Глава 2. МЕДЬ

 

Металлургия меди. Освоение человеком меди происходило по следующей схеме [59]:
1. Использование самородной меди сначала ковкой вхолодную, а затем с предварительным отжигом.
2. Получение меди путем плавки руд.
3. Сплавление меди с другими металлами.

Ковкой вхолодную, согласно экспериментам Г.Г. Коглена,  можно придать форму лишь малым по величине предметам: шилу, булавкам, проволоке, крючкам, наконечникам стрел, ножам, требовавшим небольшой ковки и шлифовки, и то используя самородки пластичной формы.

В районе Верхнего озера в США из самородной меди изготовлялись различные предметы (3000-1400 гг. до н. э.). Изучение микроструктуры показало, что их изготовляли путем ковки из самородков с предварительным отжигом.

Во второй фазе человек начал использовать медь, получаемую восстановительной плавкой ее из руд-минералов, первоначально из окисленных, например, из малахита.

Окисленные руды не требовали предварительного обжига по сравнению с сульфидными рудами, обжиг которых необходим для удаления химически связанной серы.

Опыты показывают, что при недостаточном доступе кислорода в печи в смеси малахита с углем последний сгорает, образуя окись углерода по реакции 2C+O₂⇒2CO; одновременно под воздействием температуры происходит разложение минерала малахита на карбонат меди, воду и частичное восстановление меди: CuCO₃•Cu(OH)₂⇒CuCO₃ + H₂O + Cu.

Восстановление меди из ее карбоната под воздействием окиси углерода протекает по реакции CuCO₃ + CO ⇒ 2CO₂+ Cu.

При избытке кислорода древесный уголь сгорает до CO₂ полностью: C+O₂ ⇒ CO₂, и восстановления меди из ее природного карбоната не происходит.

Рассмотрим гипотезы, которые высказывались по вопросу плавки меди:

1. Плавка меди в лагерном костре. Как только что было показано, для восстановительной плавки меди должна быть:


- высокая температура, без дутья которую достичь очень трудно (нужен, например, сильный ветер);
- руда должна быть перемешана и покрыта древесным углем, для создания восстановительной атмосферы.

Опыты Коглена показывают, что в открытом костре даже при достаточно высокой температуре восстановительная способность среды оказалась недостаточной, и малахит превращался в окись меди CuO.

Гипотеза открытия металлургии меди в результате случайного попадания кусков руды в лагерный костер не отвечает действительности.


2. Плавка самородков в тигле. Чтобы переплавить самородок нужна температура примерно 1084 °С. Древние печи для обжига керамики с температурой 1100°С были обнаружены в Тепе-Гавра (Северная Месопотамия), в Сузах (Иран), в Египте в период 5000-3400 гг. до н. э. Поэтому древние мастера умели плавить медь в виде самородков до того, как они научились получать ее плавкой из руд.

3. Восстановительная плавка меди из малахитовых руд. Плавку производили в печах примитивного типа, например, глиняный тигель с рудой и углем помещался в неглубокую ямку с насыпанным поверх слоем древесного угля. В этих случаях, несомненно, могла быть достигнута температура, необходимая как для восстановительной плавки руды, так и для получения расплава меди, т.е. температура не ниже 1084°C.
   

Кроме малахита в качестве руды мог использоваться не столь приметный черный или землистый тенорит CuO.

На рис.1 показана карта распространения металлов на земном шаре [52].

Рис.1. Хронология распространения металла:
1 -VII-VI тыс. лет до н. э.; 2 - V тыс. лет до н. э.; 3 - IV тыс. лет до н. э.;
4 - III тыс. лет до н. э.; 5 - II тыс. лет до н. э.; 6 - I тыс. лет до н. э.;
7 - I тысячелетие н. э.

Характеристика меди. Чистая медь – тягучий вязкий металл светло-розового цвета, легко прокатывается в тонкие листы; хорошо проводит теплоту и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая с периодом а, равным 0,36074 нм. Плотность меди 8,94 г/см³; температура плавления 1083°С. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка оксидов CuO, Cu₂O, придающая меди более темный цвет, служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налетом карбоната гидроксомеди (CuOH)₂CO₃. При нагревании на воздухе в интервале температур 200-375°С медь окисляется до черного оксида CuO. При более высоких температурах на ее поверхности образуется двухслойная окалина: поверхностный слой представляет собой черный оксид CuO, а внутренний – красный оксид меди  Cu₂O.

В химическом отношении медь является малоактивным металлом. Однако с галогенами (F, Cl, Br, J, At) она реагирует уже при комнатной температуре, например, с влажным хлором образует хлорид CuCl₄, а с серой при нагревании образует сульфид Cu₂S. Соляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Летучие соединения меди окрашивают пламя газовой горелки в сине-зеленый цвет.

Использование меди. В художественной промышленности из меди производят изделия методом штамповки, дифовки и чеканки. Она легко принимает самую разнообразную форму, допускает выколотку высокого рельефа, рис.2.

Рис.2. Медный барельеф Будды –
символ суверенитета Шри Ланки

Методом волочения можно получить проволоку диаметром до 0,02 мм. Из меди, как и из золота и серебра, можно легко изготавливать тончайшие филигранные изделия, рис.3, 4.

Рис.3. Шапка Казанская, 1552 год

Рис.4. Оклады евангелий, XII и XV вв.

 Медь хорошо подвергается шлифовке и полировке, но плохо пилится напильником, также плохо точится, сверлится и фрезеруется.

Применение чистой меди во многих случаях обусловливается ее исключительно высокой пластичностью и вязкостью, позволяющей из листов сравнительно небольшой толщины (0,8-1,2 мм) получать путем выколотки сложные объемные формы. Знаменитая американская статуя Свободы, рис.5, высотой 46 м и весом 205 т, созданная французским скульптором Бартольди и инженером Эйфелем, имеет внешнюю видимую оболочку из меди толщиной 2,4 мм. Таким же методом изготовлена огромная  статуя Христа Спасителя в Бразилии, рис.6.

Рис. 5. Статуя Свободы. 1886 год, США

 

Рис. 6. Статуя Спасителя. 1931 год, Бразилия

Листовой медью покрывали крыши замков, монастырей и других зданий, рис.7.

Рис. 7. Дворец Сансуси в Подсдаме, Германия.
Крыша купола дворца покрыта листовой медью

Эти свойства чистой меди (в основном пластичность и антикоррозийность) сделали ее основным материалом для дифовочных работ при изготовлении крупных скульптурных и орнаментальных композиций для интерьера, рис.8. Медь хорошо спаивается мягкими и твердыми припоями, хорошо серебрится и золотится; эмаль, нанесенная на медь, хорошо держится, не трескается и не отскакивает.

Рис.8. Дом Каса Мила Антонио Гауди.
Причудливые кованые решетки выполнены по его эскизам.
Барселона, Испания

Медь является прекрасным материалом для выполнения гравюр. Непревзойденным мастером выполнения гравюр по меди является основоположник немецкого искусства Возрождения Альбрехт Дюрер (1471-1528 гг.), рис.9.

Из трех гравюр «Всадник, смерть и дьявол» (1513), «Св. Иероним» и «Меланхолия» (1514), знаменующих вершину его творчества, где маленький лист станковой гравюры трактуется как большое монументальное произведение искусства, здесь приводится только первый лист: «Всадник, смерть и дьявол». Одетый в кольчугу и шлем, вооруженный мечом и копьем, сильный и спокойный всадник едет на мощном коне, не обращая внимания на уродливого дьявола, который силится удержать его коня, на страшную смерть, показывающую ему символ времени – песочные часы, на то, что под ногами лошади, на земле, лежит человеческий череп. Поступь коня неудержима и уверенна, лицо человека исполнено воли и внутренней сосредоточенности, рис.10.

Рис. 10. А. Дюрер. «Всадник, смерть и дьявол».
1514 год

 

В декоративно-прикладном и ювелирном производстве медь использовалась в качестве материалов для изготовления разнообразных изделий. На рис.11-14 показаны изделия прикладного назначения.

Рис.11. Самовар-чайник. Середина XIX в. Россия.
Медь, Ростовский-на-Дону краеведческий музей

Рис.12. Три памятных тарелки.
Серебро, латунь, медь. Фирма Фаберже, 1914 г.

Рис.13. Медная кастрюля. Фирма Фаберже, 1914 г.

Рис.14. Вазочка с птицей Сирин.

На медной патинированной вазе изображена сидящей мифическая птица Сирин в виде полуобнаженной женской фигуры  в кокошнике, с расправленными крыльями. Фирма Фаберже, 1908-1917 гг.

Медь хорошо плакируется (покрывается) методом совместной горячей прокатки серебром. Из плакированного относительно дешевого по сравнению с чистым серебром материала выделывались красивые разнообразные изделия.

В конце XIX - начале XX вв. в технике накладного серебра работала в Варшаве фирма «Фраже» - «новое серебро» - такое название получили многообразные предметы сервировки стола: вазы, яйцеварки, сахарницы самых немыслимых конфигураций, солонки и перечницы, столовые приборы, совочки для уборки со стола хлебных крошек, рис.15.

Рис.15. Ваза. Нач. XX. Россия. Фраже.
Ростовский-на-Дону краеведческий музей [45]

Из водного раствора  медного купороса CuSO₄•5H₂O методом гальванопластики из практически чистой меди получают художественные изделия, в частности, медали, рис.16.

Рис.16. Медная медаль в честь договора князя Игоря с греками.
Конец XVIII в. Музей исторических драгоценностей Украины [28]

В чистом виде медь для отливок применяется сравнительно редко, рис.17.

Рис.17. Крест. Кон. XIX в. Россия. Медь. Литье.
Ростовский-на-Дону краеведческий музей

Для отливок используются сплавы меди с оловом и другими компонентами (Al, Si, Mn, Pb, Fe и пр.), называемые бронзами, и сплавы меди с цинком, называемые латунями.