Медь — химический элемент ; имеет символ Cu (от латинского cuprum ) и атомный номер 29. Это мягкий, ковкий и пластичный металл с очень высокой тепло- и электропроводностью . Свежеобработанная поверхность чистой меди имеет розовато-оранжевый цвет . Медь используется как проводник тепла и электричества, как строительный материал и как компонент различных металлических сплавов , таких как стерлинговое серебро , используемое в ювелирных изделиях , мельхиор, используемый для изготовления морского оборудования и монет , и константан, используемый в тензодатчиках и термопарах для измерения температуры.
Медь — один из немногих металлов, которые могут встречаться в природе в непосредственно используемой металлической форме ( самородные металлы ). Это привело к очень раннему использованию человеком в нескольких регионах, примерно с 8000 г. до н. э . Тысячи лет спустя, это был первый металл, выплавленный из сульфидных руд, примерно с 5000 г. до н. э .; первый металл, отлитый в форму в форме, примерно с 4000 г. до н. э .; и первый металл, намеренно сплавленный с другим металлом, оловом , для создания бронзы , примерно с 3500 г. до н. э . [9]
Наиболее часто встречающимися соединениями являются соли меди(II), которые часто придают синий или зеленый цвет таким минералам, как азурит , малахит и бирюза , и которые исторически широко использовались в качестве пигментов.
Медь, используемая в зданиях, обычно для кровли, окисляется, образуя зеленую патину соединений, называемую вердигрис . Медь иногда используется в декоративном искусстве , как в форме элементарного металла, так и в соединениях в качестве пигментов. Соединения меди используются в качестве бактериостатических агентов , фунгицидов и консервантов древесины .
Медь необходима всем живым организмам как микроэлемент в рационе , поскольку она является ключевым компонентом дыхательного ферментного комплекса цитохром с оксидазы . У моллюсков и ракообразных медь является компонентом пигмента крови гемоцианина , заменяемого железо-комплексным гемоглобином у рыб и других позвоночных . У людей медь в основном содержится в печени, мышцах и костях. [10] Тело взрослого человека содержит от 1,4 до 2,1 мг меди на килограмм веса тела. [11]
В римскую эпоху медь добывалась в основном на Кипре , происхождение названия металла от aes cyprium (металл Кипра), позже искаженного до cuprum (лат.). Coper ( древнеанглийский ) и copper произошли от этого, более позднее написание впервые было использовано около 1530 года. [12]
Медь, серебро и золото находятся в группе 11 периодической таблицы; эти три металла имеют один s-орбитальный электрон поверх заполненной d- электронной оболочки и характеризуются высокой пластичностью , а также электро- и теплопроводностью. Заполненные d-оболочки в этих элементах вносят небольшой вклад в межатомные взаимодействия, в которых доминируют s-электроны через металлические связи . В отличие от металлов с неполными d-оболочками, металлические связи в меди не имеют ковалентного характера и являются относительно слабыми. Это наблюдение объясняет низкую твердость и высокую пластичность монокристаллов меди. [13] В макроскопическом масштабе введение протяженных дефектов в кристаллическую решетку , таких как границы зерен, затрудняет течение материала под приложенным напряжением, тем самым увеличивая его твердость. По этой причине медь обычно поставляется в мелкозернистой поликристаллической форме, которая имеет большую прочность, чем монокристаллические формы. [14]
Мягкость меди частично объясняет ее высокую электропроводность (59,6 × 10 6 См /м ) и высокой теплопроводностью, второй по величине (после серебра) среди чистых металлов при комнатной температуре. [15] Это связано с тем, что сопротивление переносу электронов в металлах при комнатной температуре возникает в первую очередь из-за рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки, которые относительно слабы в мягком металле. [13] Максимально возможная плотность тока меди на открытом воздухе составляет приблизительно3,1 × 10 6 А/м 2 , выше которого он начинает чрезмерно нагреваться. [16]
Медь — один из немногих металлических элементов с естественным цветом, отличным от серого или серебристого. [17] Чистая медь имеет оранжево-красный цвет и приобретает красноватый налет при контакте с воздухом. Это происходит из-за низкой плазменной частоты металла, которая находится в красной части видимого спектра, заставляя его поглощать более высокочастотные зеленый и синий цвета. [18]
Как и в случае с другими металлами, если медь контактирует с другим металлом в присутствии электролита , произойдет гальваническая коррозия . [19]
Медь не реагирует с водой, но она медленно реагирует с кислородом воздуха, образуя слой коричнево-черного оксида меди, который, в отличие от ржавчины , которая образуется на железе во влажном воздухе, защищает лежащий под ним металл от дальнейшей коррозии ( пассивации ). Зеленый слой яри-медянки (карбоната меди) часто можно увидеть на старых медных конструкциях, таких как кровля многих старых зданий [20] и Статуя Свободы . [21] Медь тускнеет при воздействии некоторых соединений серы , с которыми она реагирует, образуя различные сульфиды меди . [22]
Существует 29 изотопов меди.63
Cu
и65
Cu
стабильны, с63
Cu
Состоит приблизительно из 69% встречающейся в природе меди; оба имеют спин 3 ⁄ 2 . [23] Другие изотопы радиоактивны , наиболее стабильным из которых является67
Cu
с периодом полураспада 61,83 часа. [23] Было охарактеризовано семь метастабильных изомеров ;68м
Cu
является самым долгоживущим с периодом полураспада 3,8 минуты. Изотопы с массовым числом выше 64 распадаются по β − , тогда как те, у которых массовое число ниже 64 распадаются по β + .64Cu, период полураспада которого составляет 12,7 часов, распадается в обоих направлениях. [24]
62
Cu
и64
Cu
имеют важное прикладное значение.62
Cu
используется в62
Cu
Cu-PTSM как радиоактивный индикатор для позитронно-эмиссионной томографии . [25]
