Меню

Энергия реакции окисления меди

Химические и физические свойства меди

Химические свойства меди определяются положением ее в периодической системе Д. И. Менделеева. Обозначение данного металла Cu (купрум, cuprum), он имеет 29-й порядковый номер, находится в первой группе (побочной подгруппе), в 4 большом периоде.

Выделяется отдельный ее вид: черновая медь, которая является при конвертировании продукта кислородом. Атомная (молярная) масса равна 63,5 г/моль, молекулярная масса — 63,5 а. е. м.

В зависимости от соединения, в котором металл находится, он может иметь валентность +1 и +2, но в редких случаях степень окисления может быть +3 и +5, что является исключением. Строение атома Cu и электронная формула показаны на рисунке:

Кристаллическая решетка меди представляет собой каркас в форме куба, который образован прямыми линиями. Решетка довольно прочная, молекулярная, так как в узлах находятся молекулы.

Физические свойства и характеристика

Медь в чистом виде – это довольно ковкий, тягучий, вязкий металл, имеющий красновато-коричневый цвет.

Его твердость достигается путем добавления в состав различных примесей. Она имеет высокую электропроводность и теплопроводность, но примеси, которые зачастую добавляют в сплав, ухудшают эти показатели.

Преимуществом данного металла является устойчивость к коррозии. Температура плавления равна 1085 градусов по Цельсию, а температура кипения – 2562 градуса. Плотность равна 8900 кг/м3. Удельный вес равен 8930 кг/м3.

Медь в чистом виде является диамагнетиком, то есть магнитными свойствами не обладает. Магнититься могут только ее сплавы, где концентрация непосредственно самой меди не более 50%.

С чем реагирует

Медь НЕ реагирует с водородом, углеродом, азотом, а так же кремнием.

Реагирует с кислотами и солями, оксидами, галогенами, кислородом и неметаллами, но не может реагировать со щелочами, так как находится в электрохимическом ряду после водорода. Так же не может реагировать с фтором, бромом, хлором.

Отношение к кислороду

По отношению к кислороду металл проявляет слабую активность, но при длительном нахождении на воздухе покрывается очень тонкой, почти незаметной зеленоватой пленкой, которая и является оксидом меди.

В зависимости от температуры, при которой протекает реакция, купрум образует 2 оксида: CuO и Cu2O.

Взаимодействие с водой

По причине того, что медь находится в ряду электрохимического напряжения после водорода, она не вытесняет водород из воды. Но если присутствует кислород, водород может вытеснять молекулы металла, за счет чего и происходит окислительно-восстановительная реакция.

Реакции с кислотами

Из-за своего положения в электрохимическом ряду, не вытесняет водород из кислот, поэтому некоторые из них на нее не действуют. Но при достаточном доступе кислорода, растворяются в них, образуя соответствующие кислотам соли.

Отношение к галогенам и неметаллам

С галогенами медь реагирует довольно хорошо. В обычных условиях изменения не особо заметны, но на поверхности со временем образуется очень тонкий слой галогенидов. А при повышенных температурах реакция происходит очень быстро и бурно.

Cu реагирует с серой, в зависимости от температуры образуются следующие сульфиды: Сu2S, CuS.

Может образовывать йодиды (с йодом).

Реакции с оксидами неметаллов

Медь может реагировать не со всеми оксидами неметаллов, что зависит от неметалла, температуры и других условий протекания химической реакции.

Читайте также:  Декоративные листы из меди

Химические свойства меди

Одновалетной

Ион Cu+ крайне неустойчив, особенно в водных растворах. Примерами одновалентной меди могут служить:

Двухвалентной

Это наиболее характерная степень окисления для меди. Так же более устойчивая и распространенная, например:

Трехвалентной

Наиболее редкая и нестабильная степень окисления этого металла, которая является исключением, например:

Заключение

Медь – распространенное вещество, которое незаменимо во многих отраслях, так как является очень гибким и плавким. Имеет высокие показатели, во многом сравнимые с железом, что позволяет изготавливать из нее многие незаменимые детали в производстве и механике.

