Медь — химический элемент ; он 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 в качестве проводника тепла и электричества, в качестве строительного материала и в качестве компонента различных металлических сплавов , таких как серебро 925 пробы, 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 металлической форме, пригодной для непосредственного использования ( самородные металлы ). Это привело к очень раннему использованию человеком в нескольких регионах, начиная с ок. 8000 г. до н.э. Тысячи лет спустя это был первый металл, выплавленный из сульфидных руд, c. 5000 г. до н. э .; первый металл, отлитый в форму в форме, c. 4000 г. до н. э .; и первый металл, который был намеренно сплавлен с другим металлом, оловом , для создания бронзы , c. 3500 г. до н.э. [8]
В римскую эпоху медь добывалась в основном на Кипре , откуда и произошло название металла от aes cyprium (кипрский металл), позже преобразованного в cuprum (латынь). От этого произошли слова Копер ( древнеанглийский ) и медь , более позднее написание впервые было использовано около 1530 года.
Обычно встречающимися соединениями являются соли меди (II), которые часто придают синий или зеленый цвет таким минералам, как азурит , малахит и бирюза , и исторически широко использовались в качестве пигментов.
Медь, используемая в зданиях, обычно для кровли, окисляется, образуя зеленую патину из соединений, называемых ярь-медянкой . Медь иногда используется в декоративном искусстве как в виде элементарного металла, так и в виде соединений в качестве пигментов. Соединения меди используются как бактериостатические средства , фунгициды , консерванты древесины .
Медь необходима всем живым организмам в качестве микроэлемента в рационе , поскольку она является ключевым компонентом комплекса дыхательных ферментов цитохром-с-оксидазы . У моллюсков и ракообразных медь является составной частью кровяного пигмента гемоцианина , у рыб и других позвоночных животных заменяется гемоглобином, содержащим комплексы железа . У человека медь содержится главным образом в печени, мышцах и костях. [10] В организме взрослого человека содержится от 1,4 до 2,1 мг меди на килограмм массы тела. [11]
Медь, серебро и золото относятся к 11 группе 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 мало способствуют межатомным взаимодействиям, в которых доминируют s-электроны через металлические связи . В отличие от металлов с неполной d-оболочкой металлические связи в меди не имеют ковалентного характера и относительно слабы. Это наблюдение объясняет низкую твердость и высокую пластичность монокристаллов меди. [12] В макроскопическом масштабе введение протяженных дефектов в кристаллическую решетку , таких как границы зерен, препятствует течению материала под действием приложенного напряжения, тем самым увеличивая его твердость. По этой причине медь обычно поставляется в мелкозернистой поликристаллической форме, имеющей большую прочность, чем монокристаллические формы. [13]
Мягкость меди отчасти объясняет ее высокую электропроводность (59,6 × 10 6 См /м ) и высокой теплопроводностью, второй по величине (уступающей только серебру) среди чистых металлов при комнатной температуре. [14] Это связано с тем, что сопротивление электронному транспорту в металлах при комнатной температуре возникает в первую очередь из-за рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки, которые относительно слабы в мягком металле. [12] Максимально допустимое [ возможное? ] плотность тока меди на открытом воздухе составляет примерно3,1 × 10 6 А/м 2 , выше которого он начинает чрезмерно нагреваться. [15]
Медь — один из немногих металлических элементов, имеющих естественный цвет, отличный от серого или серебристого. [16] Чистая медь имеет оранжево-красный цвет и приобретает красноватый потускнение при контакте с воздухом. Это связано с низкой плазменной частотой металла, которая находится в красной части видимого спектра, что приводит к поглощению более высокочастотных зеленого и синего цветов. [17]
Как и в случае с другими металлами, если медь вступит в контакт с другим металлом в присутствии электролита , произойдет гальваническая коррозия . [18]
Медь не вступает в реакцию с водой, но медленно реагирует с кислородом воздуха, образуя слой коричнево-черной оксида меди, который, в отличие от ржавчины, образующейся на железе во влажном воздухе, защищает основной металл от дальнейшей коррозии ( пассивация ). Зеленый слой ярь-медянки (карбоната меди) часто можно увидеть на старых медных конструкциях, таких как крыши многих старых зданий [19] и Статуя Свободы . [20] Медь тускнеет под воздействием некоторых соединений серы , с которыми она вступает в реакцию с образованием различных сульфидов меди . [21]
Существует 29 изотопов меди.63
Cu
и65
Cu
стабильны, с63
Cu
содержащий приблизительно 69% встречающейся в природе меди; оба имеют спин 3 ⁄ 2 . [22] Остальные изотопы радиоактивны , наиболее стабильным из которых является67
Cu
с периодом полураспада 61,83 часа. [22] Охарактеризовано семь метастабильных изомеров ;68 м
Cu
является самым долгоживущим с периодом полураспада 3,8 минуты. Изотопы с массовым числом выше 64 распадаются на β − , тогда как изотопы с массовым числом ниже 64 распадаются на β + .64Cu, период полураспада которого составляет 12,7 часов, распадается в обе стороны. [23]