Медь производится в массивных звездах [26] и присутствует в земной коре в пропорции около 50 частей на миллион (ppm). [27] В природе медь встречается в различных минералах, включая самородную медь , сульфиды меди, такие как халькопирит , борнит , дигенит , ковеллин и халькозин , сульфосоли меди, такие как тетраэдит-теннантит и энаргит , карбонаты меди, такие как азурит и малахит , и в виде оксидов меди (I) или меди (II), таких как куприт и тенорит , соответственно. [15] Самая большая обнаруженная масса элементарной меди весила 420 тонн и была найдена в 1857 году на полуострове Кивино в Мичигане, США. [27] Самородная медь представляет собой поликристалл , при этом самый большой из когда-либо описанных монокристаллов имеет размеры 4,4 × 3,2 × 3,2 см . [28] Медь является 26-м наиболее распространенным элементом в земной коре , составляя 50 ppm по сравнению с 75 ppm для цинка и 14 ppm для свинца . [29]
Типичные фоновые концентрации меди не превышают1 нг/м 3 в атмосфере;150 мг/кг в почве;30 мг/кг в растительности; 2 мкг/л в пресной воде и0,5 мкг/л в морской воде. [30]
Большая часть меди добывается или извлекается в виде сульфидов меди из крупных открытых карьеров в порфировых медных месторождениях, которые содержат от 0,4 до 1,0% меди. К таким объектам относятся Chuquicamata в Чили, Bingham Canyon Mine в штате Юта, США, и El Chino Mine в Нью-Мексико, США. По данным Британской геологической службы , в 2005 году Чили была крупнейшим производителем меди с не менее чем одной третью мировой доли, за ней следовали США, Индонезия и Перу. [15] Медь также можно извлекать с помощью процесса подземного выщелачивания . Несколько объектов в штате Аризона считаются основными кандидатами для этого метода. [31] Количество используемой меди увеличивается, а доступного количества едва достаточно, чтобы позволить всем странам достичь уровня использования в развитом мире. [32] Альтернативным источником меди для сбора, который в настоящее время исследуется, являются полиметаллические конкреции , которые находятся на глубине Тихого океана примерно на 3000–6500 метров ниже уровня моря. Эти конкреции содержат другие ценные металлы, такие как кобальт и никель . [33]
Медь используется уже не менее 10 000 лет, но более 95% всей меди, когда-либо добытой и выплавленной , было извлечено с 1900 года. [34] Как и в случае со многими природными ресурсами, общее количество меди на Земле огромно: около 10 14 тонн находится в верхнем километре земной коры, что составляет около 5 миллионов лет при нынешних темпах добычи. Однако лишь малая часть этих запасов экономически выгодна при современных ценах и технологиях. Оценки запасов меди, доступных для добычи, варьируются от 25 до 60 лет в зависимости от основных предположений, таких как темпы роста. [35] Переработка является основным источником меди в современном мире. [34]
Цена на медь нестабильна . [36] После пика в 2022 году цена неожиданно упала. [37]
Мировой рынок меди является одним из наиболее товаризированных и финансиализированных товарных рынков , и так было на протяжении десятилетий. [38] : 213
Подавляющее большинство медных руд являются сульфидами. Обычными рудами являются сульфиды халькопирит (CuFeS2 ) , борнит (Cu5FeS4 ) и , в меньшей степени, ковеллин (CuS) и халькозин (Cu2S ) . [39] Эти руды встречаются на уровне <1% Cu. Требуется концентрирование руды, которое начинается с измельчения с последующей пенной флотацией . Оставшийся концентрат является плавленым, что можно описать двумя упрощенными уравнениями: [40]
Закись меди реагирует с сульфидом меди, превращаясь в черновую медь при нагревании
Этот обжиг дает матовую медь, примерно 50% Cu по весу, которая очищается электролизом. В зависимости от руды, иногда в процессе электролиза получают другие металлы, включая платину и золото.
Помимо сульфидов, еще одно семейство руд — оксиды. Примерно 15% мировых поставок меди происходит из этих оксидов. Процесс обогащения оксидов включает экстракцию растворами серной кислоты с последующим электролизом. Параллельно с вышеуказанным методом для «концентрированных» сульфидных и оксидных руд медь извлекается из шахтных хвостов и отвалов. Используются различные методы, включая выщелачивание серной кислотой, аммиаком, хлоридом железа. Также используются биологические методы. [40] [41]
Значительным источником меди является переработка. Переработка облегчается, поскольку медь обычно используется в металлическом состоянии. В 2001 году типичный автомобиль содержал 20–30 кг меди. Переработка обычно начинается с некоторого процесса плавки с использованием доменной печи. [40]
Потенциальным источником меди являются полиметаллические конкреции, концентрация которых оценивается в 1,3%. [42] [43]
Как и алюминий , медь подлежит вторичной переработке без потери качества, как из сырого состояния, так и из готовых изделий. [44] По объему медь является третьим наиболее перерабатываемым металлом после железа и алюминия. [45] По оценкам, 80% всей когда-либо добытой меди все еще используется сегодня. [46] Согласно отчету Международной ресурсной группы « Запасы металлов в обществе» , глобальный запас меди на душу населения, используемый в обществе, составляет 35–55 кг. Большая часть из них находится в более развитых странах (140–300 кг на душу населения), а не в менее развитых странах (30–40 кг на душу населения).
Процесс переработки меди примерно такой же, как и при извлечении меди, но требует меньше этапов. Высокочистый медный лом плавится в печи , а затем восстанавливается и отливается в заготовки и слитки ; лом более низкой чистоты очищается путем гальванизации в ванне с серной кислотой . [47]
Экологические издержки добычи меди оценивались в 3,7 кг CO2eq на кг меди в 2019 году. [48] Codelco, крупный производитель в Чили, сообщил, что в 2020 году компания выбросила 2,8 т CO2eq на тонну (2,8 кг CO2eq на кг) чистой меди. [49] Выбросы парниковых газов в основном возникают из-за электроэнергии, потребляемой компанией, особенно при использовании ископаемого топлива, а также от двигателей, необходимых для добычи и очистки меди. Компании, занимающиеся добычей полезных ископаемых, часто неправильно обращаются с отходами, делая территорию бесплодной для жизни. Кроме того, близлежащие реки и леса также подвергаются отрицательному воздействию. Филиппины являются примером региона, где земля чрезмерно эксплуатируется горнодобывающими компаниями. [50]
Отходы добычи меди в Валя Шесей, Румыния, значительно изменили свойства близлежащей воды. Вода в пострадавших районах очень кислая, с диапазоном pH 2,1–4,9, и показывает повышенные уровни электропроводности от 280 до 1561 мСм/см. [51] Эти изменения в химии воды делают среду неблагоприятной для рыб, по сути, делая воду непригодной для обитания водных организмов.
