которых ежедневно  передается со Спасской башни Московского Кремля. Вес "четвертных" колоколов ее колеблется от 300 до 350 кг, "часовой" колокол весит 2160 кг. Колокола отлиты в XVII-XVIII вв., все они украшены художественным орнаментом, некоторые имеют надписи. Одна из них гласит: "Сей колокол для битья четвертей Спасской башни вылит в 1769 г., майя 27 дня. Весу 21 пуд. Лил мастер Семен Можжухин".

         Из художественной бронзы состоит  и находящийся в юго-западном  углу Успенского собора в Московском  Кремле чудесный образец мастерства русских умельцев - изящный шатер ажурного литья, выполненный в 1625 г. котельных дел мастером Димитрием Сверчковым. В шатре - гробница патриарха Гермогена, замученного в 1612 г. польско-шляхетскими интервентами. 

Распространение меди в природе. Месторождения 

    Металлы подгруппы меди обладают небольшой  химической активностью, поэтому они  находятся частично в виде химических соединений, а частично в свободном  виде, особенно золото.

    Медь  в далекие геологические эпохи, очевидно, находилась только в виде сернистых соединений – халькопирита (или ) и халькозина . Объясняется это тем, что медь обладает довольно большим химическим сродством к сере, в настоящее время сульфиды – наиболее распространенные минералы меди. При высоких температурах, например в районах вулканической деятельности, под действием избытка кислорода происходило превращение сульфидов меди в окислы, например: .

    При температуре ниже 1000⁰C происходило образование окиси меди, которая в небольших количествах встречается в природе: .

    Самородная (металлическая) медь, очевидно, возникла в природе при сильном нагревании частично окисленных сернистых руд. Можно представить, что после  землетрясений, грандиозных извержений окисленные минералы меди были погребены под толстым слоем горных пород и нагревались за счет земного тепла. При этом происходило взаимодействие окислов с сульфидами: .

    Подобные  процессы протекают при выплавке меди на металлургических заводах. Такие природные “металлургические заводы” выплавляют громадные количества меди: самый крупный из найденных самородков весил 420 т. По-видимому, в меньших масштабах взаимодействие окислов некоторых металлов с сульфидами идет и в настоящее время, например в районе некоторых Курильских островов.

    Некоторые другие минералы меди получились из окисных  руд. Например, под действием влаги  и двуокиси углерода происходила  гидратация окиси меди и образование  основных карбонатов: .

    В лаборатории мы эти процессы не наблюдаем, так как они идут медленно. В  “лаборатории” природы сроки  в несколько тысяч лет совершенно незначительны. В дальнейшем под  влиянием давления вышележащих горных пород и некоторого нагревания происходило уплотнение основного карбоната меди, и он превратился в изумительный по красоте минерал – малахит. Особенно красив полированный малахит. Он бывает окрашен от светло-зеленого до темно-зеленого цвета. Переходы оттенков причудливы и создают фантастический рисунок на поверхности камня.

    Переход нерастворимых сульфидных соединений меди в раствор мог осуществляться за счет взаимодействия растворов сульфата железа (III): .

    Растворы  сульфата железа, как указано выше, получаются в природе при действии воды, насыщенной кислородом, на пирит. Эти процессы медленно идут в природе и в настоящее время.

    Медь  входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны  лишь 17. Для производства меди наибольшее значение имеют халькопирит (он же – медный колчедан) CuFeS₂, халькозин (медный блеск) Cu₂S, ковеллин CuS, борнит (пестрая медная руда) Cu₅FeS₄. Иногда встречается и самородная медь. Распространение меди в земной коре – 4,7*10^-3 %  по массе (10¹⁵ - 10¹⁶ тонн).

    Соединения  элементов подгруппы меди распределены в земной коре неравномерно, что объясняется различием в геологических условиях, сложившихся в различных местах земного шара. Богатейшие месторождения меди имеются в Конго (Катангский пояс). Материалы, собранные археологами о древнейших месторождениях датируются тысячелетиями до новой эры. Древнейшие выработки меди на территории нашей страны найдены в Закавказье, на побережье Балхаша, в многочисленных пунктах Сибири.

    Планомерные поиски месторождений меди начинаются при Иване III, Иване Грозном и особенно при Петре I. При Иване Грозном в Олонецкий уезд был послан новгородский гость (купец) Семен Гаврилов “для сыску медные руды”, где она и была найдена. В 1652 г. Казанский воевода сообщил царю: “Медные руды… сыскано много и заводы к медному делу заводим”. [2, с.26] Из документов следует, что с 1562 по 1664 г. было послано из “Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд. 6 гривенков”. В 1702 г. стала выходить первая русская газета “Ведомости”, которую, очевидно, редактировал Петр I. 2 января 1703 г. в ней писали: “Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти и медной руды, из той руды меди выплавили изрядно, отчего чают не малую прибыль Московскому государству”.