62
Cu
и64
Cu
имеют важные приложения.62
Cu
используется в62
Cu
Cu-PTSM как радиоактивный индикатор для позитронно-эмиссионной томографии . [24]
Медь производится в массивных звездах [25] и присутствует в земной коре в количестве около 50 частей на миллион (ppm). [26] В природе медь встречается в различных минералах, включая самородную медь , сульфиды меди, такие как халькопирит , борнит , дигенит , ковеллин и халькоцит , сульфосоли меди, такие как тетраэдит-теннантит и энаргит , карбонаты меди, такие как азурит и малахит , а также оксиды меди(I) или меди(II), такие как куприт и тенорит соответственно. [14] Самая большая масса обнаруженной элементарной меди весила 420 тонн и была найдена в 1857 году на полуострове Кевино в Мичигане, США. [26] Самородная медь представляет собой поликристалл , размер самого большого из когда-либо описанных монокристаллов составляет 4,4 × 3,2 × 3,2 см . [27] Медь является 25-м по распространенности элементом в земной коре , ее содержание составляет 50 ppm по сравнению с 75 ppm цинка и 14 ppm свинца . [28]
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. [29]
Большая часть меди добывается или извлекается в виде сульфидов меди на крупных открытых карьерах в медно-порфировых месторождениях, содержащих от 0,4 до 1,0% меди. Места включают Чукикамата в Чили, шахту Бингем-Каньон в штате Юта, США, и шахту Эль-Чино в Нью-Мексико, США. По данным Британской геологической службы , в 2005 году Чили была ведущим производителем меди с по меньшей мере одной третью мировой доли, за ней следовали США, Индонезия и Перу. [14] Медь также можно извлечь в процессе выщелачивания на месте . Несколько участков в штате Аризона считаются основными кандидатами на использование этого метода. [30] Количество используемой меди увеличивается, и доступного количества едва достаточно, чтобы позволить всем странам достичь уровня использования меди в развитых странах. [31] Альтернативным источником меди для изучаемой в настоящее время коллекции являются полиметаллические конкреции , которые расположены на глубинах Тихого океана примерно на 3000–6500 метров ниже уровня моря. Эти конкреции содержат другие ценные металлы, такие как кобальт и никель . [32]
Медь используется уже по меньшей мере 10 000 лет, но более 95% всей меди, когда-либо добытой и выплавленной , было извлечено с 1900 года . [33] Как и в случае со многими природными ресурсами, общее количество меди на Земле огромно: около 10 14 тонн в верхнем километре земной коры, что составляет около 5 миллионов лет при нынешних темпах добычи. Однако лишь незначительная часть этих запасов экономически жизнеспособна при нынешних ценах и технологиях. Оценки запасов меди, доступных для добычи, варьируются от 25 до 60 лет, в зависимости от основных предположений, таких как темпы роста. [34] Переработка является основным источником меди в современном мире. [33]
Цена на медь нестабильна . [35] После пика в 2022 году цена неожиданно упала. [36]
Подавляющее большинство медных руд представляют собой сульфиды. Распространенными рудами являются сульфиды халькопирит (CuFeS 2 ), борнит (Cu 5 FeS 4 ) и в меньшей степени ковеллин (CuS) и халькоцит (Cu 2 S). [37] Эти руды встречаются на уровне <1% Cu. Требуется обогащение руды, которое начинается с измельчения с последующей пенной флотацией . Оставшийся концентрат представляет собой выплавку, которую можно описать двумя упрощенными уравнениями: [38]
Оксид меди реагирует с сульфидом меди с образованием черновой меди при нагревании.
В результате обжига получается матовая медь с содержанием меди примерно 50% по весу, которую очищают электролизом. В зависимости от руды при электролизе иногда получают и другие металлы, в том числе платину и золото.
Помимо сульфидов, еще одним семейством руд являются оксиды. Примерно 15% мировых поставок меди приходится на эти оксиды. Процесс обогащения оксидов включает экстракцию растворами серной кислоты с последующим электролизом. Параллельно вышеописанному методу для «концентрированных» сульфидных и оксидных руд из хвостов и отвалов шахт извлекают медь. Применяются различные методы, в том числе выщелачивание серной кислотой, аммиаком, хлорным железом. Используются также биологические методы. [38] [39]
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 процесса плавки в доменной печи. [38]
Потенциальным источником меди являются полиметаллические конкреции, концентрация которых оценивается в 1,3%. [40] [41]
Как и алюминий , медь подлежит вторичной переработке без потери качества как в сыром виде, так и в готовой продукции. [42] По объему медь является третьим наиболее перерабатываемым металлом после железа и алюминия. [43] По оценкам, 80% всей когда-либо добытой меди все еще используется. [44] Согласно отчету Международной группы ресурсов о запасах металлов в обществе , глобальные запасы меди на душу населения, используемой в обществе, составляют 35–55 кг. Большая часть этого количества приходится на более развитые страны (140–300 кг на душу населения), а не на менее развитые страны (30–40 кг на душу населения).