Было разработано множество медных сплавов , многие из которых имеют важное применение. Латунь — это сплав меди и цинка . Бронза обычно относится к сплавам меди и олова , но может относиться к любому сплаву меди, такому как алюминиевая бронза . Медь является одним из важнейших компонентов припоев из серебра и каратного золота, используемых в ювелирной промышленности, изменяя цвет, твердость и температуру плавления полученных сплавов. [54] Некоторые припои без свинца состоят из олова, легированного небольшой долей меди и других металлов. [55]
Сплав меди и никеля , называемый мельхиором , используется в монетах низкого номинала, часто для внешней оболочки. Пятицентовая монета США (в настоящее время называемая никелем ) состоит из 75% меди и 25% никеля в однородном составе. До введения мельхиора, который был широко принят странами во второй половине 20-го века, [56] также использовались сплавы меди и серебра , причем Соединенные Штаты использовали сплав из 90% серебра и 10% меди до 1965 года, когда обращающееся серебро было удалено из всех монет, за исключением полудолларовых — они были понижены до сплава из 40% серебра и 60% меди между 1965 и 1970 годами. [57] Сплав из 90% меди и 10% никеля, отличающийся своей устойчивостью к коррозии, используется для различных объектов, подвергающихся воздействию морской воды, хотя он уязвим для сульфидов, иногда встречающихся в загрязненных гаванях и эстуариях. [58] Сплавы меди с алюминием (около 7%) имеют золотистый цвет и используются в украшениях. [27] Сякудо — японский декоративный сплав меди, содержащий низкий процент золота, обычно 4–10%, который можно патинировать до темно-синего или черного цвета. [59]
Медь образует богатое разнообразие соединений, обычно со степенью окисления +1 и +2, которые часто называют медистыми и медными , соответственно. [60] Соединения меди способствуют или катализируют многочисленные химические и биологические процессы. [61]
Как и в случае с другими элементами, простейшие соединения меди являются бинарными соединениями, т. е. соединениями, содержащими только два элемента, основными примерами которых являются оксиды, сульфиды и галогениды . Известны как оксиды меди , так и оксиды меди . Среди многочисленных сульфидов меди [62] важными примерами являются сульфид меди (I) ( Cu 2 S ) и моносульфид меди ( CuS ). [63]
Известны галогениды меди с фтором , хлором , бромом и йодом , а также галогениды меди с фтором , хлором и бромом . Попытки приготовить иодид меди(II) приводят только к иоду меди(I) и иоду. [60]
Медь образует координационные комплексы с лигандами . В водном растворе медь(II) существует в виде [Cu(H
2О)
6]2+
. Этот комплекс демонстрирует самую высокую скорость водообмена (скорость присоединения и отсоединения водных лигандов) среди всех аквакомплексов переходных металлов . Добавление водного раствора гидроксида натрия вызывает осаждение светло-голубого твердого гидроксида меди(II) . Упрощенное уравнение выглядит так:
Водный аммиак приводит к такому же осадку. При добавлении избытка аммиака осадок растворяется, образуя тетраамминмедь(II) :
Многие другие оксианионы образуют комплексы; они включают ацетат меди(II) , нитрат меди(II) и карбонат меди(II) . Сульфат меди(II) образует синий кристаллический пентагидрат , наиболее известное соединение меди в лаборатории. Он используется в фунгициде, называемом бордоской смесью . [64]
Полиолы , соединения, содержащие более одной спиртовой функциональной группы , обычно взаимодействуют с солями меди. Например, соли меди используются для проверки на наличие восстанавливающих сахаров . В частности, при использовании реагента Бенедикта и раствора Фелинга присутствие сахара сигнализируется изменением цвета с синего Cu(II) на красноватый оксид меди(I). [65] Реактив Швейцера и родственные комплексы с этилендиамином и другими аминами растворяют целлюлозу . [66] Аминокислоты, такие как цистин, образуют очень стабильные хелатные комплексы с медью(II) [67] [68] [69] , в том числе в форме металлоорганических биогибридов (MOB). Существует множество влажных химических тестов на ионы меди, один из которых включает феррицианид калия , который дает красно-коричневый осадок с солями меди(II). [70]
Соединения, содержащие связь углерод-медь, известны как медноорганические соединения. Они очень реакционноспособны по отношению к кислороду с образованием оксида меди (I) и имеют множество применений в химии . Они синтезируются путем обработки соединений меди (I) реагентами Гриньяра , терминальными алкинами или литийорганическими реагентами ; [71] в частности, последняя описанная реакция дает реагент Гилмана . Они могут подвергаться замещению алкилгалогенидами с образованием продуктов сочетания ; как таковые, они важны в области органического синтеза . Ацетиленид меди (I) очень чувствителен к удару, но является промежуточным продуктом в таких реакциях, как сочетание Кадио-Ходкевича [72] и сочетание Соногаширы . [73] Сопряженное присоединение к енонам [74] и карбокуприрование алкинов [75] также могут быть достигнуты с помощью медноорганических соединений. Медь(I) образует множество слабых комплексов с алкенами и оксидом углерода , особенно в присутствии аминных лигандов. [76]
Медь(III) чаще всего встречается в оксидах. Простым примером является купрат калия , KCuO 2 , сине-черное твердое вещество. [77] Наиболее изученными соединениями меди(III) являются купратные сверхпроводники . Оксид иттрия-бария-меди (YBa 2 Cu 3 O 7 ) состоит из центров Cu(II) и Cu(III). Подобно оксиду, фторид является высокоосновным анионом [ 78] и, как известно, стабилизирует ионы металлов в высоких степенях окисления. Известны как фториды меди(III), так и даже меди(IV), K 3 CuF 6 и Cs 2 CuF 6 , соответственно. [60]
Некоторые медные белки образуют оксокомплексы , которые в широко изученных синтетических аналоговых системах содержат медь(III). [79] [80] С тетрапептидами пурпурно-окрашенные комплексы меди(III) стабилизируются депротонированными амидными лигандами. [81]
Комплексы меди(III) также встречаются в качестве промежуточных продуктов в реакциях медьорганических соединений, например, в реакции Хараша–Сосновского . [82] [83] [84]
Хронология меди иллюстрирует, как этот металл способствовал развитию человеческой цивилизации за последние 11 000 лет. [85]
