Медь – ключевые свойства, способы добычи, сферы применения

Медь — это мягкий и пластичный металл, который уже на протяжении нескольких тысячелетий неразрывно связан с развитием человечества. От примитивных украшений и инструментов до современных компьютерных технологий — медь продолжает играть важнейшую роль в производстве и повседневной жизни, охватывая почти все ее сферы. В этой статье мы вспомним историю использования меди, разберем ее ключевые свойства и особенности добычи, а также определим экономические показатели и потенциал развития рынка медной промышленности.

Историческая роль и значимость меди

Медь считается самым первым металлом, который люди научились добывать и использовать. Известно, что медные украшения изготавливали на Ближнем Востоке уже около 11 000 лет назад: соответствующие артефакты были найдены в ходе раскопок в Турции и Ираке. На протяжении нескольких тысяч лет для производства использовали самородную медь, то есть минерал, почти не содержащий других примесей. Его обрабатывали методом холодной ковки, т.е. придавали необходимую форму, не подвергая термической обработке.

Примерно в середине V тысячелетия до нашей эры зародилась металлургия: открыв метод плавления, люди научились извлекать медь из руд, а также расширили возможности применения самородной меди. Из нее начали изготавливать топоры, наконечники стрел и копий, посуду и всевозможные бытовые инструменты. На Земле наступал медный век: в зависимости от региона это происходило в период с 4500 по 3500 годы до нашей эры. Раньше всего технология выплавки была освоена в Юго-Восточной Европе, Северной Африке и Китае.

Конец IV–начало III тысячелетия до нашей эры ознаменовалось наступлением бронзового века в Евразии и Африке. Бронза — сплав меди и олова — оказалась значительно прочнее и долговечнее, чем эти металлы по отдельности. Таким образом, медные изделия начали уступать место бронзовым. Помимо оружия и инструментов, бронзу использовали для производства доспехов и шлемов, монет и медалей, скульптур и сосудов.

В античный период медь добывали в основном на Кипре, где было особенно крупное месторождение. Во времена Римской империи металл начали называть «aes Cyprium», что в переводе означает «руда с Кипра». Впоследствии термин трансформировался в «Cuprum». И именно под таким названием и атомным номером 29 медь, обозначаемая как Cu, значится в Периодической системе химических элементов, созданной Дмитрием Менделеевым. В русском языке слово «медь», вероятно, происходит от идентичного праславянского корня, которым обозначали любые металлы.

Характеристики и свойства меди

Физические свойства меди: цвет, плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность

• В чистом виде медь имеет розовый цвет, однако на воздухе она покрывается оксидной пленкой и приобретает свой узнаваемый золотисто-оранжевый оттенок, известный как медный.
• При комнатной температуре плотность меди составляет 8,9 г/см³. Можно сказать, что такой показатель является «золотой серединой» — медь достаточно прочна и одновременно удобна в использовании благодаря небольшому удельному весу.
• Температура плавления меди составляет 1 085 °C. Это значительно выше, чем у олова или свинца и требует относительно высоких затрат энергии при плавке. С другой стороны, изделия из меди надежно защищены от нежелательного перегрева.
• По удельной электропроводности — 58 МСм/м — медь уступает только серебру. При этом медь в несколько раз дешевле, что делает ее одним из самых надежных материалов в производстве электрических проводов и кабелей.
• По теплопроводности медь также занимает вторую строчку после серебра с показателем 401 Вт/(м·К). Благодаря способности быстро отводить и равномерно рассеивать тепло медь высоко ценится в самых разных отраслях производства.

Химические свойства меди: устойчивость к коррозии, взаимодействие с кислотами и кислородом

Медь медленно реагирует с кислородом, но чем выше влажность воздуха, тем интенсивнее происходит этот процесс. Однако окисление почти останавливается, когда на поверхности металла образуется достаточно толстый слой оксидной пленки — па́тины, благодаря которой медь постепенно темнеет. Эта пленка выполняет важную функцию, так как она защищает медь от коррозии, не влияя при этом на физические и химические свойства металла. Под воздействием различных примесей в атмосферном воздухе патина постепенно тускнеет и приобретает зеленоватый оттенок, который можно увидеть на медных или бронзовых скульптурах, стоящих вне помещения, особенно в больших городах.