Процесс переработки меди примерно такой же, как и для извлечения меди, но требует меньшего количества этапов. Медный лом высокой чистоты плавится в печи , затем восстанавливается и отливается в заготовки и слитки ; лом низкой чистоты очищается гальваническим способом в ванне серной кислоты . [45]
Экологические издержки добычи меди в 2019 году оценивались в 3,7 кг CO2-экв на кг меди. [46] Codelco, крупный производитель в Чили, сообщил, что в 2020 году компания выбросила 2,8 т CO2-экв на тонну (2,8 кг CO2-экв на кг) меди. прекрасная медь. [47] Выбросы парниковых газов в основном возникают в результате потребления электроэнергии компанией, особенно если она получена из ископаемого топлива, а также от двигателей, необходимых для добычи и переработки меди. Компании, занимающиеся добычей полезных ископаемых, часто неправильно обращаются с отходами, что делает территорию бесплодной для жизни. Кроме того, негативное воздействие также оказывается на близлежащие реки и леса. Филиппины являются примером региона, где земля чрезмерно эксплуатируется горнодобывающими компаниями . [48]
Отходы добычи меди в Валя-Чесей, Румыния, значительно изменили свойства близлежащей воды. Вода в пострадавших районах очень кислая, с диапазоном pH 2,1–4,9 и повышенным уровнем электропроводности в пределах 280–1561 мСм/см. [49] Эти изменения в химическом составе воды делают окружающую среду негостеприимной для рыб, по сути делая воду непригодной для жизни 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, например, алюминиевой бронзе . Медь является одним из наиболее важных компонентов припоев из серебра и золота , используемых в ювелирной промышленности, изменяя цвет, твердость и температуру плавления получаемых сплавов. [52] Некоторые бессвинцовые припои состоят из олова, легированного небольшой долей меди и других металлов. [53]
Сплав меди и никеля , называемый медно-никелевым сплавом , используется в монетах малого номинала, часто для внешней оболочки. Американская пятицентовая монета (в настоящее время называемая никелем ) состоит из 75% меди и 25% никеля в однородном составе. До появления медно-никелевого сплава, который получил широкое распространение в странах во второй половине 20-го века, [54] также использовались сплавы меди и серебра , причем в США использовался сплав 90% серебра и 10% меди до тех пор, пока В 1965 году серебро было удалено из всех монет, за исключением полдоллара. В период с 1965 по 1970 год они были понижены до сплава, состоящего из 40% серебра и 60% меди. [55] Сплав 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. [56] Сплавы меди с алюминием (около 7%) имеют золотистый цвет и используются в украшениях. [26] Сякудо — это японский декоративный сплав меди, содержащий низкий процент золота, обычно 4–10%, который можно патинировать до темно-синего или черного цвета. [57]
Медь образует богатое разнообразие соединений, обычно со степенью окисления +1 и +2, которые часто называют медью и медью соответственно. [58] Соединения меди способствуют или катализируют многочисленные химические и биологические процессы. [59]
Как и в случае с другими элементами, простейшими соединениями меди являются бинарные соединения, то есть соединения, содержащие только два элемента, основными примерами которых являются оксиды, сульфиды и галогениды . Известны как оксиды меди , так и оксиды меди . Среди многочисленных сульфидов меди [60] важными примерами являются сульфид меди(I) ( Cu 2 S ) и моносульфид меди ( CuS ). [61]
Известны галогениды меди с фтором , хлором , бромом и йодом , а также галогениды меди с фтором , хлором и бромом . Попытки получить йодид меди (II) дают только йодид меди (I) и йод. [58]
Медь образует с лигандами координационные комплексы . В водном растворе медь(II) существует в виде [Cu(H
2О)
6]2+
. Этот комплекс демонстрирует самую быструю скорость водообмена (скорость присоединения и отсоединения водных лигандов) среди всех аквакомплексов переходных металлов . Добавление водного гидроксида натрия приводит к выпадению в осадок светло-голубого твердого гидроксида меди(II) . Упрощенное уравнение:
Водный раствор аммиака дает такой же осадок. При добавлении избытка аммиака осадок растворяется с образованием тетраамминмеди(II) :
Многие другие оксианионы образуют комплексы; к ним относятся ацетат меди (II) , нитрат меди (II) и карбонат меди (II) . Сульфат меди(II) образует синий кристаллический пентагидрат , самое известное соединение меди в лаборатории. Его используют в фунгициде под названием «Бордоская жидкость» . [62]
Полиолы , соединения, содержащие более одной спиртовой функциональной группы , обычно взаимодействуют с солями меди. Например, соли меди используются для проверки на редуцирующие сахара . В частности, при использовании реактива Бенедикта и раствора Фелинга о присутствии сахара сигнализирует изменение цвета от синего Cu (II) до красноватого оксида меди (I). [63] Реактив Швейцера и родственные ему комплексы с этилендиамином и другими аминами растворяют целлюлозу . [64] Аминокислоты , такие как цистин, образуют очень стабильные хелатные комплексы с медью(II) [65] [66] [67] , в том числе в форме металлоорганических биогибридов (МОБ). Существует множество влажных химических тестов на ионы меди, один из которых включает феррицианид калия , который дает блестящий синий осадок с солями меди (II). [68]
Соединения, содержащие связь углерод-медь, известны как медьорганические соединения. Они очень реакционноспособны по отношению к кислороду с образованием оксида меди(I) и имеют множество применений в химии . Их синтезируют путем обработки соединений меди (I) реактивами Гриньяра , терминальными алкинами или литийорганическими реагентами ; [69] в частности, последняя описанная реакция дает реактив Гилмана . Они могут подвергаться замещению алкилгалогенидами с образованием продуктов сочетания ; как таковые они важны в области органического синтеза . Ацетилид меди (I) очень чувствителен к ударам, но является промежуточным продуктом в таких реакциях, как сочетание Кадио-Ходкевича [70] и сочетание Соногаширы . [71] Сопряженное присоединение к енонам [72] и карбокупирование алкинов [73] также можно осуществить с помощью медьорганических соединений. Медь(I) образует разнообразные слабые комплексы с алкенами и окисью углерода , особенно в присутствии аминных лигандов. [74]
Медь(III) чаще всего встречается в оксидах. Простой пример — купрат калия KCuO 2 , твердое вещество сине-черного цвета. [75] Наиболее изученными соединениями меди(III) являются купратные сверхпроводники . Оксид иттрия-бария-меди (YBa 2 Cu 3 O 7 ) состоит как из центров Cu(II), так и Cu(III). Как и оксид, фторид является высокоосновным анионом [ 76] 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. [58]
Некоторые медные белки образуют оксокомплексы , которые в широко изученных синтетических аналоговых системах содержат медь (III). [77] [78] В случае тетрапептидов комплексы меди(III) пурпурного цвета стабилизируются депротонированными амидными лигандами. [79]
Комплексы меди(III) встречаются также в качестве промежуточных продуктов в реакциях медьорганических соединений, например в реакции Хараша-Сосновского . [80] [81] [82]
Хронология меди иллюстрирует, как этот металл способствовал развитию человеческой цивилизации за последние 11 000 лет. [83]
Медь встречается в природе как самородная металлическая медь и была известна некоторым из древнейших известных цивилизаций. История использования меди на Ближнем Востоке восходит к 9000 году до нашей эры; [84] В северном Ираке был найден медный кулон, датируемый 8700 годом до нашей эры. [85] Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что золото и метеоритное железо (но не плавленое железо) были единственными металлами, используемыми людьми до меди. [86] Считается, что история медной металлургии следует такой последовательности: сначала холодная обработка самородной меди, затем отжиг , плавка и, наконец, литье по выплавляемым моделям . В юго-восточной Анатолии все четыре метода появляются более или менее одновременно в начале неолита ок . 7500 г. до н.э. [87]
Плавка меди была изобретена независимо в разных местах. Вероятно, он был обнаружен в Китае до 2800 года до нашей эры, в Центральной Америке около 600 года нашей эры и в Западной Африке примерно в 9 или 10 веке нашей эры. [88] Самое раннее свидетельство литья меди по выплавляемым моделям происходит от амулета, найденного в Мехргархе , Пакистан, и датируется 4000 годом до нашей эры. [89] Литье по выплавляемым моделям было изобретено в 4500–4000 годах до нашей эры в Юго-Восточной Азии [84], а радиоуглеродное датирование позволило установить добычу полезных ископаемых в Олдерли Эдж в Чешире , Великобритания, в период с 2280 по 1890 год до нашей эры. [90]
Эци Ледяной человек , мужчина, датируемый 3300–3200 гг. до н.э., был найден с топором с медной головкой чистотой 99,7%; высокий уровень мышьяка в его волосах позволяет предположить, что он занимался выплавкой меди. [91] Опыт работы с медью способствовал развитию других металлов; в частности, выплавка меди привела к открытию выплавки железа . [91]
Производство в Старом медном комплексе в Мичигане и Висконсине датируется периодом между 6500 и 3000 годами до нашей эры. [92] [93] [94] Медный наконечник копья, найденный в Висконсине, датируется 6500 годом до нашей эры. [92] Использование меди коренными народами Старого медного комплекса в районе Великих озер Северной Америки было радиометрически датировано еще 7500 годом до нашей эры. [92] [95] [96] Коренные народы Северной Америки вокруг Великих озер , возможно, также занимались добычей меди в это время, что делает ее одним из старейших известных примеров добычи меди в мире. [97] В результате доисторического загрязнения свинцом озер в Мичигане есть свидетельства того, что люди в этом регионе начали добывать медь c. 6000 г. до н.э. [97] [92] Данные свидетельствуют о том, что утилитарные медные предметы все больше выходили из употребления в Старом медном комплексе Северной Америки в эпоху бронзы, и произошел сдвиг в сторону увеличения производства декоративных медных предметов. [98]
Природная бронза, разновидность меди, получаемая из руд, богатых кремнием, мышьяком и (редко) оловом, вошла в общее употребление на Балканах около 5500 г. до н.э. [99] Сплавление меди с оловом для получения бронзы впервые было осуществлено примерно через 4000 лет после открытия плавки меди и примерно через 2000 лет после того, как «природная бронза» вошла в общее употребление. [100] Бронзовые артефакты культуры Винча датируются 4500 г. до н.э. [101] Шумерские и египетские артефакты из медных и бронзовых сплавов датируются 3000 годом до нашей эры. [102] Египетский синий , или купрориваит (силикат меди-кальция) — это синтетический пигмент, содержащий медь, который начал использоваться в Древнем Египте около 3250 г. до н.э. [103] Процесс производства египетского синего цвета был известен римлянам, но к четвертому веку нашей эры пигмент вышел из употребления, и секрет процесса его производства был утерян. Римляне говорили, что синий пигмент был сделан из меди, кремнезема, извести и натрона и был известен им как церулеум .
Бронзовый век начался в Юго-Восточной Европе около 3700–3300 до н.э., в Северо-Западной Европе около 2500 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 периодом неолита и бронзовым веком раньше назывался периодом энеолита (медно-каменный), когда медные орудия использовались вместе с каменными орудиями. Этот термин постепенно вышел из моды, потому что в некоторых частях мира энеолит и неолит совпадают с обеих сторон. Латунь, сплав меди и цинка, имеет гораздо более позднее происхождение. Он был известен грекам, но во времена Римской империи стал существенным дополнением к бронзе. [102]
В Греции медь была известна под названием халкос (χαλκός). Это был важный ресурс для римлян, греков и других древних народов. В римские времена он был известен как aes Cyprium , aes — общий латинский термин для обозначения медных сплавов и Cyprium с Кипра , где добывалось много меди. Фраза была упрощена до cuprum , отсюда и английское медь . Афродита ( Венера в Риме) олицетворяла медь в мифологии и алхимии из-за ее блестящей красоты и древнего использования в производстве зеркал; Кипр, источник меди, был посвящен богине. Семь известных древним небесных тел были связаны с семью металлами, известными в древности, а Венера была отнесена к меди как из-за связи с богиней, так и потому, что Венера была самым ярким небесным телом после Солнца и Луны и поэтому соответствовала самый блестящий и желанный металл после золота и серебра. [104]
Медь впервые была добыта в древней Британии еще в 2100 году до нашей эры. Добыча полезных ископаемых на крупнейшей из этих шахт, Грейт-Орме , продолжалась и в позднем бронзовом веке. Добыча полезных ископаемых, по-видимому, в основном ограничивалась супергенными рудами, которые легче плавить. Богатые медные месторождения Корнуолла , похоже, остались в значительной степени нетронутыми, несмотря на обширную добычу олова в регионе, по причинам, скорее социальным и политическим, чем технологическим. [105]
Известно, что в Северной Америке самородная медь добывалась на участках острова Рояль с помощью примитивных каменных орудий между 800 и 1600 годами нашей эры. [106] Отжиг меди проводился в североамериканском городе Кахокия около 1000–1300 годов нашей эры. [107] Есть несколько изысканных медных пластин, известных как медные пластины Миссисипи , которые были найдены в Северной Америке в районе Кахокии и датируются этим периодом времени (1000–1300 гг. Н.э.). [107] Считалось, что медные пластины были изготовлены в Кахокии, а затем оказались в других местах на Среднем Западе и юго-востоке Соединенных Штатов, таких как тайник Вульфинга и пластины Этова .
В Южной Америке медная маска, датированная 1000 годом до нашей эры, найденная в аргентинских Андах, является старейшим известным медным артефактом, обнаруженным в Андах. [108] Перу считалось родиной ранней металлургии меди в доколумбовой Америке , но медная маска из Аргентины предполагает, что Кахон-дель-Майпо в южных Андах был еще одним важным центром ранней обработки меди в Южной Америке. [108] Медная металлургия процветала в Южной Америке, особенно в Перу, около 1000 года нашей эры. Были обнаружены медные погребальные украшения 15 века, но коммерческое производство металла началось только в начале 20 века. [ нужна цитата ]
Культурная роль меди была важна, особенно в денежном выражении. Римляне VI-III веков до нашей эры использовали в качестве денег медные куски. Сначала ценилась сама медь, но постепенно форма и внешний вид меди стали более важными. У Юлия Цезаря были свои монеты из латуни, а монеты Октавиана Августа Цезаря были изготовлены из сплавов Cu-Pb-Sn. При предполагаемом годовом объеме производства около 15 000 тонн римская деятельность по добыче и выплавке меди достигла непревзойденного масштаба до времен промышленной революции ; наиболее интенсивно минировались провинции Испании , Кипра и Центральной Европы. [109] [110]
В воротах Иерусалимского храма использована коринфская бронза , обработанная шлифованной позолотой . [ необходимы разъяснения ] [ необходима цитата ] Этот процесс был наиболее распространен в Александрии , где, как полагают, началась алхимия. [111] В древней Индии медь использовалась в целостной медицинской науке Аюрведе для изготовления хирургических инструментов и другого медицинского оборудования. Древние египтяне ( ~2400 г. до н.э. ) использовали медь для стерилизации ран и питьевой воды, а позже для лечения головных болей, ожогов и зуда. [ нужна цитата ]
Великая Медная Гора — рудник в Фалуне, Швеция, который действовал с 10 века по 1992 год. Он удовлетворял две трети потребления меди в Европе в 17 веке и помогал финансировать многие войны Швеции в то время. [112] Его называли сокровищницей нации; В Швеции была валюта, обеспеченная медью . [113]
Медь используется в кровельных работах, [19] валюте и в фототехнике, известной как дагерротипия . Медь использовалась в скульптуре эпохи Возрождения и использовалась для строительства Статуи Свободы ; медь продолжает использоваться в строительстве различных типов. Медное покрытие и медная обшивка широко использовались для защиты подводных корпусов кораблей - метод, впервые разработанный Британским Адмиралтейством в 18 веке. [114] Norddeutsche Affinerie в Гамбурге был первым современным гальваническим заводом, начавшим свое производство в 1876 году. [115] Немецкий ученый Готфрид Озанн изобрел порошковую металлургию в 1830 году, определяя атомную массу металла; Примерно тогда же было обнаружено, что количество и тип легирующего элемента (например, олова) к меди влияет на тон колокола. [ нужна цитата ]
Во время роста спроса на медь в эпоху электричества, с 1880-х годов до Великой депрессии 1930-х годов, Соединенные Штаты производили от трети до половины новой добычи меди в мире. [116] Основные районы включали район Кевино на севере Мичигана, в основном месторождения самородной меди, которые в конце 1880-х годов затмевались обширными сульфидными месторождениями Бьютта , штат Монтана , которые сами были затмлены порфировыми месторождениями юго-запада Соединенных Штатов, особенно в Бингем-Каньоне, штат Юта , и Моренси, штат Аризона . Внедрение открытой добычи полезных ископаемых с использованием паровых экскаваторов и инновации в плавке, рафинировании, флотационном обогащении и других этапах обработки привели к массовому производству. В начале двадцатого века первое место занимала Аризона , за ней следовала Монтана , затем Юта и Мичиган . [117]
Взвешенная плавка была разработана компанией Outokumpu в Финляндии и впервые применена в Харьявалте в 1949 году; На долю энергоэффективного процесса приходится 50% мирового производства первичной меди. [118]
Межправительственный совет стран-экспортеров меди , образованный в 1967 году Чили, Перу, Заиром и Замбией, действовал на рынке меди так же, как ОПЕК на нефти, хотя он никогда не достиг такого же влияния, особенно потому, что второй по величине производитель, Соединенные Штаты , никогда не был членом; он был распущен в 1988 году. [119]
Основными сферами применения меди являются электрические провода (60%), кровельные и сантехнические работы (20%) и промышленное оборудование (15%). Медь используется в основном в чистом виде, но когда требуется большая твердость, ее добавляют в такие сплавы, как латунь и бронза (5% от общего использования). [26] На протяжении более двух столетий медная краска использовалась на корпусах лодок, чтобы контролировать рост растений и моллюсков. [120] Небольшая часть поставок меди используется для пищевых добавок и фунгицидов в сельском хозяйстве. [62] [121] Возможна механическая обработка меди, хотя сплавы являются предпочтительными 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 часто предпочитают алюминий . [122] [123] Медная проволока используется в производстве электроэнергии , передаче энергии , распределении энергии , телекоммуникациях , электронных схемах и бесчисленных типах электрооборудования . [124] Электропроводка является важнейшим рынком для медной промышленности. [125] Сюда входят структурная силовая проводка, кабель распределения электроэнергии, провод для приборов, кабель связи, автомобильный провод и кабель, а также магнитный провод. Примерно половина всей добываемой меди используется для производства электрических проводов и кабельных проводников. [126] Многие электрические устройства используют медную проводку из-за множества присущих ей полезных свойств, таких как высокая электропроводность , прочность на разрыв , пластичность , сопротивление ползучести (деформации) , коррозионная стойкость, низкое тепловое расширение , высокая теплопроводность , простота пайка , пластичность и простота установки.