Медь встречается в природе как самородная металлическая медь и была известна некоторым из древнейших цивилизаций, о которых известно. История использования меди датируется 9000 г. до н. э. на Ближнем Востоке; [86] медный кулон был найден в северном Ираке, который датируется 8700 г. до н. э. [87] Данные свидетельствуют о том, что золото и метеоритное железо (но не выплавленное железо) были единственными металлами, которые использовались людьми до меди. [88] Считается, что история металлургии меди следует этой последовательности: сначала холодная обработка самородной меди, затем отжиг , выплавка и, наконец, литье по выплавляемым моделям . В юго-восточной Анатолии все четыре эти техники появляются более или менее одновременно в начале неолита около 7500 г. до н. э . [89]
Плавка меди была независимо изобретена в разных местах. Самое раннее свидетельство литья меди по выплавляемым моделям содержится в амулете, найденном в Мехргархе , Пакистан, и датируется 4000 г. до н. э. [90] Литье по выплавляемым моделям было изобретено в 4500–4000 гг. до н. э. в Юго-Восточной Азии [86] Плавка, вероятно, была открыта в Китае до 2800 г. до н. э., в Центральной Америке около 600 г. н. э. и в Западной Африке около 9 или 10 века н. э. [91] Радиоуглеродное датирование установило, что добыча в Олдерли-Эдж в Чешире , Великобритания, датируется 2280–1890 гг. до н. э. [92]
Эци Ледяной человек , мужчина, живший в период с 3300 по 3200 г. до н. э., был найден с топором с медным наконечником чистотой 99,7%; высокое содержание мышьяка в его волосах предполагает его участие в выплавке меди. [93] Опыт работы с медью помог развитию других металлов; в частности, выплавка меди, вероятно, привела к открытию выплавки железа . [93]
Производство в Старом медном комплексе в Мичигане и Висконсине датируется периодом между 6500 и 3000 годами до нашей эры. [94] [95] [96] Медный наконечник копья, найденный в Висконсине, датируется 6500 годом до нашей эры. [94] Использование меди коренными народами Старого медного комплекса из региона Великих озер Северной Америки было радиометрически датировано 7500 годом до нашей эры. [94] [97] [98] Коренные народы Северной Америки вокруг Великих озер, возможно, также добывали медь в это время, что делает это одним из старейших известных примеров добычи меди в мире. [99] Имеются доказательства доисторического загрязнения свинцом озер в Мичигане, что люди в этом регионе начали добывать медь около 6000 года до нашей эры . [99] [94] Факты свидетельствуют о том, что утилитарные медные предметы все больше выходили из употребления в древнем медном комплексе Северной Америки в бронзовом веке, и произошел сдвиг в сторону увеличения производства декоративных медных предметов. [100]
Натуральная бронза, тип меди, получаемый из руд, богатых кремнием, мышьяком и (редко) оловом, вошла в общее употребление на Балканах около 5500 г. до н. э. [101] Сплав меди с оловом для получения бронзы впервые был применен примерно через 4000 лет после открытия выплавки меди и примерно через 2000 лет после того, как «натуральная бронза» вошла в общее употребление. [102] Бронзовые артефакты культуры Винча датируются 4500 г. до н. э. [103] Шумерские и египетские артефакты из медных и бронзовых сплавов датируются 3000 г. до н. э. [104] Египетский синий , или купрориваит (силикат меди и кальция) — это синтетический пигмент, содержащий медь, который начали использовать в Древнем Египте около 3250 г. до н. э. [105] Процесс производства египетского синего был известен римлянам, но к четвертому веку н. э. пигмент вышел из употребления, а секрет его производства был утерян. Римляне говорили, что синий пигмент изготавливался из меди, кремния, извести и натрона и был известен им как caeruleum .
Бронзовый век начался в Юго-Восточной Европе около 3700–3300 гг. до н. э., в Северо-Западной Европе около 2500 г. до н. э. Он закончился с началом железного века, 2000–1000 гг. до н. э. на Ближнем Востоке и 600 г. до н. э. в Северной Европе. Переход между неолитическим и бронзовым веком ранее назывался периодом халколита (медно-каменным), когда медные орудия использовались вместе с каменными. Термин постепенно вышел из употребления, поскольку в некоторых частях мира халколит и неолит совпадают по обоим концам. Латунь, сплав меди и цинка, имеет гораздо более позднее происхождение. Она была известна грекам, но стала значительным дополнением к бронзе во времена Римской империи. [104]
В Греции медь была известна под названием халкос (χαλκός). Это был важный ресурс для римлян, греков и других древних народов. Во времена Римской империи она была известна как aes Cyprium , aes — общее латинское название медных сплавов, а Cyprium — от Кипра , где добывалось много меди. Фраза была упрощена до cuprum , отсюда и английское copper . Афродита ( Венера в Риме) представляла медь в мифологии и алхимии из-за ее блестящей красоты и ее древнего использования в производстве зеркал; Кипр, источник меди, был священным для богини. Семь небесных тел, известных древним, были связаны с семью металлами, известными в древности, и Венера была назначена меди, как из-за связи с богиней, так и потому, что Венера была самым ярким небесным телом после Солнца и Луны и, таким образом, соответствовала самому блестящему и желанному металлу после золота и серебра. [106]
Медь впервые была добыта в древней Британии еще в 2100 году до нашей эры. Добыча на крупнейшей из этих шахт, Грейт-Орм , продолжалась до конца бронзового века. Добыча, по-видимому, в основном ограничивалась супергенными рудами, которые было легче выплавлять. Богатые месторождения меди Корнуолла, по-видимому, остались в значительной степени нетронутыми, несмотря на обширную добычу олова в регионе, по причинам, скорее всего, социальным и политическим, а не технологическим. [107]
Известно, что в Северной Америке самородная медь добывалась на островах Айл-Рояль с помощью примитивных каменных орудий в период между 800 и 1600 годами нашей эры. [108] Отжиг меди производился в североамериканском городе Кахокия примерно в 1000–1300 годах нашей эры. [109] В Северной Америке в районе Кахокии было найдено несколько изысканных медных пластин, известных как миссисипские медные пластины , которые датируются этим периодом времени (1000–1300 годы нашей эры). [109] Считалось, что медные пластины были изготовлены в Кахокии, прежде чем оказались в других местах на Среднем Западе и юго-востоке Соединенных Штатов, таких как тайник Вулфинга и пластины Этова .
В Южной Америке медная маска, датируемая 1000 г. до н.э., найденная в аргентинских Андах, является старейшим известным медным артефактом, обнаруженным в Андах. [110] Перу считается местом зарождения ранней медной металлургии в доколумбовой Америке , но медная маска из Аргентины предполагает, что Кахон-дель-Майпо в южных Андах был еще одним важным центром ранней медной промышленности в Южной Америке. [110] Медная металлургия процветала в Южной Америке, особенно в Перу, около 1000 г. н.э. Были обнаружены медные погребальные украшения XV века, но коммерческое производство металла началось только в начале XX века. [ требуется ссылка ]
Культурная роль меди была важна, особенно в качестве валюты. Римляне в 6-3 вв. до н. э. использовали куски меди в качестве денег. Сначала ценилась сама медь, но постепенно форма и внешний вид меди стали более важными. У Юлия Цезаря были собственные монеты, сделанные из латуни, в то время как монеты Октавиана Августа Цезаря были сделаны из сплавов Cu-Pb-Sn. С предполагаемым годовым объемом производства около 15 000 тонн римская добыча и выплавка меди достигли масштабов, непревзойденных до времен промышленной революции ; провинции, в которых добыча велась наиболее интенсивно, были в Испании , на Кипре и в Центральной Европе. [111] [112]
Ворота Иерусалимского храма были изготовлены из коринфской бронзы , обработанной золочением с истощением . [ необходимо разъяснение ] [ необходима цитата ] Этот процесс был наиболее распространен в Александрии , где, как полагают, зародилась алхимия. [113] В Древней Индии медь использовалась в целостной медицинской науке Аюрведе для хирургических инструментов и другого медицинского оборудования. Древние египтяне ( ~2400 г. до н. э. ) использовали медь для стерилизации ран и питьевой воды, а позднее для лечения головных болей, ожогов и зуда. [ необходима цитата ]
Great Copper Mountain — рудник в Фалуне, Швеция, который действовал с X века по 1992 год. Он удовлетворял две трети потребности Европы в меди в XVII веке и помогал финансировать многие войны Швеции в то время. [114] Его называли сокровищницей нации; в Швеции была валюта, обеспеченная медью . [115]
Медь используется в кровельных работах, [20] валюте и для фотографической технологии, известной как дагерротип . Медь использовалась в скульптуре эпохи Возрождения и использовалась при строительстве Статуи Свободы ; медь продолжает использоваться в строительстве различных типов. Медное покрытие и медная обшивка широко использовались для защиты подводных корпусов кораблей, метод, впервые примененный Британским Адмиралтейством в 18 веке. [116] Norddeutsche Affinerie в Гамбурге был первым современным гальваническим заводом, начавшим производство в 1876 году . [117] Немецкий ученый Готфрид Осанн изобрел порошковую металлургию в 1830 году, определяя атомную массу металла; примерно тогда было обнаружено, что количество и тип легирующего элемента (например, олова) в меди будут влиять на тональность колоколов. [ необходима ссылка ]
В период роста спроса на медь в эпоху электричества, с 1880-х годов до Великой депрессии 1930-х годов, Соединенные Штаты производили от трети до половины всей вновь добытой в мире меди. [118] Основные районы включали район Кивино на севере Мичигана, в основном месторождения самородной меди, которые были затмены обширными сульфидными месторождениями Бьютт, Монтана , в конце 1880-х годов, которые сами были затмены порфировыми месторождениями юго-запада Соединенных Штатов, особенно в Бингем-Каньоне, Юта , и Моренси, Аризона . Внедрение открытой добычи паровым экскаватором и инновации в плавке, очистке, флотационной концентрации и других этапах обработки привели к массовому производству. В начале двадцатого века Аризона заняла первое место, за ней следовали Монтана , затем Юта и Мичиган . [119]
Взвешенная плавка была разработана компанией Outokumpu в Финляндии и впервые применена в Харьявалте в 1949 году; этот энергоэффективный процесс обеспечивает 50% мирового производства первичной меди. [120]
Межправительственный совет стран-экспортеров меди , образованный в 1967 году Чили, Перу, Заиром и Замбией, действовал на рынке меди так же, как ОПЕК на рынке нефти, хотя он никогда не достигал того же влияния, в частности потому, что второй по величине производитель, Соединенные Штаты, никогда не был его членом; он был распущен в 1988 году. [121]
В 2008 году Китай стал крупнейшим в мире импортером меди и продолжает оставаться таковым по крайней мере до 2023 года. [122] : 187
Основные области применения меди — электропроводка (60%), кровля и сантехника (20%) и промышленное оборудование (15%). Медь в основном используется как чистый металл, но когда требуется большая твердость, ее добавляют в такие сплавы, как латунь и бронза (5% от общего использования). [27] Более двух столетий медная краска использовалась на корпусах лодок для контроля роста растений и моллюсков. [123] Небольшая часть поставок меди используется для пищевых добавок и фунгицидов в сельском хозяйстве. [64] [124] Возможна механическая обработка меди, хотя сплавы предпочтительнее из-за хорошей обрабатываемости при создании сложных деталей.
Несмотря на конкуренцию со стороны других материалов, медь остается предпочтительным электрическим проводником почти во всех категориях электропроводки, за исключением воздушной передачи электроэнергии , где алюминий часто предпочитают. [125] [126] Медная проволока используется в производстве электроэнергии , передаче электроэнергии , распределении электроэнергии , телекоммуникациях , электронных схемах и бесчисленных типах электрооборудования . [127] Электропроводка является самым важным рынком для медной промышленности. [128] Сюда входит структурная силовая проводка, распределительный кабель питания, провод для приборов, кабель связи, автомобильный провод и кабель, а также магнитный провод. Примерно половина всей добываемой меди используется для электрических проводов и кабельных проводников. [129] Многие электрические устройства полагаются на медную проводку из-за ее множества присущих ей полезных свойств, таких как высокая электропроводность , прочность на разрыв , пластичность , сопротивление ползучести (деформации) , коррозионная стойкость, низкое тепловое расширение , высокая теплопроводность , простота пайки , ковкость и простота установки.
В течение короткого периода с конца 1960-х до конца 1970-х годов медная проводка была заменена алюминиевой проводкой во многих проектах жилищного строительства в Америке. Новая проводка была вовлечена в ряд пожаров в домах, и промышленность вернулась к меди. [130]
Интегральные схемы и печатные платы все чаще используют медь вместо алюминия из-за ее превосходной электропроводности; радиаторы и теплообменники используют медь из-за ее превосходных свойств рассеивания тепла. Электромагниты , вакуумные трубки , электронно-лучевые трубки и магнетроны в микроволновых печах используют медь, как и волноводы для микроволнового излучения. [131]
Превосходная проводимость меди повышает эффективность электродвигателей . [ 132] Это важно, поскольку двигатели и системы с приводом от двигателей составляют 43–46% всего мирового потребления электроэнергии и 69% всей электроэнергии, используемой промышленностью. [133] Увеличение массы и поперечного сечения меди в катушке повышает эффективность двигателя. Медные роторы двигателей , новая технология, разработанная для применений двигателей, где экономия энергии является основной целью проектирования, [134] [135] позволяют асинхронным двигателям общего назначения соответствовать и превосходить стандарты эффективности Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) . [136]
Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная , ветровая , приливная , гидро , биомасса и геотермальная энергия, стали значимыми секторами энергетического рынка. [137] [138] Быстрый рост этих источников в 21 веке был вызван ростом стоимости ископаемого топлива , а также проблемами его воздействия на окружающую среду , которые значительно снизили его использование.
Медь играет важную роль в этих системах возобновляемой энергии, [139] [140] [141] [142] [143] в основном для кабелей и труб. Использование меди в системах возобновляемой энергии в среднем в пять раз больше, чем в традиционной генерации электроэнергии, такой как ископаемое топливо и атомные электростанции. [144] Поскольку медь является отличным проводником тепла и электричества среди конструкционных металлов (уступая только серебру), [145] электрические системы, использующие медь, генерируют и передают энергию с высокой эффективностью и минимальным воздействием на окружающую среду.
При выборе электрических проводников планировщики и инженеры объектов учитывают капитальные затраты на материалы и экономию на эксплуатации за счет их эффективности использования электроэнергии в течение срока службы, а также затраты на техническое обслуживание. Медь часто хорошо себя проявляет в этих расчетах. Фактор, называемый «интенсивностью использования меди», является мерой количества меди, необходимого для установки одного мегаватта новой генерирующей мощности.
При планировании нового объекта возобновляемой энергии инженеры и специалисты по спецификации продукции стремятся избежать дефицита поставок выбранных материалов. По данным Геологической службы США , запасы меди в недрах земли увеличились более чем на 700% с 1950 года, с почти 100 миллионов тонн до 720 миллионов тонн в 2017 году, несмотря на то, что мировое использование рафинированной меди увеличилось более чем втрое за последние 50 лет. [146] Ресурсы меди оцениваются более чем в 5000 миллионов тонн. [147] [148]
Дополнительным фактором, увеличивающим предложение меди, является то, что более 30 процентов меди, установленной с 2007 по 2017 год, поступили из переработанных источников. [149] Уровень ее переработки выше, чем у любого другого металла. [150]Медь использовалась с древних времен как прочный, устойчивый к коррозии и атмосферным воздействиям архитектурный материал. [151] [152] [153] [154] Крыши , отливы , водосточные желоба , водосточные трубы , купола , шпили , своды и двери изготавливались из меди в течение сотен или тысяч лет. Архитектурное использование меди было расширено в наше время и включает внутреннюю и внешнюю облицовку стен , строительные деформационные швы , радиочастотную защиту и антимикробные и декоративные внутренние изделия, такие как привлекательные поручни, сантехника и столешницы. Некоторые из других важных преимуществ меди как архитектурного материала включают низкое тепловое движение , легкий вес, молниезащиту и пригодность для вторичной переработки.
Отличительная натуральная зеленая патина металла уже давно пользуется спросом у архитекторов и дизайнеров. Окончательная патина представляет собой особенно прочный слой, который обладает высокой устойчивостью к атмосферной коррозии, тем самым защищая лежащий под ней металл от дальнейшего выветривания. [155] [156] [157] Это может быть смесь карбонатных и сульфатных соединений в различных количествах в зависимости от условий окружающей среды, таких как серосодержащие кислотные дожди. [158] [159] [160] [161] Архитектурная медь и ее сплавы также могут быть «отделаны», чтобы приобрести определенный вид, ощущение или цвет. Отделка включает механическую обработку поверхности, химическую окраску и покрытия. [162]
Медь обладает прекрасными свойствами пайки и может свариваться ; наилучшие результаты достигаются при газовой дуговой сварке металлическим припоем . [163]
Медь биостатична , что означает, что бактерии и многие другие формы жизни не будут расти на ней. По этой причине она долгое время использовалась для облицовки частей кораблей для защиты от морских желудей и мидий . Первоначально она использовалась в чистом виде, но с тех пор была заменена металлом Мунца и краской на основе меди. Аналогично, как обсуждалось в медных сплавах в аквакультуре , медные сплавы стали важными материалами для сеток в аквакультурной промышленности, поскольку они являются антимикробными и предотвращают биообрастание даже в экстремальных условиях [164] и обладают сильными структурными и коррозионно-стойкими [165] свойствами в морской среде.
