29

Cu

Miedź (Cu, łac. cuprum) – pierwiastek chemiczny, z grupy metali przejściowych układu okresowego. Nazwa miedzi po łacinie (a za nią także w wielu innych językach, w tym angielskim) pochodzi od Cypru, gdzie w starożytności wydobywano ten metal. Początkowo nazywano go metalem cypryjskim (łac. cyprum aes), a następnie cuprum. Posiada 26 izotopów z przedziału mas 55-80. Trwałe są tylko dwa: 63 i 65.

Właściwości

Fizyczne

Miedziany krążek o czystości ≥99,95% otrzymany metodą ciągłego odlewu i wytrawiony powierzchniowo dla uwidocznienia struktury wewnętrznej

Miedź ma gęstość 8,96 g/cm³ i temperaturę topnienia 1083 °C. Po wytopie i oczyszczeniu jest miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Miedź, wraz ze srebrem i złotem, leżą w 11 grupie układu okresowego oraz posiadają wspólne pewne właściwości: posiadają jeden elektron na orbitalu s powłoki walencyjne ponad zapełnioną powłoką elektronową d oraz odznaczają się wysoką plastycznością i przewodnictwem elektrycznym. Wypełnione powłoki d w tych pierwiastkach nie wnoszą zbyt dużego wkładu w oddziaływania międzyatomowe, które w wiązaniach metalicznych są zdominowane przez elektrony powłok s. W przeciwieństwie do metali z niepełnymi powłokami d, wiązanie metaliczne w miedzi nie ma charakteru kowalencyjnego i jest względnie słabe. Wyjaśnia to niską twardość i wysoką plastyczność pojedynczych kryształów miedzi. Miedź można przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600 °C). Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650-800 °C. W skali makroskopowej, wytworzenie podłużnych wad sieci krystalicznej, jak granice pomiędzy ziarnami czy zaburzenia przepływu pod przyłożoną siłą, zwiększa twardość miedzi. Z tego powodu, miedź dostępna handlowo jest w drobno ziarnistej polikrystalicznej formie, posiadająca większą odporność mechaniczną niż forma monokrystaliczna.

Niska twardość miedzi częściowo tłumaczy jej wysoką przewodność elektryczną (59,6×10 S/m) i wysoką przewodność cieplną, które są drugie pod względem wielkości wśród czystych metali w temperaturze pokojowej. Jest to spowodowane tym, że oporność w przenoszeniu elektronów w metalach pochodzi głównie od rozpraszania elektronów na wibracjach cieplnych sieci krystalicznej, które w metalach miękkich są stosunkowo słabe. Maksymalna dopuszczalna gęstość prądu dla miedzi w powietrzu wynosi w przybliżeniu 3,1×10 A/m pola przekroju poprzecznego, powyżej tej wartości zaczyna się nadmiernie nagrzewać. Tak jak w przypadku innych metali, jeśli miedź jest w kontakcie z innymi metalami, zachodzi korozja galwaniczna.
Wraz z osmem (niebieskawy), cezem (żółty) i złotem (żółty), miedź jest jednym z czterech metali, których naturalny kolor jest inny niż szary lub srebrny. Czysta miedź jest pomarańczowo-czerwona, a w powietrzu pokrywa się czerwonym nalotem. Charakterystyczny kolor miedzi pochodzi od przejść elektronów pomiędzy wypełnionymi powłokami 3d, a półpustymi 4s – różnice energetyczne pomiędzy tymi powłokami odpowiadają energii światła pomarańczowego. Ten sam mechanizm jest odpowiedzialny za żółty kolor złota.

Chemiczne

Starożytna sztabka miedzi pokryta patyną (Kreta)

Czysta miedź zawiera 0,01-1,0% zanieczyszczeń, zależnie od rodzaju wytwarzania, przetwarzania i oczyszczania. Za zanieczyszczenia uważa się takie pierwiastki jak: Bi, Pb, Sb, As, Fe, Ni, Sn, Zn oraz S. Jest dość odporna chemicznie, zalicza się do metali półszlachetnych. Nie ulega działaniu kwasów w warunkach nieutleniających, natomiast w warunkach utleniających roztwarza się bez wydzielania wodoru:

Miedź tworzy dużą różnorodność związków na +I i +II stopniu utlenienia, które czasami są nazywane nieformalnie odpowiednio miedziawym lub miedziowym, znane są też nieliczne związki na stopniu utlenienia +III. Nie reaguje z wodą, ale na powietrzu pokrywa się cienką warstwą CuO, w wyniku czego ciemnieje i przybiera barwę określaną jako czerwona lub czerwonobrązowa. W przeciwieństwie do utleniania żelaza w wilgotnym powietrzu, utworzona warstwa tlenkowa zapobiega dalszej korozji głębszych warstw. Zielona warstwa patyny (węglan hydroksomiedzi(II)) może być zauważony na starych konstrukcjach miedzianych, takich jak dachy kryte miedzią (często dachy starszych kościołów), czy na Statui Wolności, będąca największym na świecie pomnikiem stworzonym z udziałem techniki repusowania. Siarkowodór i siarczki reagują z miedzią tworząc na powierzchni różne siarczki miedzi. Miedź może również ulec korozji jeśli narażona jest na kontakt z powietrzem zawierającym związki siarki. Amoniakalne roztwory zawierające tlen dają rozpuszczalne w wodzie kompleksy miedzi, podobnie jak tlen i kwas solny tworząc chlorki miedzi i zakwaszony nadtlenek wodoru tworząc sole miedzi(II). Chlorek miedzi(II) i miedź ulegają komproporcjonowaniu tworząc chlorek miedzi(I).

Miedź metaliczna w postaci pyłu jest bardzo łatwopalna i szkodliwa dla środowiska.

Charakterystyka niektórych związków

Pięciowodny siarczan miedzi(II) CuSO4· 5H2O (występujący naturalnie jako minerał chalkantyt) ma własności odkażające, a bezwodny ma silne własności higroskopijne i niekiedy stosowany jest do osuszania rozpuszczalników. Kompleksy miedzi są trwałe, jednak dość łatwo jest zmieniać stopień utlenienia miedzi w takich kompleksach i dlatego są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Związki miedzi(I) są trudno rozpuszczalne w wodzie, natomiast wodne roztwory soli miedzi(II) z reguły mają barwę niebieską lub niebiesko-zieloną.