3.1. Элементы iв группы

Медь Сu, серебро Ag и золото Аи составляют побочную подгруппу 1 группы периодической системы. Краткая электронная формула их должна быть nS²(n-1)d⁹. Устойчивость конфигурации d¹⁰, делает энергетически выгодным переход 1-го S-электрона на d- подуровень и конфигурация становится nS¹(n-1)d¹⁰. Степень окисления элементов подгруппы меди может быть +1,+2 и +3. Более устойчивые степени окисления: Сu +2, Ag + 1, Au +3.

Особая устойчивость соединений Ag со с.о. +1 объясняется большой прочностью конфигурации 4d¹⁰ по сравнению с 3d¹⁰ и 5d¹⁰ (уже Pd имеет 5S⁰ 4d¹⁰).

Распространение в природе

и получение

Из-за своей химической пассивности эти металлы встречаются в природе в самородном состоянии.

Медь входит в состав 200 минералов, образуя, в основном, сульфидные руды: медный блеск Cu₂S (халькозин), медный колчедан CuFeS₂(халькопирит), CuS – ковеллин , Cu₂О – куприт, (CuOH)₂CO₃-малахит. Причем медь чаще других встречается в самородном состоянии.

Серебро - встречается как примесь сульфидных руд Pb, Cu, Zn, Cd и др. Собственные руды содержат Ag₂S-аргенит, AgCI- роговое серебро. Известен наибольший самородок серебра -13,5 т.

Золото - встречается почти исключительно в самородном состоянии, в виде мелких зерен, вкрапленных в кварц (в среднем на 1 т песка – 2-4г золота). Самый крупный самородок –112 кг.

Содержание меди в рудах невелико (1% Cu), поэтому их предварительно обогащают с получением твердых концентратов — медный, цинковый и пиритный остатки. Из медного концентрата извлекают медь пирометаллургическим методом, который складывается из ряда последовательных процессов:

Для отделения меди от железа и пустой породы медную руду обжигают на воздухе. При этом сульфи­ды железа (FeS₂, FeS) переходят в FeО, так как они окисляются легче, чем сульфиды меди (Cu₂S, CuS). SO₂ утилизируется в производстве сер­ной кислоты. К образовавшемуся огарку добавляют кремнезем и кокс; шихту направляют на плавку. В результате плавки образуется две жидкие фазы. В верхний слой (шлак) - сплав оксидов и силикатов - переходит часть железа и компонентов пустой породы. Нижний (штейн)– сплав сульфидов, в котором концентрируется медь, некоторое количество FeS и сопутствующие ей ценные элементы (Au, Ag, Se, Te, Ni и др.)

Горячий огарок (штейн), содержащий Cu₂S и FeS, до­бавляя флюсы (SiO₂), обжигают в конверто­ре, где сульфиды переходят в оксиды:

2 Cu₂S + 3 О₂ = 2Cu₂O + 2 SO₂

Оксид меди, взаимодей­ствуя с Cu₂S, образует черновую медь:

2Cu₂O + Cu₂S = 6Cu + SO₂

Расплавленную медь выливают и подвергают окисли­тельной плавке, пропуская через нее сжатый воздух. Полученная медь содержит 99,3—99,6% Сu, а остальное приходится на Ag, Аu и другие металлы.

Гидрометаллургический метод включает растворение медной руды в разбавленных растворах Н₂SO₄, NН₃ или Fe₂(SO₄)₃, по схеме:

Cu₂S + 2 Fe₂(SO₄)₃ = 4 FeSO₄ + 2 CuSО₄ + S

Из полученных растворов медь вытесняют железом или выделяют электролизом.

Медь вы­сокой чистоты получают электролитическим рафинированием. Электролитом служит раствор CuSO₄ + H₂SO₄, анодом — медные болванки черновой меди, а катодом – пластинки чистой меди. При элек­тролизе на катоде выделяется медь, содержащая 99,95— 99,99% Сu, называемая электролитической медью, а вышеуказанные примеси переходят в электролизер, из которого их извлекают раздельным способом.

Серебро получают при пирометаллургической обработке руд цветных металлов (Cu, Zn); серебро из неочищенной меди выделяют электролизом (из шлама).

Золото отделяют от песка и измельченной кварцевой породы - цианидным методом, промывкой и амальгамацией:

4Au + 8NaCN + O₂ + 2H₂O= 4NaAu(CN)₂ + 4NaOH

Из комплекса золото восстанавливают цинковой пылью

2NaAu(CN)₂ + Zn = Na₂ Zn(CN)₄ + 2 Au

или используют ионнообменные смолы.

Серебро, из нерастворимых в воде хлорида и сульфида получают аналогичным способом, при этом серебро переходит в раствор в виде комплексного соединения: K[Ag(CN)₂] из которого его восстанавливают цинковой пылью.

Физические свойства

Cu, Au, Ag- это металлы соответственно медно-красного, серебристо-белого и золотисто-желтого цвета. Это вязкие, ковкие и тягучие металлы. Медь, серебро, а особенно золото имеют высокую пластичность (1г золота можно вытянуть в нить длинной 3 км, а пластинки из Аu могут быть толщиной 0,0001 мм.). Эти металлы хорошо проводят электрический ток и тепло. Лучший проводник из металлов Ag , затем Cu и Au.

Температура плавления и плотность (см. табл.3.3.) их больше чем у щелочных металлов, т.к. их радиусы меньше и более плотные упаковки в кристаллической решетке.

Tаблица 3.3 .

Некоторые свойства элементов подгруппы меди

Металл	Rат, нм	Плотность, г/см^3	Jио., эВ	Стандартный электродный потенциал, В	Tпл.,^0С	Tкип.,^0С	Содержание в земной ко-ре, масс.%
Cu	0,128	8,96	7,72	0,52 Э^+/Э 0,34 Э^+2/Э	1083	2543	2,010^^3
Ag	0,144	10,5	7,57	0,80 Э^+/Э	961,5	2167	710^^6
Au	0,144	19,3	9,22	1,69 Э^+/Э 1,498 Э^+3/Э	1063	2880	410^^7

Это тяжелые цветные металлы. Ag и Au относятся к благородным металлам.

Все металлы легко образуют сплавы друг другом. Сплавы меди с оловом называются бронзами, они отличаются большой прочностью. Сплавы меди с цинком называют латунями.