Сенсорные поверхности из медного сплава обладают естественными свойствами, которые уничтожают широкий спектр микроорганизмов (например, E. coli O157:H7, метициллин -устойчивый золотистый стафилококк ( MRSA ), стафилококк , Clostridium difficile , вирус гриппа А , аденовирус , SARS-CoV-2 и грибки ). [166] [167] Индейцы использовали медные сосуды с древних времен для хранения воды, даже до того, как современная наука осознала их антимикробные свойства. [168] Было доказано, что некоторые медные сплавы убивают более 99,9% болезнетворных бактерий всего за два часа при регулярной очистке. [169] Агентство по охране окружающей среды США ( EPA ) одобрило регистрацию этих медных сплавов в качестве « антимикробных материалов, полезных для общественного здравоохранения»; [169] это одобрение позволяет производителям предъявлять юридические претензии к преимуществам для общественного здравоохранения изделий, изготовленных из зарегистрированных сплавов. Кроме того, EPA одобрило длинный список антимикробных медных изделий, изготовленных из этих сплавов, таких как перила для кроватей, поручни , прикроватные столики, раковины , краны , дверные ручки , туалетная фурнитура, компьютерные клавиатуры , оборудование для оздоровительных клубов и ручки для тележек для покупок . Медные дверные ручки используются в больницах для снижения передачи заболеваний, а болезнь легионеров подавляется медными трубками в водопроводных системах. [170] Антимикробные изделия из медных сплавов в настоящее время устанавливаются в медицинских учреждениях Великобритании, Ирландии, Японии, Кореи, Франции, Дании и Бразилии, а также востребованы в США [171] и в системе метрополитена в Сантьяго, Чили, где поручни из медно-цинкового сплава были установлены примерно на 30 станциях в период с 2011 по 2014 год. [172] [173] [174] Текстильные волокна можно смешивать с медью для создания антимикробных защитных тканей. [175] [ ненадежный источник? ]
Ожидается, что общий объем мирового производства в 2023 году составит почти 23 миллиона метрических тонн . [176] Спрос на медь увеличивается из-за продолжающегося перехода на электроэнергию . [177] На Китай приходится более половины спроса. [178]
Для некоторых целей можно использовать другие металлы, во многих приложениях вместо них использовали алюминиевую проволоку , но неправильная конструкция приводила к пожароопасности. [179] Проблемы безопасности с тех пор были решены путем использования более крупных размеров алюминиевой проволоки (#8AWG и выше), а правильно спроектированная алюминиевая проводка по-прежнему устанавливается вместо медной. Например, в Airbus A380 вместо медной проволоки для передачи электроэнергии используется алюминиевая проволока. [180]
Медь может использоваться в качестве спекулятивной инвестиции из-за прогнозируемого увеличения использования в результате роста мировой инфраструктуры и важной роли, которую она играет в производстве ветряных турбин , солнечных панелей и других возобновляемых источников энергии . [181] [182] Еще одной причиной прогнозируемого увеличения спроса является тот факт, что электромобили содержат в среднем в 3,6 раза больше меди, чем обычные автомобили, хотя влияние электромобилей на спрос на медь является предметом споров. [183] [184] Некоторые люди инвестируют в медь через акции по добыче меди, ETF и фьючерсы . Другие хранят физическую медь в форме медных слитков или кругов, хотя они, как правило, имеют более высокую премию по сравнению с драгоценными металлами. [185] Те, кто хочет избежать премии медных слитков, в качестве альтернативы хранят старую медную проволоку , медные трубки или американские пенни, выпущенные до 1982 года . [186]
Медь обычно используется в ювелирных изделиях, и, согласно некоторым преданиям, медные браслеты облегчают симптомы артрита . [187] В одном исследовании остеоартрита и одном исследовании ревматоидного артрита не было обнаружено никаких различий между медным браслетом и контрольным (не медным) браслетом. [188] [189] Нет никаких доказательств того, что медь может впитываться через кожу. Если бы это было так, это могло бы привести к отравлению медью . [190]
Chromobacterium violaceum и Pseudomonas fluorescens могут мобилизовать твердую медь в качестве цианидного соединения. [191] Эрикоидные микоризные грибы, связанные с Calluna , Erica и Vaccinium, могут расти в металлоносных почвах, содержащих медь. [191] Эктомикоризный гриб Suillus luteus защищает молодые сосны от токсичности меди. Образец гриба Aspergillus niger был обнаружен растущим из раствора для добычи золота и, как было обнаружено, содержал цианокомплексы таких металлов, как золото, серебро, медь, железо и цинк. Гриб также играет роль в растворении сульфидов тяжелых металлов. [192]
Медные белки играют различные роли в биологическом переносе электронов и переносе кислорода, процессах, которые используют легкое взаимопревращение Cu(I) и Cu(II). [193] Медь необходима для аэробного дыхания всех эукариот . В митохондриях она находится в цитохром с оксидазе , которая является последним белком в окислительном фосфорилировании . Цитохром с оксидаза — это белок, который связывает O2 между медью и железом; белок переносит 4 электрона на молекулу O2, чтобы восстановить ее до двух молекул воды. Медь также находится во многих супероксиддисмутазах , белках, которые катализируют разложение супероксидов , превращая их (путем диспропорционирования ) в кислород и перекись водорода :
Белок гемоцианин является переносчиком кислорода у большинства моллюсков и некоторых членистоногих, таких как мечехвост ( Limulus polyphemus ). [194] Поскольку гемоцианин имеет синий цвет, у этих организмов голубая кровь, а не красная, как у гемоглобина на основе железа . Структурно родственными гемоцианину являются лакказы и тирозиназы . Вместо того чтобы обратимо связывать кислород, эти белки гидроксилируют субстраты, что иллюстрируется их ролью в образовании лаков . [195] Биологическая роль меди началась с появлением кислорода в атмосфере Земли. [196] Несколько медных белков, таких как «голубые медные белки», не взаимодействуют напрямую с субстратами; следовательно, они не являются ферментами. Эти белки передают электроны с помощью процесса, называемого переносом электронов . [195]
Уникальный тетраядерный медный центр был обнаружен в редуктазе закиси азота . [197]
Химические соединения, разработанные для лечения болезни Вильсона, были исследованы на предмет использования в терапии рака. [198]
Медь является необходимым микроэлементом в растениях и животных, но не во всех микроорганизмах. Человеческое тело содержит медь на уровне около 1,4–2,1 мг на кг массы тела. [199]
Медь всасывается в кишечнике, затем транспортируется в печень, связанная с альбумином . [200] После обработки в печени медь распределяется по другим тканям во второй фазе, которая включает белок церулоплазмин , переносящий большую часть меди в крови. Церулоплазмин также переносит медь, которая выделяется с молоком, и особенно хорошо усваивается как источник меди. [201] Медь в организме обычно подвергается энтерогепатической циркуляции (около 5 мг в день, по сравнению с примерно 1 мг в день, поглощаемым с пищей и выводимым из организма), и организм способен выделять некоторую избыточную медь, если это необходимо, через желчь , которая выводит часть меди из печени, которая затем не реабсорбируется кишечником. [202] [203]
Институт медицины США (IOM) обновил предполагаемые средние потребности (EARS) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для меди в 2001 году. Если нет достаточной информации для установления EARS и RDA, вместо этого используется оценка, обозначенная как адекватное потребление (AI). AI для меди составляют: 200 мкг меди для мальчиков и девочек в возрасте 0–6 месяцев и 220 мкг меди для мальчиков и девочек в возрасте 7–12 месяцев. Для обоих полов RDA для меди составляют: 340 мкг меди для детей 1–3 лет, 440 мкг меди для детей 4–8 лет, 700 мкг меди для детей 9–13 лет, 890 мкг меди для детей 14–18 лет и 900 мкг меди для детей 19 лет и старше. Для беременности 1000 мкг. Для лактации 1300 мкг. [204] Что касается безопасности, IOM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда имеются достаточные доказательства. В случае меди UL устанавливается на уровне 10 мг/день. В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются диетическими референтными уровнями потребления . [205]
Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет коллективный набор информации Диетическими референтными значениями, с Референтным потреблением населения (PRI) вместо RDA и Средней потребностью вместо EAR. AI и UL определяются так же, как в Соединенных Штатах. Для женщин и мужчин в возрасте 18 лет и старше AI установлены на уровне 1,3 и 1,6 мг/день соответственно. AI для беременности и лактации составляет 1,5 мг/день. Для детей в возрасте 1–17 лет AI увеличиваются с возрастом с 0,7 до 1,3 мг/день. Эти AI выше, чем RDA США. [206] Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов рассмотрело тот же вопрос безопасности и установило свой UL на уровне 5 мг/день, что составляет половину значения для США. [207]
Для маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы (%DV). Для маркировки меди 100% суточной нормы составляли 2,0 мг, но по состоянию на 27 мая 2016 года [обновлять]она была пересмотрена до 0,9 мг, чтобы соответствовать RDA. [208] [209] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых приведена в Reference Daily Intake .
Из-за своей роли в содействии усвоению железа дефицит меди может вызывать симптомы, похожие на анемию , нейтропению , аномалии костей, гипопигментацию, нарушение роста, повышенную заболеваемость инфекциями, остеопороз, гипертиреоз и аномалии метаболизма глюкозы и холестерина. Напротив, болезнь Вильсона вызывает накопление меди в тканях организма.
Тяжелый дефицит может быть обнаружен путем тестирования на низкий уровень меди в плазме или сыворотке, низкий уровень церулоплазмина и низкий уровень супероксиддисмутазы эритроцитов; они не чувствительны к пограничному статусу меди. «Активность цитохром с оксидазы лейкоцитов и тромбоцитов» была заявлена как еще один фактор дефицита, но результаты не были подтверждены репликацией. [210]
Граммовые количества различных солей меди принимались при попытках самоубийства и вызывали острую токсичность меди у людей, возможно, из-за окислительно-восстановительного цикла и образования активных форм кислорода , которые повреждают ДНК . [211] [212] Соответствующие количества солей меди (30 мг/кг) токсичны для животных. [213] Сообщается, что минимальная диетическая ценность для здорового роста кроликов составляет не менее 3 частей на миллион в рационе. [214] Однако более высокие концентрации меди (100 частей на миллион, 200 частей на миллион или 500 частей на миллион) в рационе кроликов могут благоприятно влиять на эффективность конверсии корма , темпы роста и процент разделки туши. [215]
Хроническая токсичность меди обычно не возникает у людей из-за транспортных систем, которые регулируют абсорбцию и выделение. Аутосомно-рецессивные мутации в белках транспорта меди могут вывести из строя эти системы, что приводит к болезни Вильсона с накоплением меди и циррозу печени у лиц, унаследовавших два дефектных гена. [199]
Повышенный уровень меди также связан с ухудшением симптомов болезни Альцгеймера . [216] [217]
В США Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установило допустимый предел воздействия (PEL) для медной пыли и паров на рабочем месте как средневзвешенное по времени значение (TWA) 1 мг/м 3 . [218] Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 1 мг/м 3 , средневзвешенное по времени значение. Значение IDLH (непосредственно опасно для жизни и здоровья) составляет 100 мг/м 3 . [219]
Медь является составной частью табачного дыма . [220] [221] Табачное растение легко поглощает и накапливает тяжелые металлы , такие как медь, из окружающей почвы в своих листьях. Они легко поглощаются организмом пользователя после вдыхания дыма. [222] Последствия для здоровья не ясны. [223]
Общенациональное исследование, проведенное Исследовательским институтом Франклина для CPSC, показало, что в домах, построенных до 1972 года и имеющих алюминиевую проводку, вероятность того, что одно или несколько соединений проводов в розетках достигнут "условий пожарной опасности", в 55 раз выше, чем в домах с медной проводкой.
Хотя никогда не было доказано, что медь может впитываться через кожу при ношении браслета, исследования показали, что чрезмерное количество меди может привести к отравлению, вызывая рвоту и, в тяжелых случаях, повреждение печени.
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )