Miedź (Cu, ) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych. Jest miękkim, kowalnym i ciągliwym metalem o bardzo wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej. Świeżo odsłonięta powierzchnia czystej miedzi ma różowopomarańczowy kolor, metal ten jest powszechnie wykorzystywany jako przewodnik ciepła i prądu elektrycznego, materiał konstrukcyjny i budowlany, jest składnikiem różnych stopów metali używanych w biżuterii, okuciach, monetach, tensometrach, termoparach i wielu innych.
Nazwa łacińska (a za nią w innych językach, w tym angielskim) pochodzi od Cypru, gdzie w starożytności wydobywano miedź. Początkowo nazywano ją „metalem cypryjskim” (), a następnie . Ma 29 izotopów, z czego trwałe są dwa: Cu-63 i Cu-65.
Parlament Europejski uznał miedź jako surowiec o znaczeniu strategicznym z punktu widzenia transformacji ekologicznej i cyfrowej, a także zastosowań obronnych, lotniczych i kosmicznych.
Właściwości fizyczne thumb|Miedziany krążek o czystości ⩾ 99,95% otrzymany metodą ciągłego odlewu, wytrawiony powierzchniowo dla uwidocznienia struktury wewnętrznej Miedź, srebro i złoto, leżąc w 11 grupie układu okresowego, mają pewne wspólne właściwości: mają jeden elektron na orbitalu s powłoki walencyjnej 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 małą twardość i dużą plastyczność miedzi.
Miedź ma gęstość 8,96 g/cm³ i temperaturę topnienia 1084,62 °C, jest miękkim metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym, jest łatwa w obróbce plastycznej, przy obróbce plastycznej na zimno ulega utwardzeniu (w wyniku zgniotu), które można usunąć przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400–600 °C). Obróbkę 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 w handlu występuje w drobnoziarnistej formie, która ma większą odporność mechaniczną niż forma monokrystaliczna.
Mała twardość miedzi częściowo tłumaczy jej wysoką przewodność elektryczną (59,6 S/m) i przewodność cieplną, które są drugie pod względem wielkości wśród czystych metali w temperaturze pokojowej. Jest to spowodowane tym, że oporność elektryczna w metalach pochodzi głównie od rozpraszania elektronów na drganiach cieplnych sieci krystalicznej, które w metalach miękkich są stosunkowo słabe. Wraz z osmem (niebieskawy), cezem (żółty) i złotem (żółty), miedź jest metalem, których kolor jest inny niż szary lub srebrny. Czysta miedź jest pomarańczowoczerwona, na powietrzu ciemnieje wskutek utleniania. Charakterystyczny kolor pochodzi od przejść elektronów z podpowłoki 3d na nie w pełni zapełnioną ostatnią podpowłokę 4s, dzięki energii fotonów z zakresu światła widzialnego, odpowiadającej barwie fioletowej i błękitnej – ich pochłonięcie powoduje powstanie obserwowanej wypadkowej czerwono-pomarańczowej barwy.
Właściwości chemiczne thumb|Starożytna sztabka miedzi pokryta patyną, pochodząca z Krety mały|Zdjęcie mikroskopowe powierzchni miedzi polikrystalicznej (Olympus DSX, powiększenie 69 ×, rozmiar sfotografowanego obszaru 4 × 4 milimetry) Miedź 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 (według dawnej nomenklatury nazywane odpowiednio miedziawymi lub miedziowymi), znane są też nieliczne związki na stopniu utlenienia III (np. ) i IV (np. ). Tworzy też nietrwałe kopleksy z tlenkiem węgla, w których występuje na 0 stopniu utlenienia (np. ). Nie reaguje z wodą, ale na powietrzu pokrywa się cienką warstwą CuO, w wyniku czego ciemnieje. W przeciwieństwie do utleniania żelaza, utworzona warstwa tlenkowa zapobiega dalszemu utlenianiu. Wystawiona na działanie czynników atmosferycznych pokrywa się zieloną warstwą patyny, która jest (węglan hydroksomiedzi(II)) występuje na starych konstrukcjach miedzianych, jak dachy starych kościołów, czy na Statui Wolności. Siarkowodór i siarczki reagują z miedzią, tworząc na powierzchni siarczki miedzi. Miedź może ulec korozji, jeśli narażona jest na kontakt z powietrzem zawierającym związki siarki. Amoniakalne roztwory zawierające tlen dają rozpuszczalne w wodzie kompleksy miedzi (I), 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). Pięciowodny siarczan miedzi(II) (występujący naturalnie jako minerał chalkantyt) ma własności odkażające, a bezwodny jest higroskopijny i niekiedy stosowany jest do osuszania rozpuszczalników organicznych.
Miedź na II stopniu utlenienia tworzy trwałe kompleksy chelatowe z ligandami, gdzie donorami do par elektronowych są zarówno tlen, jak i azot. W kompleksach miedzi (II) dominuje struktura płaskiego kwadratu (liczba koordynacyjna 4), rzadziej występują kompleksy oktaedryczne o liczbie koordynacyjnej 6. W tych występuje deformacja struktury oktaedrycznej – wydłużenie wiązań dwóch naprzeciwległych ligandów z jonem centralnym, zwane efektem Jahna-Tellera. Dość łatwo można zmieniać stopień utlenienia miedzi w jej związkach kompleksowych, dlatego też są one często stosowane jak katalizatory reakcji redoks. Niekompleksowe związki miedzi(I) są trudno rozpuszczalne w wodzie, natomiast wodne roztwory soli miedzi(II) z reguły mają barwę niebieską lub niebiesko-zieloną, ze względu na obecność jonu heksaakwamiedzi (II), .
Miedź metaliczna jest niepalna, ale jej pył rozpylony w powietrzu jest łatwopalny i powoduje podrażnienia oczu, nosa i dróg oddechowych powodując tzw. gorączkę miedziową. Długotrwałe narażenie oczu na pyły lub dymy zawierające miedź może doprowadzić do odbarwienia rogówki i soczewki. Długotrwałe narażenie dymami miedzi przez drogi oddechowe oraz długotrwałe spożywanie miedzi ponad zalecane dawki może wywołać zmiany metaboliczne, zmiany w wątrobie, uszkodzenia nerek, tkanki mózgowej, naczyń wieńcowych i mięśnia sercowego.
Izotopy Miedź ma 29 izotopów z przedziału liczb masowych 55–85, w tym dwa trwałe i , o abundancjach odpowiednio 61% i 39%. Oba trwałe izotopy mają spin . Z radioaktywnych, a najbardziej stabilnym jest o okresie półtrwania 61,83 godziny. Istnieje co najmniej dziesięć metastabilnych izomerów miedzi, z których najbardziej stabilnym jest o okresie półtrwania 3,75 minuty. Izotopy o liczbie masowej większej od 64 rozpadają się przez rozpad β−, natomiast izotopy o liczbie masowej mniejszej od 64 rozpadają się przez rozpad β+. Nuklid , którego okres połowicznego rozpadu wynosi 12,7 godziny, ulega rozpadowi w obu kierunkach.
Izotop jest stosowany w formie kompleksu -PTSM jako radioznacznik w pozytonowej tomografii emisyjnej.
Występowanie mały|Miedź rodzima – Półwysep Keweenaw, stan Michigan, USA. thumb|Malachit Wytwarzanie miedzi w gwiazdach pozostaje nadal nieuchwytne. W szczególności nadal debatuje się, czy miedź pochodzi głównie z masywnych gwiazd, czy do supernowych typu Ia. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 60 ppm, w wodzie morskiej w ilości 0,003 ppm, a w ludzkim ciele 1,0 ppm. W naturze występuje w postaci rud oraz w postaci czystej jako miedź rodzima. Miedź rodzima jest rzadko spotykana, zawiera często zanieczyszczenia metalami jak srebro, beryl, rtęć czy arsen. Znanych jest ponad 160 minerałów miedzi, największe znaczenie gospodarcze mają chalkozyn, bornit, chalkopiryt, stanowiące główne rudy miedzi.
+ Ważniejsze minerały miedziNazwaWzór chemicznyZawartość miedziBarwa SiarczkiBornit63,3%BrązowaChalkozyn79,8%CiemnoszaraChalkopiryt34,5%ŻółtaKowelinCuS66,5%FioletowoniebieskaEnargit48,4%CiemnoszaraTennantyt51,6%CiemnoszaraTetraedryt45,8%Ciemnoszara TlenkiKupryt88,8%CzerwonaTenorytCuO79,9%Ciemnoszara WęglanyAzuryt55,1%NiebieskaMalachit57,3%Zielona SiarczanyAntleryt54,0%ZielonaBrochantyt56,2%CiemnozielonaChalkantyt55,3%Niebieska ChlorkiAtakamit59,5%Ciemnozielona KrzemianyChryzokola (x < 1)36,0%Niebieskozielona
Konkrecje polimetaliczne, występujące na dnie oceanu, są potencjalnym źródłem miedzi. W zależności od lokalizacji miedź stanowi 0,23–1,07% masy konkrecji. Wydobycie konkrecji nie wiązałoby się ze znacznym wzrostem globalnej produkcji miedzi, w porównaniu z wpływem na produkcję innych uzyskiwanych z nich metali. Innym oceanicznym źródłem metalu są złoża masywnych rud siarczkowych, zawierające od 0,8 do nawet 17,9% miedzi w zależności od warunków tektonicznych złoża.
Miedź występuje w planetoidach klasy S, w ilości 70–100 ppm, zarówno w postaci rodzimej, jak i stopów żelazowo–niklowych.
Wydobycie, zasoby i konsumpcja miedzi na świecie
thumb|Największa pod względem wielkości odkrywkowa kopalnia miedzi na świecie – Bingham Canyon Mine (Stany Zjednoczone, 2019) Ze względu na duże zapotrzebowanie i stosunkowo małe zasoby naturalne, miedź stanowi materiał strategiczny. Większość miedzi wydobywa się jako siarczek w kopalniach odkrywkowych ze złóż porfiru miedziowego zawierającego do 1% miedzi. W światowym wydobyciu rud miedzi w przeliczeniu na czysty składnik, wynoszącym w 2024 r. łącznie 23,0 mln ton, przodowały: Chile (5,3 mln ton), Kongo (3,3 mln ton), Peru (2,6 mln ton), Chiny (1,8 mln ton) USA (1,1 mln ton), Indonezja (1,1 mln ton), Rosja (930 tys. ton), Australia (800 tys. ton), Kazachstan (740 tys. ton), Meksyk (700 tys. ton), Zambia (680 tys. ton), Kanada (450 tys. ton) i Polska (410 tys. ton).
Do krajów posiadających największe szacowane zasoby miedzi należą: Chile (190 mln ton), Peru (100 mln ton), Australia (100 mln ton), Rosja (80 mln ton), Kongo (80 mln ton), Meksyk (53 mln ton), Stany Zjednoczone (47 mln ton), Chiny (41 mln ton). Zasoby znajdujące się na terenie Polski są szacowane na 34 mln ton. Głównym ośrodkiem przemysłu miedziowego w Polsce jest Legnicko-Głogowski Okręg Miedziowy.
Otrzymywanie Miedź jest głównie otrzymywana z rud siarczkowych. Rudy miedzi mają niewielką zawartość minerałów miedzi, dlatego pierwszym etapem uzyskiwania miedzi jest mechaniczne wzbogacanie rudy, której głównym procesem jest flotacja w obecności dodatków zwiększających hydrofobowość minerałów miedzi. Przygotowanie do flotacji obejmuje: przesiewanie, kruszenie, mielenie. Po flotacji produkt zagęszcza się, filtruje i suszy. W wyniku czego otrzymuje się koncentrat zawierający około 23% miedzi. Miesza się go z piaskiem kwarcowym i ogrzewa do temperatury 1700 K. W tym etapie część siarczków żelaza utlenia się i reaguje z krzemionką (równanie 1 i 2) tworząc żużel będący krzemianem żelaza (równanie 3) i mieszaninę siarczków miedzi i żelaza. Szlaka będąc ciągle w formie płynnej separuje się na dwie warstwy. Górna warstwa jest okresowo zbierana, aby otrzymać płynny kamień miedziowy, który składa się głównie z i oraz niewielkich ilości metali szlachetnych, głównie srebra, a także złota, platyny i palladu. Innymi metalami pozyskiwanymi w procesie może być również molibden, selen i tellur. Ciekły kamień miedziowy jest przelewany do pieca konwertorowego, dodaje się piasek kwarcowy i przedmuchuje powietrzem. Proces ten przekształca pozostały do i do żużlu (zgodnie z równaniem 2 i 3). jest częściowo przekształcany do (równanie 4), który reaguje z pozostającym w układzie (równanie 5). Ostatecznie powstaje metaliczna miedź blistrowa (wg równania 6 i 7).
Reakcje zmiany chalkopirytu w miedź: