Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение медь среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 128 pm — это 0,128 нм, поэтому около 3,91 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Медь находится в жидком состоянии в диапазоне 1477 K — от 1358 K до 2835 K.
Положение
История
Первый металл, использованный людьми. Отличный проводник электричества.
Медь стала первым металлом, который человечество начало использовать целенаправленно, около 9000 года до н. э. в Плодородном полумесяце. Археологические находки из Чайоню-Тепеси в Турции свидетельствуют о существовании медных бусин и инструментов, появившихся ещё до возникновения земледелия. В отличие от железа и алюминия, самородная медь встречается в природе в металлической форме, что позволяло древним людям обрабатывать её без сложных технологий плавки.
Около 5000 года до н. э. цивилизации Балкан и Ближнего Востока обнаружили, что нагревание определённых зелёных и синих пород (карбонатов меди) вместе с древесным углём позволяет получать чистый металлический медь. Это открытие положило начало халколиту (медному веку), коренным образом изменив развитие человеческих технологий. «Ледяной человек» (Эци), найденный в Альпах и живший около 3300 года до н. э., носил медный топор, свидетельствующий о развитой металлургии.
Бронза — сплав меди и олова — появилась около 3500 года до н. э. на Ближнем Востоке, положив начало бронзовому веку, который продолжался до 1200 года до н. э. Вероятно, это открытие произошло случайно, когда вместе плавили медные руды, содержащие олово. Бронза превосходила чистую медь по пригодности для изготовления оружия, инструментов и произведений искусства, способствуя развитию международных торговых сетей, поскольку цивилизации стремились найти источники олова.
Шумерские тексты, датируемые 2500 годом до н. э., описывают сложные методы обработки меди, включая литьё по выплавляемым моделям и состав сплавов. «Штандарт Ура» и бесчисленные артефакты свидетельствуют о мастерстве шумеров в металлургии меди и бронзы. Месопотамские купцы создали торговые пути от Афганистана (олово) до Кипра (медь).
Остров Кипр в древнем мире стал синонимом меди, дав металлу его латинское название «cuprum» (от «aes cyprium» — металл Кипра). Римские рудники на Кипре работали более 1500 лет, добывая медь, благодаря которой строилась империя. Римские инженеры использовали медь для чеканки монет, водопровода, кровельных работ и создания произведений искусства, сохранившихся до наших дней.
Египетские металлурги достигли поразительного мастерства, создавая медные трубы для дренажных систем храмов и сложные изделия из бронзы. Папирус Эдвина Смита (1600 год до н. э.) описывает медицинское применение соединений меди для лечения инфекций, предвосхищая современные антимикробные методы на 3600 лет.
Европейские экспедиции отчасти были обусловлены поиском меди и других металлов. Испанские конкистадоры столкнулись с развитой металлургией меди в Северной и Южной Америке, где коренные народы независимо разработали сложные технологии. Медный регион на Верхнем полуострове Мичигана поставлял медь армии Союза во время Гражданской войны.
Открытие электричества превратило медь из полезного металла в незаменимый материал. Эксперименты Michael Faraday с электромагнитной индукцией (1831) продемонстрировали потенциал электричества, а системы распределения электроэнергии Thomas Edison сделали медную проводку необходимой. Бессемеровский процесс (1856) позволил наладить крупномасштабное производство стали, создав спрос на медь для паровых двигателей и промышленного оборудования.
Antoine Lavoisier включил медь в свой революционный труд «Элементы химии» (1789), признав её фундаментальным элементом. Атомная теория John Dalton (1803) создала теоретическую основу для понимания свойств меди. Рентгеновская кристаллография выявила гранецентрированную кубическую структуру меди, объяснив её исключительные электрическую проводимость и теплопроводность.
Эпоха электричества создала беспрецедентный спрос на медь. Компании Westinghouse и General Electric конкурировали в разработке систем электроснабжения переменного тока, требовавших огромного количества медного провода. Первая и Вторая мировые войны продемонстрировали стратегическое значение меди, что привело к созданию государственных запасов и программ переработки. Развитие холодильной техники, кондиционирования воздуха и электроники ещё больше расширило применение меди.
Применение
Исключительная электропроводность меди (уступающая только серебру) делает её незаменимой для энергосистем по всему миру. Линии электропередачи доставляют электричество от электростанций в города, используя проводимость меди 59.6 MS/m. Электродвигатели — от холодильников до промышленных насосов — работают на медных обмотках, которые преобразуют электрическую энергию в механическое движение с эффективностью более 95%. Электротехническая промышленность потребляет 65% мирового производства меди.
Медные трубы поставляют чистую воду уже более 4000 лет, естественным образом уничтожая бактерии и вирусы благодаря олигодинамическому эффекту. В современных домах медная сантехника используется благодаря надёжности, устойчивости к коррозии и антимикробным свойствам. В больничных системах водоснабжения всё чаще используют медь для предотвращения распространения Legionella и других патогенов, передающихся через воду. Системы ионизации медью и серебром очищают воду в бассейнах и космических аппаратах.
Теплопроводность меди (401 W/m·K) обеспечивает эффективную работу теплообменников в кондиционерах, автомобильных радиаторах и промышленных процессах. Медная посуда обеспечивает непревзойдённое распределение тепла на профессиональных кухнях. Конденсаторы электростанций используют медно-никелевые сплавы для передачи отработанного тепла от паровых турбин охлаждающей воде, повышая эффективность выработки электроэнергии.
Бронза (медь-олово) положила начало бронзовому веку цивилизации 5000 лет назад и по-прежнему необходима для подшипников, гребных винтов судов и архитектурных элементов. Латунь (медь-цинк) используется для создания музыкальных инструментов с идеальной акустикой и судовой арматуры, устойчивой к коррозии в солёной воде. Бериллиевая бронза используется для изготовления искробезопасных инструментов для взрывоопасных сред и пружин, сохраняющих натяжение десятилетиями.
EPA признаёт медь единственной твёрдой поверхностью, которая непрерывно уничтожает бактерии, вирусы и грибки. Дверные ручки, поручни и каркасы кроватей в больницах изготавливают из медных сплавов, что позволяет снизить число инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, до 58%. Исследования COVID-19 показывают, что медные поверхности инактивируют вирус в течение 4 часов, что приводит к их более широкому применению в общественных местах.
Естественная патина меди создаёт характерный зелёный цвет Статуи Свободы, многочисленных церковных куполов и современных архитектурных элементов. Фальцевая медная кровля служит более 100 лет, приобретая красивое сине-зелёное окисление. Frank Lloyd Wright и другие архитекторы выбирали медь за её долговечность, технологичность и меняющуюся эстетическую привлекательность.
Медные катализаторы обеспечивают синтез метанола, производство фармацевтических препаратов и переработку нефтехимического сырья. Реакция Ульмана использует медь для образования связей углерод-углерод при производстве лекарств. Сульфат меди применяется для контроля водорослей при очистке воды и обеспечивает растения необходимыми микроэлементами в сельском хозяйстве.
Откуда он происходит
60 мг/кг земной коры · более распространён, чем 79% элементов
Медь занимает 25-е место по распространённости среди элементов в земной коре: её содержание составляет 60 частей на миллион, однако для образования экономически значимых концентраций необходимы геологические процессы, увеличивающие местную распространённость в 100 раз. В Чили находится 28% мировых запасов, главным образом в пустыне Атакама, где засушливые условия сохраняют сульфидные руды. В Перу, Китае и Демократической Республике Конго находятся дополнительные крупные месторождения, сформированные различными геологическими процессами.
Порфировые месторождения обеспечивают 75% мировой добычи меди и формируются мощными гидротермальными системами, связанными с вулканизмом в зонах субдукции. Медный рудник Чукикамата в Чили — крупнейший в мире медный карьер — служит примером таких гигантских систем, в которых магматические флюиды переносили медь на протяжении миллионов лет. В этих месторождениях медь часто сопровождают молибден, золото и серебро, образуя полиметаллические рудные тела.
Погружающиеся океанические плиты порождают богатые медью магмы, которые внедряются в вышележащую земную кору в виде порфировых штоков. Гидротермальные флюиды при температуре 300–600°C переносят медь в виде хлоридных комплексов, откладывая халькопирит (CuFeS₂) и борнит (Cu₅FeS₄) в сетях трещин. Для этого процесса необходимы определённые температура, давление и химические условия, которые возникают главным образом на сходящихся границах плит.
Медный пояс Замбии и Демократической Республики Конго содержит пластообразные медные месторождения, сформированные в древних рифтовых бассейнах. Меденосные флюиды мигрировали через осадочные породы, осаждая халькозин (Cu₂S) и малахит [Cu₂CO₃(OH)₂] в восстановительной среде. Эти месторождения обеспечивали медью африканские цивилизации тысячи лет назад.
Месторождения кипрского типа формируются на срединно-океанических хребтах, где гидротермальные источники осаждают сульфиды меди на морском дне. Остров Кипр дал меди её название (латинское «cuprum») благодаря масштабной древней добыче из этих месторождений. Современными аналогами служат «чёрные курильщики» — источники, концентрирующие медь, цинк и свинец в полиметаллических сульфидах.
Полуостров Кивино в Мичигане содержит крупнейшие в мире месторождения самородной меди, где металлическая медь встречается в природе без химического соединения с другими элементами. Древние докембрийские базальты создали восстановительные условия, в которых чистая медь отложилась в миндалинах и трещинах. Коренные американцы добывали эту медь на протяжении 7000 лет, изготавливая инструменты и украшения, которыми торговали по всей Северной Америке.
Медь образуется в результате медленного захвата нейтронов (s-процесс) в звёздах асимптотической ветви гигантов, а также в ходе взрывного нуклеосинтеза в сверхновых типа II. Соотношение изотопов Cu-63/Cu-65 даёт сведения о химической эволюции галактики и звёздных процессах. Метеориты содержат медь в сульфидных агрегатных состояниях, что указывает на её присутствие во время формирования Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад.
Морская вода содержит 0,25 частей на миллиард меди, необходимой морским организмам, но токсичной в более высоких концентрациях. Полиметаллические конкреции на дне глубоководных океанов накапливают медь на протяжении миллионов лет, поскольку металлы осаждаются из морской воды. Гидротермальные системы срединно-океанических хребтов непрерывно переносят медь между мантией и океанами, поддерживая глобальное геохимическое равновесие.
Медь служит необходимым микроэлементом для всех форм жизни, участвуя в работе таких ферментов, как цитохромоксидаза и супероксиддисмутаза. Растения нуждаются в меди для фотосинтеза и обмена железа, а животным она необходима для формирования соединительной ткани и транспорта железа. Доступность меди в почве влияет на продуктивность сельского хозяйства и состояние экосистем.
Выветривание сульфидов меди создаёт впечатляющие вторичные минералы. Азурит [Cu₃(CO₃)₂(OH)₂] образует ярко-синие кристаллы, а малахит [Cu₂CO₃(OH)₂] — насыщенные зелёные полосчатые узоры. Хризоколла формирует сине-зелёные силикатные массы, а куприт (Cu₂O) образует тёмно-красные октаэдрические кристаллы. Эти красочные минералы привлекают людей на протяжении тысячелетий.
Обращение
OSHA PEL: 1 mg/m³ для медных паров, 1 mg/m³ для медной пыли и аэрозолей (8-часовое средневзвешенное по времени значение). NIOSH REL: 1 mg/m³ для соединений меди, 0.1 mg/m³ для медных паров для предотвращения лихорадки от металлических паров. ACGIH TLV: 0.2 mg/m³ для медных паров с учётом повышенного риска сенсибилизации дыхательных путей при сварке и высокотемпературных работах.
Лихорадка от медных паров поражает сварщиков и работников, занятых обработкой металлов, подвергающихся воздействию паров оксида меди, вызывая гриппоподобные симптомы, включая жар, озноб, мышечные боли и металлический привкус. Симптомы обычно начинаются через 4-12 часов после воздействия и проходят в течение 24-48 часов. Лихорадка понедельника утром возникает, когда работники теряют устойчивость к воздействию за выходные. Профилактика требует достаточной вентиляции и защиты органов дыхания при проведении горячих работ.
Попадание сульфата меди внутрь вызывает сильное раздражение желудочно-кишечного тракта, тошноту, рвоту и потенциально смертельное поражение печени при дозах свыше 10-20 граммов. Болезнь Wilson — генетическое заболевание, поражающее 1 из 30,000 человек, — препятствует нормальному выведению меди, приводя к опасному накоплению меди в печени и мозге. Симптомы включают заболевания печени, неврологические нарушения и характерные кольца Kayser-Fleischer в глазах.
Вдыхание: немедленно выйти на свежий воздух, наблюдать за появлением отсроченных симптомов со стороны дыхательной системы, обратиться за медицинской помощью при сохраняющемся кашле или затруднённом дыхании. Контакт с кожей: промыть водой с мылом, снять загрязнённую одежду. Контакты с глазами: промывать чистой водой в течение 15 минут, обратиться за медицинской помощью при сохраняющемся раздражении. Попадание внутрь: не вызывать рвоту, дать воду или молоко, немедленно обратиться за медицинской помощью.
Норма EPA для питьевой воды: уровень принятия мер 1.3 mg/L для меди в системах общественного водоснабжения. Более высокие концентрации вызывают желудочно-кишечные расстройства и могут указывать на коррозию водопровода. Токсичность для водных организмов: медь чрезвычайно токсична для рыб и водных беспозвоночных, поэтому растворы, содержащие медь, и промышленные сточные воды требуют осторожной утилизации и очистки.
Храните медные материалы в сухих условиях, чтобы предотвратить окисление и образование пыли. Для операций шлифовки и резки требуется местная вытяжная вентиляция для контроля медной пыли. При сварке и пайке твёрдым припоем необходимы специализированные системы вытяжки сварочных паров. Регулярная уборка предотвращает накопление медной пыли, которое может создать опасность для органов дыхания или привести к образованию горючей пылевоздушной смеси.
Работникам, подвергающимся значительному воздействию меди, необходимы исходные и периодические тесты функции печени, общий анализ крови и оценка состояния дыхательной системы. Уровни меди в сыворотке крови и церулоплазмина помогают выявить чрезмерное всасывание. Раннее выявление болезни Wilson у работников позволяет обеспечить надлежащее медицинское наблюдение и предотвратить серьёзные осложнения.
Краткие ответы
Медь (символ Cu) — элемент 29 в периодической таблице, представитель семейства переходный металл в 4 периоде, 11 группе. Первый металл, выплавленный человеком, и по-прежнему нервная система электрифицированного мира. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 18, 1.Медь плавится при 1357.8 K (1084.6 °C) и кипит при 2835 K (2561.9 °C).
Стандартная атомная масса Медь составляет 63.546 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Медь составляет 8.96 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Медь примерно в 9× тяжелее.
Электроотрицательность Медь по шкале Полинга составляет 1.9. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Медь известен с древности — он встречается в форме, пригодной для использования без выплавки, поэтому нельзя приписать его открытие какому-либо одному человеку. Название происходит от латинское cuprum, от названия Кипра.
На долю Медь приходится около 60 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.