Медь не вступает в реакцию с разбавленными неокисляющими кислотами, такими как соляная (HCl) или серная (H₂SO₄). Это объясняется тем, что медь обладает более низкой активностью, чем водород и не может вытеснить его из молекул. Однако ситуация кардинально меняется при взаимодействии с концентрированными окисляющими кислотами. Например, медь активно реагирует с азотной кислотой (HNO₃), в результате чего образуется нитрат меди (Cu(NO₃)₂) — компонент, часто используемый в химической промышленности.

Механические свойства меди: пластичность, ковкость, прочность

Медь входит в тройку самых пластичных металлов, уступая по этому показателю только золоту и серебру. Она может длительное время деформироваться под нагрузкой — растягиваться или изгибаться, не ломаясь. Всего из 1 грамма металла можно вытянуть проволоку длиной порядка 13 метров, диаметр которой составит 0,1 мм, что сравнимо с толщиной человеческого волоса. Пластичность также обеспечивает высокую ковкость меди. Это означает, что металл не трескается под воздействием ударных нагрузок

В чистом виде медь имеет умеренную прочность, которая заметно снижается после отжига — контролируемого нагрева и охлаждения. Методы холодной деформации, такие как прокатка между вращающимися цилиндрическими механизмами, положительно сказываются на прочности, но снижают пластичность материала. Компромиссным вариантом можно считать добавление примесей, однако примеси также зачастую приводят к нежелательным эффектам. Например, алюминий снижает электропроводность меди, а железо уменьшает ее устойчивость к коррозии. В итоге если от меди необходимо добиться максимальной прочности, применяют ее сплавы, например, с бериллием или литием.

Добыча и производство меди

Основные медные руды (халькопирит, борнит, малахит и др.)

Несмотря на повсеместную распространенность в повседневной жизни, в земной коре медь встречается достаточно редко — порядка 50 частей на миллион. Более 90% мировых запасов этого металла сосредоточено в медных рудах. Чаще всего эти минералы представляют собой сульфиды или оксиды, то есть соединения меди с серой или кислородом соответственно. Мы с вами рассмотрим несколько распространенных руд с указанием средней доли содержания меди.

• Куприт (Cu₂O) — 88,1%. Эта самая богатая медью руда имеет темно-красный или почти черный цвет. В месторождениях, расположенных в Алтайских горах (Россия) и Намибии куприт находят в форме достаточно крупных кристаллов, пригодных для огранки. В этом случае его используют для производства ювелирных украшений.
• Халькоцит (Cu₂S) — 79.8%. Сера придает этому минералу синеватый или серо-стальной оттенок. Халькоцит редко встречается в месторождениях, но считается одной из самых прибыльных руд благодаря легкости отделения меди от серы.
• Борнит (Cu₅FeS₄) — 63,3%. Этот красноватый или коричневый минерал зачастую приобретает переливающиеся синие и фиолетовые оттенки, за что его часто называют «павлиньей рудой». Борнит проявляет магнитные свойства, благодаря которым он высоко ценится в электронной промышленности.
• Малахит (Cu₂CO₃(OH)₂) — 57,7%. Яркий изумрудный минерал считается самой первой рудой, из которой люди научились выплавлять медь. Со временем его начали использовать преимущественно в декоративных целях. Например, в Эрмитаже есть Малахитовый зал — парадная гостиная, в которой этот минерал использовали для отделки колонн и предметов интерьера.
• Халькопирит (CuFeS2) — 34,5%. Хотя этот золотистый минерал замыкает наш рейтинг медных руд, он все же широко используется в металлургии. Дело в том, что порядка 70% мировых запасов меди сосредоточено именно в месторождениях халькопирита. Визуально халькопирит очень похож на золото, однако его можно легко отличить по хрупкости и невысокой плотности.

