Выплавка меди из малахита — от зелёной руды к красному металлу

Малахит разлагается при нагревании: Cu₂CO₃(OH)₂ → 2CuO + CO₂ + H₂O (при ~300°C). Образовавшийся оксид меди (CuO) затем восстанавливается оксидом углерода из горящего древесного угля: CuO + CO → Cu + CO₂. Медь плавится при 1085°C. Общий выход меди из чистого малахита составляет приблизительно 57,5%.

Разбейте малахит на куски размером менее 1 см с помощью молотка и наковальни. Чем мельче измельчение, тем быстрее и полнее протекает восстановление. При наличии используйте ступку и пестик для финального измельчения. Стремитесь к фрагментам размером с горошину или меньше.

Используйте глиняный тигель, выдерживающий 1200°C+. Идеально подходит графитово-глиняный тигель. Объём тигля должен быть не менее 500 мл. Если изготавливаете сами, смешайте огнеупорную глину с песком (соотношение 2:1) и медленно обожгите в печи до 1000°C перед использованием. Предварительно обожжённые тигли трескаются меньше.

Поместите слой кусков древесного угля толщиной 2 см на дно тигля. Добавьте слой измельчённого малахита (2–3 см). Сверху положите ещё один слой древесного угля. Уголь одновременно служит источником углерода для восстановления и защищает медь от повторного окисления. Заполните тигель примерно на 2/3.

Вам понадобится горн или печь, способные достигать температуры 1100-1200°C. Простой древесно-угольный горн с принудительной подачей воздуха (мехи или воздуходувка) отлично подходит. Тигель помещается в слой горящего древесного угля, с дополнительным углем, насыпанным вокруг и сверху. Подача воздуха должна регулироваться.

Выплавка меди связана с сильным нагревом, токсичными испарениями и расплавленным металлом. Надевайте: кожаный фартук, кожаные краги-перчатки, защитный щиток для лица, защитные ботинки (без синтетических материалов). Работайте на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении. Пары оксида меди при вдыхании вызывают лихорадку от металлических испарений. Держите ведро с сухим песком поблизости для локализации разливов.

Разожгите древесный уголь в горне и доведите до полного жара в течение 30–45 минут, мягко работая мехами. Поместите загруженный тигель в горн, когда угли раскалятся добела. Плотно обложите тигель древесным углём. Постепенно увеличивайте скорость работы мехов.

Поддерживайте температуру горна на уровне 1100-1200°C в течение 2-3 часов. Малахит сначала разлагается (зелёный цвет переходит в чёрный CuO при ~300°C), затем по мере роста температуры CuO восстанавливается до меди. При необходимости добавляйте древесный уголь в горн для поддержания нагрева. Содержимое тигля будет уменьшаться в объёме по мере выхода газа CO₂.

Через 2–3 часа осторожно приподнимите крышку тигля щипцами и загляните внутрь. Вы должны увидеть ярко-оранжево-красный расплавленный пруд меди под слоем шлака (стекловидный темный материал). Если видны нерасплавленные зеленые или черные куски, продолжайте нагревание еще 30 минут.

Пока медь плавится, подготовьте песчаную форму или плоское каменное углубление для заливки. Предварительно прогрейте форму горелкой, чтобы предотвратить растрескивание от термического удара. Простая форма в виде бруска, выдолбленная в блоке песчаника, подходит хорошо. Убедитесь, что форма полностью сухая — любая влага вызывает взрывообразное разбрызгивание расплавленного металла.

Используя тигельные щипцы, извлеките тигель из горна. Медленно наклоняйте, чтобы залить расплавленную медь в форму. Тёмный стеклянистый шлак плавает сверху и может удерживаться палочкой, пока медь течёт под ним. Заливайте равномерно — прерванная заливка создаёт холодные спаи (слабые швы).

Дайте медному слитку остывать в форме не менее 30 минут. Не закаливайте в воде — быстрое охлаждение делает медь хрупкой из-за внутренних напряжений. Охлаждение на воздухе дает более мягкий и поддающийся обработке металл. По мере остывания поверхность меди окисляется до темно-красно-коричневого цвета.

Когда он остынет настолько, что его можно будет взять в руки (ниже 100°C), извлеките слиток из формы. Стальной щеткой удалите прилипший песок и шлак. На свежеоткрытых поверхностях слиток должен иметь характерный лососево-розовый цвет свежей меди. Любые тёмные пятна — это включения захваченного шлака или оксидов.

Взвесьте чистый медный слиток. Из 2 кг качественной малахитовой руды ожидайте 800–1000 г меди (выход 40–50 %с учётом потерь на шлак и примеси). Чистый малахит дал бы 1150 г, но руда, собранная в полевых условиях, редко бывает чистой. Запишите выход для будущей оптимизации.

Ударьте краем слитка по наковальне. Хорошая медь деформируется пластично, не растрескиваясь — это один из самых ковких металлов. Если она трескается, значит, в ней слишком много шлака или оксида. Опилите небольшой участок, чтобы обнажить свежий металл — чистая медь имеет лососево-розовый цвет. Зеленоватый оттенок указывает на неполное восстановление.

Медь медленно окисляется на воздухе (со временем покрывается зелёной патиной в течение месяцев). Для краткосрочного хранения держите в сухом месте. Для длительного хранения покройте тонким слоем масла. Укажите на этикетке дату, исходную руду и вес. Эта медь готова к литью, проковке в лист или сплавлению с оловом для получения бронзы.