За короткий период с конца 1960-х до конца 1970-х годов во многих проектах жилищного строительства в Америке медная проводка была заменена алюминиевой . Новая проводка стала причиной ряда пожаров в домах, и промышленность вернулась к использованию меди. [127]
В интегральных схемах и печатных платах вместо алюминия все чаще используется медь из-за ее превосходной электропроводности; В радиаторах и теплообменниках используется 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. [128]
Превосходная проводимость меди повышает эффективность электродвигателей . [129] Это важно, поскольку на двигатели и системы с приводом от двигателя приходится 43–46% всего мирового потребления электроэнергии и 69% всей электроэнергии, используемой промышленностью. [130] Увеличение массы и сечения меди в катушке увеличивает эффективность двигателя. Медные роторы двигателей , новая технология, разработанная для двигателей, где экономия энергии является основной целью проектирования, [131] [132] позволяют асинхронным двигателям общего назначения соответствовать и превосходить премиальные стандарты эффективности Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) . [133]
Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная , ветровая , приливная , гидроэнергия , биомасса и геотермальная энергия, стали важными секторами энергетического рынка. [134] [135] Быстрый рост этих источников в 21 веке был вызван увеличением стоимости ископаемого топлива , а также проблемами его воздействия на окружающую среду , которые значительно снизили его использование.
Медь играет важную роль в этих системах возобновляемой энергетики. [136] [137] [138] [139] [140] Медь в среднем используется в пять раз больше в системах возобновляемой энергетики, чем в традиционных источниках энергии, таких как ископаемое топливо и атомные электростанции. [141] Поскольку медь является отличным проводником тепла и электричества среди конструкционных металлов (уступая только серебру), [142] электрические системы, в которых используется медь, генерируют и передают энергию с высокой эффективностью и с минимальным воздействием на окружающую среду.
При выборе электрических проводников проектировщики объектов и инженеры учитывают капитальные вложения в материалы в сравнении с эксплуатационной экономией за счет их эффективности использования электроэнергии в течение срока службы, а также затрат на техническое обслуживание. Медь часто показывает хорошие результаты в этих расчетах. Фактор, называемый «интенсивность использования меди», является мерой количества меди, необходимого для установки одного мегаватта новой генерирующей мощности.
При планировании нового объекта возобновляемой энергетики инженеры и разработчики продукции стремятся избежать нехватки поставок выбранных материалов. По данным Геологической службы США , запасы меди в недрах 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 в три раза за последние 50 лет. . [143] Ресурсы меди оцениваются в более чем 5000 миллионов тонн. [144] [145]
Поддержку поставок за счет добычи меди обеспечивает тот факт, что более 30 процентов меди, установленной в период с 2007 по 2017 год, было получено из переработанных источников. [146] Скорость его переработки выше, чем у любого другого металла. [147]Медь использовалась с древних времен как прочный, устойчивый к коррозии и атмосферным воздействиям архитектурный материал. [148] [149] [150] [151] Крыши , отливы , водосточные желоба , водосточные трубы , купола , шпили , своды и двери изготавливались из меди на протяжении сотен или тысяч лет. В наше время архитектурное использование меди расширилось и теперь включает облицовку внутренних и наружных стен , компенсаторы зданий , радиочастотную защиту , а также антимикробные и декоративные изделия для помещений, такие как привлекательные поручни, сантехника и столешницы. Некоторые из других важных преимуществ меди как архитектурного материала включают низкую термическую деформацию , легкий вес, молниезащиту и возможность вторичной переработки.
Характерная естественная зеленая патина металла уже давно пользуется популярностью у архитекторов и дизайнеров. Окончательная патина представляет собой особенно прочный слой, обладающий высокой устойчивостью к атмосферной коррозии и тем самым защищающий основной металл от дальнейшего атмосферного воздействия. [152] [153] [154] Это может быть смесь карбонатных и сульфатных соединений в различных количествах, в зависимости от условий окружающей среды, таких как серосодержащие кислотные дожди. [155] [156] [157] [158] Архитектурную медь и ее сплавы также можно «отделать» , чтобы придать ей особый вид, ощущение или цвет. Отделка включает механическую обработку поверхности, химическую окраску и покрытие. [159]
Медь обладает превосходными свойствами пайки и пайки , ее можно сваривать ; Наилучшие результаты дает газовая дуговая сварка . [160]
Медь биостатична , то есть на ней не будут расти бактерии и многие другие формы жизни. По этой причине его издавна использовали для обшивки частей кораблей для защиты от ракушек и мидий . Первоначально она использовалась в чистом виде, но с тех пор была заменена краской Muntz на основе металла и меди. Аналогичным образом, как обсуждалось в отношении медных сплавов в аквакультуре , медные сплавы стали важными сетчатыми материалами в отрасли аквакультуры , поскольку они обладают противомикробными свойствами и предотвращают биообрастание даже в экстремальных условиях [161] и обладают сильными структурными и коррозионно-стойкими свойствами [162] в морских условиях. среды.
Сенсорные поверхности из медного сплава обладают естественными свойствами, которые уничтожают широкий спектр микроорганизмов (например, кишечную палочку O157:H7, метициллин -резистентный золотистый стафилококк ( MRSA ), стафилококк , Clostridium difficile , вирус гриппа А , аденовирус , SARS-CoV-2). и грибы ). [163] [164] Индийцы использовали медные сосуды с древних времен для хранения воды, еще до того, как современная наука осознала ее противомикробные свойства. [165] Было доказано, что некоторые медные сплавы при регулярной очистке убивают более 99,9% болезнетворных бактерий всего за два часа. [166] Агентство по охране окружающей среды США (EPA) одобрило регистрацию этих медных сплавов как « противомикробных материалов, полезных для здоровья населения»; [166] что одобрение позволяет производителям предъявлять юридические претензии в отношении пользы для здоровья населения продукции, изготовленной из зарегистрированных сплавов. Кроме того, Агентство по охране окружающей среды одобрило длинный список антимикробных медных изделий, изготовленных из этих сплавов, таких как перила кроватей, поручни , надкроватные столики, раковины , смесители , дверные ручки , туалетное оборудование, компьютерные клавиатуры , оборудование для фитнес-клубов и тележки для покупок. ручки. Медные дверные ручки используются в больницах для уменьшения передачи болезней, а болезнь легионеров подавляется медными трубками в водопроводных системах. [167] Антимикробные изделия из медного сплава в настоящее время устанавливаются в медицинских учреждениях Великобритании, Ирландии, Японии, Кореи, Франции, Дании и Бразилии, а также в США [168] и в системе метрополитена. в Сантьяго, Чили, где в период с 2011 по 2014 год примерно на 30 станциях были установлены поручни из медно-цинкового сплава. [169] [170] [171] Текстильные волокна можно смешивать с медью для создания антимикробных защитных тканей. [172] [ ненадежный источник? ]
Ожидается, что общий объем мирового производства в 2023 году составит почти 23 миллиона метрических тонн . [173] Спрос на медь растет в связи с продолжающимся переходом энергетики на электричество . [174] На долю Китая приходится более половины спроса. [175]
Для некоторых целей можно заменить другие металлы, во многих случаях заменялась алюминиевая проволока , но неправильная конструкция приводила к опасности возгорания. [176] Проблемы безопасности с тех пор были решены за счет использования алюминиевых проводов большего размера (№ 8AWG и выше), а вместо медных до сих пор устанавливают правильно спроектированную алюминиевую проводку. Например, в Airbus A380 для передачи электроэнергии вместо медного используется алюминиевый провод. [177]
Медь может использоваться в качестве спекулятивной инвестиции из-за прогнозируемого увеличения ее использования в результате роста мировой инфраструктуры, а также той важной роли, которую она играет в производстве ветряных турбин , солнечных панелей и других возобновляемых источников энергии. [178] [179] 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 обсуждается. [180] [181] Некоторые люди инвестируют в медь через акции горнодобывающих компаний, ETF и фьючерсы . Другие хранят физическую медь в виде медных слитков или круглых монет, хотя за них обычно приходится более высокая надбавка по сравнению с драгоценными металлами. [182] Те, кто хочет избежать премий за медные слитки , альтернативно хранят старую медную проволоку , медные трубки или американские монеты, изготовленные до 1982 года . [183]
Медь обычно используется в ювелирных изделиях, и, согласно некоторым фольклору, медные браслеты облегчают симптомы артрита . [184] В одном исследовании остеоартрита и одном исследовании ревматоидного артрита не было обнаружено различий между медным браслетом и контрольным (немедным) браслетом. [185] [186] Нет данных о том, что медь может впитываться через кожу. Если бы это было так, это могло бы привести к отравлению медью . [187]
Chromobacterium violaceum и Pseudomonas fluorescens могут мобилизовать твердую медь в виде цианидного соединения. [188] Эрикоидные микоризные грибы, связанные с Calluna , Erica и Vaccinium , могут расти в металлоносных почвах, содержащих медь. [188] Эктомикоризный гриб Suillus luteus защищает молодые сосны от токсичности меди. Образец гриба Aspergillus niger был обнаружен в растворе для добычи золота и содержал цианокомплексы таких металлов, как золото, серебро, медь, железо и цинк. Гриб также играет роль в растворении сульфидов тяжелых металлов. [189]
Медные белки играют разнообразную роль в биологическом транспорте электронов и кислорода, процессах, в которых используется легкое взаимное превращение Cu(I) и Cu(II). [190] Медь необходима для аэробного дыхания всех эукариот . В митохондриях он содержится в цитохром-с-оксидазе , которая является последним белком в процессе окислительного фосфорилирования . Цитохром С-оксидаза – это белок, который связывает O 2 между медью и железом; белок передает 8 электронов молекуле О 2 , чтобы восстановить ее до двух молекул воды. Медь также содержится во многих супероксиддисмутазах — белках, которые катализируют разложение супероксидов путем превращения их (путем диспропорционирования ) в кислород и перекись водорода :
Белок гемоцианин является переносчиком кислорода у большинства моллюсков и некоторых членистоногих , например мечехвоста ( Limulus polyphemus ). [191] Поскольку гемоцианин имеет синий цвет, у этих организмов кровь голубая, а не красная, как у гемоглобина на основе железа . Структурно родственными гемоцианину являются лакказы и тирозиназы . Вместо обратимого связывания кислорода эти белки гидроксилируют субстраты, о чем свидетельствует их роль в образовании лаков . [192] Биологическая роль меди началась с появлением кислорода в атмосфере Земли. [193] Некоторые медные белки, такие как «белки синей меди», не взаимодействуют напрямую с субстратами; следовательно, они не являются ферментами. Эти белки передают электроны посредством процесса, называемого переносом электронов . [192]
В редуктазе закиси азота обнаружен уникальный четырехъядерный медный центр . [194]
Химические соединения, разработанные для лечения болезни Вильсона, исследовались на предмет использования в терапии рака. [195]
Медь является важным микроэлементом у растений и животных, но не у всех микроорганизмов. В организме человека медь содержится на уровне примерно от 1,4 до 2,1 мг на кг массы тела. [196]
Медь всасывается в кишечнике, а затем транспортируется в печень в связи с альбумином . [197] После переработки в печени медь распределяется по другим тканям на второй фазе, в которой участвует белок церулоплазмин , переносящий большую часть меди в крови. Церулоплазмин также содержит медь, которая выделяется с молоком, и особенно хорошо усваивается в качестве источника меди. [198] Медь в организме обычно подвергается энтерогепатической циркуляции (около 5 мг в день по сравнению с примерно 1 мг в день, всасываемой с пищей и выводимой из организма), и организм при необходимости способен вывести излишки меди. через желчь , которая выводит из печени некоторое количество меди, которая затем не реабсорбируется в кишечнике. [199] [200]
Институт медицины США (МОМ) обновил расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для меди в 2001 году. Если нет достаточной информации для установления EAR и RDA, используется оценка, обозначенная как адекватное потребление (AI). вместо. ПД 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 рекомендуемые нормы содержания 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 14–13 лет. 18 лет и 900 мкг меди для детей 19 лет и старше. При беременности 1000 мкг. При лактации 1300 мкг. [201] Что касается безопасности, МОМ также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (ВДУ) витаминов и минералов, когда доказательства достаточны. В случае меди UL устанавливается на уровне 10 мг/день. В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются эталонными диетическими нормами потребления . [202]
Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации эталонными диетическими значениями, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определены так же, как и в США. Для женщин и мужчин в возрасте 18 лет и старше ИП установлены на уровне 1,3 и 1,6 мг/день соответственно. ИИ при беременности и лактации составляет 1,5 мг/день. Для детей в возрасте 1–17 лет доза ИА увеличивается с возрастом от 0,7 до 1,3 мг/день. Эти AI выше, чем RDA в США. [203] Европейское управление по безопасности пищевых продуктов рассмотрело тот же вопрос о безопасности и установило предельно допустимую дозу на уровне 5 мг/день, что составляет половину значения в США. [204]
Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (% ДВ). Для целей маркировки меди 100% дневной нормы составляло 2,0 мг, но по состоянию на 27 мая 2016 г. [обновлять]она была пересмотрена до 0,9 мг, чтобы привести ее в соответствие с RDA. [205] [206] Таблица старых и новых дневных норм для взрослых представлена в разделе «Справочная суточная норма» .
Из-за своей роли в облегчении усвоения железа дефицит меди может вызывать симптомы, подобные анемии , нейтропению , аномалии костей, гипопигментацию, нарушение роста, повышенную заболеваемость инфекциями, остеопороз, гипертиреоз и нарушения метаболизма глюкозы и холестерина. И наоборот, болезнь Вильсона вызывает накопление меди в тканях организма.
Тяжелый дефицит можно обнаружить путем тестирования на низкие уровни меди в плазме или сыворотке, низкий уровень церулоплазмина и низкие уровни супероксиддисмутазы эритроцитов; они не чувствительны к маргинальному статусу меди. «Активность цитохром-с-оксидазы лейкоцитов и тромбоцитов» была указана как еще один фактор дефицита, но результаты не были подтверждены репликацией. [207]
Граммовые количества различных солей меди были приняты при попытках самоубийства и вызвали острую токсичность меди у людей, возможно, из-за окислительно-восстановительного цикла и образования активных форм кислорода , которые повреждают ДНК . [208] [209] Соответствующие количества солей меди (30 мг/кг) токсичны для животных. [210] Сообщается, что минимальная диетическая ценность для здорового роста кроликов составляет не менее 3 частей на миллион в рационе. [211] Однако более высокие концентрации меди (100 ppm, 200 ppm или 500 ppm) в рационе кроликов могут благоприятно влиять на эффективность конверсии корма , скорость роста и процент разделки тушки. [212]
Хроническая токсичность меди обычно не возникает у людей из-за наличия транспортных систем, регулирующих всасывание и выведение меди. Аутосомно-рецессивные мутации в белках-переносчиках меди могут вывести из строя эти системы, что приведет к болезни Вильсона с накоплением меди и циррозу печени у лиц, унаследовавших два дефектных гена. [196]
Повышенный уровень меди также связан с ухудшением симптомов болезни Альцгеймера . [213] [214]
В США Управление по охране труда (OSHA) установило допустимый предел воздействия (PEL) медной пыли и паров на рабочем месте как средневзвешенное по времени значение (TWA) 1 мг/м 3 . [215] Национальный институт охраны труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) на уровне 1 мг/м 3 , средневзвешенное по времени. Значение IDLH (непосредственно опасное для жизни и здоровья) составляет 100 мг/м 3 . [216]
Медь входит в состав табачного дыма . [217] [218] Табачное растение легко поглощает и накапливает тяжелые металлы , такие как медь, из окружающей почвы в свои листья. Они легко впитываются в организм пользователя после вдыхания дыма. [219] Последствия для здоровья не ясны. [220]
Национальное исследование, проведенное Исследовательским институтом Франклина для CPSC, показало, что в домах, построенных до 1972 года и оснащенных алюминиевой проводкой, вероятность того, что одно или несколько проводных соединений в розетках достигнет «условий пожароопасности», 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 избыток меди может привести к отравлению, рвоте и, в тяжелых случаях, к отравлению. повреждение печени.