Источник

Энергия реакции окисления меди

5. Взаимодействие меди и ее сплавов с кислородом, водородом

Диаграмма состояния системы медь — кислород

Диаграмма состояния меди с кислородом [до 60% (ат.) O2] по обобщенным литературным данным [21, 22] приведена на рис. 35, f. В системе существуют следующие фазы: твердый раствор на основе меди — до 0,03% (ат.) O2 при 1066 °С, Cu2O при 33,3% (ат.) O2, Cu4О3 при 42,9% (ат.) O2. На рис. 35,6 показана диаграмма состояния этой системы в координатах lgpO2 — Т, где рO2— парциальное давление кислорода, Па; Т — температура, К. Эта диаграмма позволяет судить о стабильности различных фаз: твердого раствора на основе меди — Cu(c), Cu2O (с) — куприта,CuО(с) — тенорита. При нагреве на воздухе (lg pO2= — 0,67) CuО диссоциирует при 1031 °С с образованием Cu2O, которая плавится конгруэнтно при 1134 °С.


Рис. 35. Диаграмма состояния сплавов системы медь — кислород

Кислород в меди и медных сплавах

( Чурсин В. M. Плавка медных сплавов (Физико-химические и технологические основы). — М.: Металлургия. -1982. -152 с.)

Растворение кислорода в меди можно описать уравнением

Константа равновесия реакции окисления

где aO, fO — активность и коэффициент активности кислорода в меди соответственно; СO — концентрация кислорода, % (ат.).

Коэффициент активности кислорода ƒ 0 O уменьшается с увеличением концентрации кислорода и понижением температуры расплава. В соответствии с полученными экспериментальными данными значения ƒ 0 O можно определить из следующего выражения:

В сплавах меди активность кислорода отличается от его активности в чистой меди. Активность кислорода в медных сплавах зависит от сродства элементов или примесей к кислороду (рис. 36) [23]. Большинство элементов, входящих в состав медных сплавов, снижает активность кислорода в расплавах. В сплавах, содержащих элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (Al, Si, Мn), активность кислорода очень мала [∼ 10 -6 % (ат.)]. Сплавы, содержащие элементы с меньшим сродством к кислороду (Zn, Fe, Sn, Со, Pb), имеют большее количество кислорода, и его активность составляет 10 -2 . 10 -5 % (ат.). В реальных условиях ведения плавки [при содержании кислорода в меди менее 0,4% (по массе)] коэффициент активности кислорода, учитывающий отклонение системы Cu-О от закона Генри, может быть принят равным единице. В конечном виде активность кислорода в сплаве меди с каким-либо компонентом Хi описывается выражением:

где ƒ xi O — коэффициент активности кислорода, учитывающий влияние элемента; [%O] — концентрация кислорода, % (по массе).


Рис. 36. Зависимость стандартных термодинамических потенциалов образования сплавов в меди от температуры

Читайте также:  Медь в составе организма

Для сравнительной оценки влияния различных элементов на активность кислорода в сплавах пользуются показателями параметров взаимодействия [О] и Xi при определенных температурах Т:

где е Xi O, — параметр взаимодействия при концентрации [О], % (по массе).

Параметр взаимодействия и коэффициент активности (которые имеют одни и те же знаки) могут иметь положительные и отрицательные значения в зависимости от природы Xi. На основе формулы (5) коэффициент активности кислорода в бинарном сплаве меди с Хi можно определить по соотношению

Это выражение тем точнее, чем ближе сплав к разбавленным растворам.

На рис. 37 приведены экспериментальные данные о влиянии некоторых элементов на активность кислорода в меди.


Рис. 37. Влияние элементов Хi на активность кислорода в меди при 1423 К

Данные в виде параметров взаимодействия и коэффициентов активности позволяют оценить влияние каждого компонента Xi на активность кислорода в бинарных сплавах Cu-Xi. В табл. 8 приведены активности кислорода аO в бронзах [23].


Таблица 8. Активность кислорода в бронзах при 1473 К

В бронзах, не содержащих цинка, активность кислорода относительно заметна (0,01. 0,02), поэтому эти бронзы необходимо тщательно раскислять, а оловянно-цинковые бронзы содержат очень мало кислорода (aO = 0,001÷0,002), что свидетельствует о заметной раскислительной способности цинка в бронзах.

Раскисление сплавов меди

Экспериментальные значения активности кислорода в сплавах меди позволяют сделать количественную оценку раскислительной способности элементов по отношению к меди [23]. С увеличением содержания элементов Pb, Ni, Sn, Zn, Р, Mn, Cr, В, Fe, Co и других активность кислорода в меди линейно уменьшается. Выделяются сильные раскисляющие способности углерода, фосфора, железа, марганца, хрома, бора, бериллия в меди. К раскис-лителям меди предъявляются следующие требования.

1. Сродство к кислороду у раскислителя R должно быть, выше, чем у меди, т. е. ΔGRO >ΔGCu2O.

2. Раскислитель не должен отрицательно влиять на свойства меди, в первую очередь на его механические свойства.

3. Продукт раскисления (оксид RO или другое соединение) должен хорошо удаляться из металла.

4. Раскислитель должен быть дешевым, недефицитным, легко вводиться в расплав.

При плавке медных сплавов, используемых для ювелирного и художественного литья, фосфор — наиболее часто применяемый раскислитель [в виде фосфористой меди, содержащей 7. 11% (по массе) Р]. Он хорошо растворяется в меди с образованием шлаковой фазы состава х Cu2O·у Р2О5.

Практика многолетней работы показывает целесообразность использования для раскисления небольших присадок фосфора (0,01. 0,1%) почти для всех сплавов меди. Изменение вязкости и поверхностного натяжения оказывает благоприятное влияние на литейные свойства расплава.

Важность раскисления сплавов меди имеет практическое значение при последующей обработке отливок. В меди, раскисленной фосфором, окисный слой независимо от температуры его образования отслаивается легче. В то же время установлено, что ряд элементов (Be, Mg, Al) сильно замедляют окисление меди из-за образования барьерного защитного слоя, тормозящего диффузию кислорода внутрь металла [24]. Заметно замедляют окисление меди кадмий и кремний, а также цинк и олово, но в больших концентрациях. Все это необходимо учитывать при изготовлении отливок из сплавов меди.

Читайте также:  Раствор сульфата меди цвет осадка

Диаграмма состояния системы медь — водород

Экспериментально определены фазовый состав и растворимость водорода в меди [25]. На рис. 38 приведена диаграмма состояния системы медь — водород при давлении водорода 100 мПа. Растворимость водорода в меди зависит от температуры и давления и может быть рассчитана по уравнению

где S TB H — растворимость водорода в твердой меди, см 3 /100 г;

pН2 — парциальное давление водорода, мПа; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); Т — температура, К.


Рис. 38. Диаграмма состояния сплавов системы медь — водород при давлении водорода 100 мПа

Водород в меди и медных сплавах

Водород, растворяясь в меди и сплавах на основе меди, отрицательно влияет на их свойства. Растворимость водорода в жидкой меди в широком интервале температур носит экспоненциальный характер. Процесс растворения водорода в системах Cu-Xi можно выразить уравнением

Константа равновесия процесса

где ƒ Xi H — коэффициент активности водорода в сплаве Cu-Xi при постоянных (одинаковых) температурах и давлении; [Н]Cu-Xi.- растворимость водорода в сплаве Cu-Хi.

Коэффициент активности ƒ Xi H рассчитывают по уравнению

где [Н]Cu — растворимость водорода в чистой меди.

Растворимость водорода в многокомпонентных сплавах можно рассчитывать по формуле, предложенной К. Вагнером [26]:

где [Н]СПЛ — растворимость водорода в сплавах, см 3 /100 г, при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; [Н]Cu— растворимость водорода в чистой меди, см 3 /100 г, при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; е Xi H — параметры взаимодействия при расчетной температуре и pН2 = 0,101 МПа; Хi — содержание легирующих компонентов, % (по массе).

Равновесную расчетную растворимость при меньших, реальных парциальных давлениях можно определить по выражению Сивертса: [Н] = КН2H2)1/2, где KH2 = [Н]СПЛ при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; pH2 — реальное парциальное давление водорода в плавильной атмосфере.


Рис. 39. Влияние элементов на растворимость водорода в жидкой меди при Т = 1423 К и рН2 = 0,101 МПа

Легирующие элементы в меди могут понижать, повышать или существенно не изменять величину растворимости кислорода в сплавах. Влияние элементов на растворимость водорода в жидкой меди показано на рис. 39 [23]. В системах медь — никель, медь — марганец, медь — железо с увеличением содержания легирующих элементов в сплаве растворимость водорода возрастает. В чистом марганце и никеле растворимость водорода значительно больше, чем в меди. В сплавах медь — никель [до 9% (по массе) Ni] и сплавах медь — марганец [до 18% (по массе) Mn] и в области давлений до 0,101 МПа соблюдается уравнение Сивертса. В сплавах медь — кремний, медь — олово, медь — цинк, медь — свинец растворимость водорода уменьшается. Исследованы следующие концентрационные интервалы, % (по массе): Si — до 10, олова — до 70, цинка — до 27, свинца — до 35. Свинец снижает растворимость водорода в меди особенно заметно в интервале концентраций 1. 5%. Установлено также, что алюминий уменьшает растворимость водорода в сплавах с медью [23].

Источник

Adblock
detector