Способы добычи: открытые и подземные рудники

Когда медная руда располагается не глубже 300–500 метров под поверхностью, ее добывают открытым способом, то есть разрабатывают карьеры. С помощью тяжелой техники специалисты послойно удаляют пустые породы — вскрышу, — после чего медные руды отделяют посредством взрывных работ. При глубине залегания свыше 500 метров открытый способ добычи, как правило, неэффективен, и тогда для добычи медной руды строят шахты. Строительство и содержание подземных рудников требует колоссальных финансовых вложений, однако этот способ наносит меньший ущерб экологии.

Металлургическая переработка: пирометаллургия и гидрометаллургия

Как мы уже знаем, большая часть руд отличается низким содержанием меди, поэтому для извлечения металла их отправляют на обогащение и переработку. В большинстве случаев используется 2 основных метода: пирометаллургический и гидрометаллургический.

Пирометаллургия используется при добыче меди из сульфидных руд, таких как халькопирит. Важно отметить, что халькопирит почти не встречается в чистом виде, поэтому реальная доля содержания меди в добытой руде варьируется в пределах всего лишь 0,5 – 2%. Чтобы обогатить руду, ее измельчают и смешивают с водой и химическими реагентами на основе кремния. В результате реакций сульфиды меди поднимаются на поверхность с пузырьками воздуха, а лишние породы оседают на дне сосуда. Готовый концентрат плавят при температуре порядка 1 500 °C, что позволяет выделить 2 характерных слоя:

• шлак — верхний слой, состоящий из оксидов железа и кремния;
• штейн — нижний слой, содержащий сульфиды меди и железа.

Важной задачей заключительного этапа пирометаллургии является отделение меди от серы и железа. Для этого расплавленный штейн помещают в конвертер — агрегат в виде большого чана — и продувают горячим воздухом. В результате конвертации образуется черновая медь, в которой все еще остаются примеси. Их удаляют с помощью электролиза: пластины из черновой и чистой меди, помещенные в электролитную жидкость, выполняют функции анода и катода соответственно. При пропускании тока через электролит медь с анода переносится на катод, а примеси выпадают в осадок — шлам.

Метод гидрометаллургии подходит для оксидных руд, которые распространены не так широко, как сульфидные. Измельченный куприт или малахит подвергают выщелачиванию, то есть помещают в разбавленную серную кислоту с целью получения раствора, содержащего ионы меди. Затем из раствора необходимо удалить ненужные примеси. Часто это делают методом экстракции: в водный раствор добавляют органический растворитель, компоненты которого связывают ионы меди. Процесс продолжается обратной экстракцией, то есть переводом меди в водную фазу, но уже в концентрированном виде. В конце чистую медь добывают уже знакомым нам методом электролиза с той лишь разницей, что ее частицы осаждаются на катоде непосредственно из раствора.

Применение меди

Значительная часть произведенной меди находит применение в чистом виде. Особенно высоко она ценится в тех сферах производства, где важны электропроводность, теплопроводность и пластичность.

• Электротехника: медь обеспечивает передачу тока с минимальными потерями и часто используется для изготовления проводки, кабелей, обмоток двигателей и трансформаторов. Медные дорожки соединяют компоненты в печатных платах компьютеров и других устройств.
• Теплотехника: медь — распространенный материал для изготовления труб в системах водопровода, отопления и охлаждения. Эффективный теплообмен и коррозионная стойкость меди являются главными факторами долговечности техники.
• Строительство: хотя медь уступает по прочности многим материалам, ее используют для изготовления кровли и фасадных панелей. Образующаяся патина не только выступает в роли естественного защитного слоя, но и добавляет элементам эстетической привлекательности.

Кроме того, частицы меди обладают антибактериальными свойствами и могут уничтожать или деактивировать многочисленные патогенные микроорганизмы. Поэтому иногда медицинские учреждения оборудуют дверными ручками, перилами и другими контактными поверхностями из меди.

Медные сплавы

Бронза (медь + олово): применение в машиностроении, искусстве

Традиционно бронзой называют сплав, состоящий из меди и 12% олова, однако в наши дни к бронзовым также относят сплавы с алюминием, кремнием или свинцом. И хотя бронза чаще всего воспринимается как материал, используемый в архитектуре и искусстве, в действительности сфера ее применения гораздо шире. В машиностроении из оловянной бронзы изготавливают детали, подверженные трению: втулки, шестерни и подшипники. Кроме того, бронза является предпочтительным материалом для отливки колоколов — для улучшения звуковых качеств долю олова в сплаве увеличивают до 20%.

Латунь (медь + цинк): декоративные элементы, механические детали

Латунь — это сплав меди и цинка, доля содержания которого может варьироваться от 30 до 50%. Латунь отличается сбалансированными показателями прочности и пластичности, а кроме того, ее производство обходится дешевле, чем выплавка бронзы. Медно-цинковый сплав хорошо подходит для изготовления механических деталей, таких как замки, крепежные элементы, пружины и элементы станков. Декор из латуни пользуется популярностью благодаря сочетанию благородного внешнего вида и доступной стоимости. Также отметим, что латунь является основным материалом в производстве медных духовых инструментов: труб, валторн и тромбонов.

Другие сплавы меди: мельхиор, нейзильбер, константан

В промышленности также распространены медно-никелевые сплавы, которые ценят за высокую прочность и привлекательные серебристые оттенки.

• Мельхиор — включает до 30% никеля, а также незначительные примеси железа и марганца. Большинство современных монет серебристого цвета изготавливают из мельхиора. Также им покрывают корпуса кораблей и морских платформ.
• Нейзильбер — обычно содержит по 20% никеля и цинка. Из нейзильбера часто делают медицинские инструменты, так как он не теряет своих свойств после многократных циклов дезинфекции и стерилизации.
• Константан — содержит порядка 40% никеля и 1–2% марганца. Константан входит в категорию электротехнических сплавов, так как демонстрирует стабильно высокое электрическое сопротивление в широком диапазоне температур. Из сплава изготавливают резисторы, позволяющие регулировать силу тока и напряжение в электрической цепи.

Экономическое значение и рынок меди

Несмотря на то, что люди используют медь уже более 11 000 лет, более 95% этого металла было добыто и переработано в XX и XXI веках. С 1900 по 2024 год мировое производство меди выросло с 0,5 до 27,5 млн тонн в год. Рыночная цена меди, хотя и демонстрирует положительную динамику, отличается высокой волатильностью. Интересно, что изменение ее цены коррелирует с динамикой мирового ВВП и весьма точно отражает состояние мировой экономики. Например, значительные обвалы происходили во время нефтяных кризисов 1973 и 1979 годов, глобальной рецессии 2008 года и пандемии коронавируса 2020 года.

По усредненным оценкам, к 2040 году спрос на медь вырастет на 40%. Эксперты делают такие прогнозы из-за роста энергопотребления и перехода на возобновляемые источники энергии, так как медь входит в состав компонентов солнечных панелей и ветрогенераторов. При этом многие сомневаются, что возросший спрос будет компенсирован предложением, на что указывают низкая рентабельность разработки месторождений, экологические и социальные проблемы, связанные с горной добычей. Если этот прогноз сбудется, существенный скачок цен на медь может затормозить технологический прогресс и развитие альтернативной энергетики.

Крупнейшие производители меди

Крупнейшим в мире производителем меди является Чили — в 2024 году в этой стране добыли и переработали 5,3 млн тонн этого металла, или 19,2% от общемирового производства. В топ-5 стран с показателями более 1 млн тонн также входят ДР Конго, Перу, Китай и США. Российские компании за этот же период суммарно добыли около 900 000 тонн меди. По оценкам Минприроды РФ, запасов меди в нашей стране при сохранении объемов добычи должно хватить на ближайшие 90 лет.

Интересные факты о меди

• Медь — это не только распространенный промышленный металл, но и элемент, необходимый для правильного функционирования организма человека. Она участвует в синтезе энергетических молекул аденозинтрифосфата, стимулирует кроветворение и транспортировку кислорода, а также укрепляет структуру соединительных тканей.
• В продолжение биологической темы отметим, что продуктами с высокой долей содержания меди являются говяжья и куриная печень, устрицы, кальмары и орехи кешью. Для хорошей усвояемости медь лучше принимать вместе с витамином C, но отдельно от железосодержащих продуктов и фруктозы.
• Древние египтяне начали проводить хирургические операции примерно в 1500 году до нашей эры. Медь, добытая из малахитовой руды, использовалась для производства инструментов, похожих на современные скальпели и щипцы. Кроме того, медь входила в состав ранозаживляющих мазей, дезинфицирующих жидкостей и зубных порошков.

Медь в вопросах и ответах

1. Каковы основные физические и химические свойства меди?

Медь обладает высокой пластичностью, ковкостью, электро- и теплопроводностью. Этот металл демонстрирует устойчивость к коррозии, медленно реагирует с кислородом и совсем не реагирует со слабыми кислотами.

2. Где и как добывают медь в промышленных масштабах?

В промышленных масштабах медную руду добывают в карьерах и подземных шахтах. Для отделения руд, как правило, используют взрывные работы и бурение.

3. Какие страны лидируют в производстве меди?

По данным за 2024 год, в производстве меди лидируют Чили, ДР Конго и Перу.

4. Почему медь так широко используется в электротехнике?

Медь обладает самой высокой электропроводностью после серебра, однако она стоит дешевле и легко вытягивается в длинные провода.

5. Какие существуют медные сплавы и где они применяются?

Самыми распространенными медными сплавами являются бронза и латунь. Они используются в архитектуре и искусстве, машиностроении и производстве механических деталей.

6. Какую роль медь играет в строительстве и транспорте?

В строительстве медь часто используется для изготовления кровли и элементов фасадов. Также это распространенный материал для производства систем охлаждения двигателей и обшивки морских судов.

7. Используется ли медь в медицине и биологии?

Благодаря антибактериальным свойствам медь используют как поверхность для дверных ручек и поручней в больницах. Медь — это биологически активный элемент, который входит в состав многих ферментов и поддерживает работу кровеносной системы.

8. Какие экологические проблемы связаны с добычей меди?

Добыча меди негативно влияет на окружающую среду. Разработка карьеров наносит ощутимый ущерб экосистемам и способствует повышению уровня выбросов углекислого газа. Заброшенные подземные медные рудники закисляют подземные воды, снижая плодородность окружающей почвы.

9. Как перерабатывают медь и насколько это экономически выгодно?

Первичная переработка меди осуществляется методами пиро- и гидрометаллургии. Пирометаллургические методы требуют существенных финансовых затрат и являются экономически выгодными при больших объемах руды. Гидрометаллургия требует меньших затрат энергии, однако она используется реже из-за малой распространенности оксидных руд.

10. Какие перспективы у меди в будущем с развитием новых технологий?

Медь останется ключевым материалом, и спрос на нее только вырастет благодаря росту цифровизации и развитию «зеленой» энергетики. Медь и ее сплавы используют для производства контактных решеток солнечных панелей, обмоток в генераторах ветряных турбин и теплообменников в коллекторах. Однако уже к 2040 году мир может столкнуться с дефицитом этого металла из-за истощения крупных месторождений и ужесточения экологических требований.

***

От изготовления простых украшений и инструментов на Ближнем Востоке до производства чипов искусственного интеллекта и модулей солнечных панелей — медь остается важнейшим материалом в масштабах всего человечества. И хотя риск будущего дефицита является серьезной угрозой, разработка инновационных экологически безопасных способов добычи должна решить эту проблему. Медь — это нечто большее, чем просто металл, это своеобразный «мост» между прошлым и будущим, связывающий разные этапы технологического прогресса.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik

• #Металлургия