МEДЬ
Введение
Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным - медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р. Хр. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Особенно важна медь для электротехники.
По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.
Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.
Химические и физические свойства элемента, определяющие его миграцию
Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546. По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S,Se,Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфиднооксидную оболочку. Халькофилы имеют ионы с 18-электронной оболочкой (также как Zn, Pb, Ag, Hg, Sb и др.)
Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями.
Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu(63) приходится 69,09% , процентное содержание изотопа Cu(65) - 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.
К валентности 1 относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт - Cu 42. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентности два. Радиус одновалентной меди +0.96, этому отвечает и эк - 0,70.Величина атомного радиуса двухвалентной меди - 1,28; ионного радиуса 0,80.
Очень интересна величина потенциалов ионизации: для одного электрона - 7,69, для двух - 20,2. Обе цифры очень велики, особенно вторая, показывающая большую трудность отрыва наружных электронов. Одновалентная медь является равноквантовой и потому ведет к бесцветным солям и слабо окрашенным комплексам, тогда как разноквантовя двух валентная медь характеризуется окрашенностью солей в соединении с водой.
Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.
Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu 52+ - 984 кДЖ/моль, Cu 5+ 0-753 кДж/моль. Элементы с резко различной образуют ионную связь, а элементы с близкой - ковалентую. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984,Pb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы. По расчетам Г.А.Голевой, в сильнокислых водах зоны окисления медных месторождений Cu находится в форме Cu 52+(14-30%), CuHSO 44 5+(1-25%), недиссоциированной молекулы Cu-SO 50 44 (70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны восстановительных процессов Cu находится в формах CuCO 43 50 (15-40%), Cu(CO 43)2 52-(5-20%), Cu(OH) 5+(5-10%). B кислых хлоридных водах нефтегазоносных структур преобладает анион Cu(OH) 43 5-(45-65%), хотя имеются и катионные формы Cu 5+(20-46%), CuCL 5+ 0(20-35%).
Некоторые термические свойства меди.
Температура плавления - 1083 C; температура кипения - 2595 C; плотность - 8,98 г/см 53 0.
Среднее содержание меди в различных геосферах.
в земной коре составляет 5,5*10 5-3 (вес %)
литосфере континентальной 2*10 5-3
гранитной оболочки 3*10 5-3
в живом веществе 3,2*10 5-4
в морской воде 3*10 5-7
хондриты 1*10 5-2
ультраосновные 2*10 5-3 (дуниты и др.)
основные 1*10 5-2 (базальты, габбро и др.)
средние 3,5*10 5-3 (диориты, андезиты)
кислые 2*10 5-3 (граниты, гранодиориты)
щелочные 5*10 5-4
Среднее содержание меди в осадочных породах.
глины - 4,5*10 5-3
сланцы - 4,5*10 5-3
песчаники - 0,1*10 5-3
карбонатные породы - 0,4*10 5-3
Среднее содержание меди в глубоководных осадках.
известковистые - 3*10 5-3
глинистые - 2,5*10 5-2
Вывод: содержание меди больше в основных породах, чем в кислых.
Минералы.
Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны только 17,преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являются халькопирит CuFeS 42 0, ковеллин CuS, борнит Cu 45 0FeS 44, 0 халькозин Cu 42 0S.
Окислы: тенорит, куприт
Карбонаты: малахит, азурит
Сульфаты: халькантит брошантит
Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит
Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.
Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух примеров:
CuCl - белый Cu 42 0O - красный
CuCl 42 0+H 42 0O - голубой CuO - черный
Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем намечается интересный практический признак для поисков.
Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли, и карбонаты (силикаты). С.С.Смирнов так характеризует парагенетические ряды меди: при окислении сульфид - куприт + лимонит (кирпичная медная руда) - мелаконит (смоляная медная руда) - малахит + хризоколла.
Геохимия меди.
Из приведенной характеристики ионов вытекает общий тип миграции меди: слабая миграция ионов w=1 и очень сильная - ионов w=2 с рядом довольно легко растворимых солей галоидов и аниона(So 44 0); равным образом осаждаемость благодаря активной поляризации ионами: (Co 43 0), (SiO 44 0), (PO 44 0), (AsO 44 0).
Типы распределения и концентрации меди весьма многочисленны и разнообразны. Мы можем выделить шесть главных типов, причем в основе будут лежать следующие геохимические положения:
1) легкое отщепление меди из магм с переходом в пневматолиты еще при дифференциации основных пород и даже может быть при ликвации ультраосновных;
2) при гидротермальном процессе главное осаждение меди в геофазых прцессов G-H, т.е. около 400-300 50 0;
3) в гипергенной обстановке фиксация меди преимущественно анионами (So 43 0),(SiO 43 0) при общей большой миграционной способности меди (особенно в виде легкорастворимого сульфата).
С.С. Смирнов характеризует миграцию так: "миграция меди тем более облегчается, чем выше в рудах отношение серы к меди, чем менее активна обстановка, чем менее влажен климат и чем более проницаема рудная масса".
Рассмотрим более подробно геохимическую миграцию элемента.
В гидротермах Cu мигрирует в форме различных комплексов Cu 5+ 0и Cu 52+ и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и других сульфидов (меднопорфировые, медноколчеданные и др. месторождения).
В поверхностных водах обычно содержится n*10 5-6 0г/л Cu, что соответствует коэффициенту водной миграции 0,n. Большая часть Cu мигрирует с глинистыми частицами, которые энергично ее адсорбируют. Наиболее энергично мигрирует в сернокислых водах зоны окисления сульфидных руд где образуется легко растворимый CuSO 44 0. Содержание Cu в таких водах достигает n г/л, на участках месторождений возникают купоросные ручьи и озера. Однако такая миграция непродолжительна: при нейтрализации кислых вод на барьере Д1 осаждаются вторичные минералы Cu, она адсорбируется глинами, гидроксилами марганца, гумусом, кремнеземом. Так образуется повышенное содержание меди в почвах и континентальных отложениях ландшафтов на участках месторождений. Медь здесь активно вовлекается в биологический круговорот, появляются растения, обогащенные медью, крупные размеры приобретают моллюски и другие животные с голубой кровью. Многие растения и животные плохо переносят высокие концентрации меди и болеют.
Значительно слабее миграция Cu в ландшафтах влажного климата со слабокислыми водами. Медь здесь частично выщелачивается из почв. Известны болезни животных а растений, вызванные недостатком меди. Особенно бедны Cu пески и торфяники, где эффективны медные удобрения и подкормка животных. Медь энергично мигрирует и в пластовых водах, откуда она осаждается на восстановительном сероводородном барьере. Эти процессы особенно характерны для красноцветной формации, к которым приурочены месторождения и рудопроявления типа "медистых песчаников".
Основные типы генезиса наиболее крупных месторождений.
1) В ультраосновных породах и наритах вместе с пирротином и, следовательно, в ассоциации с никелем, кобальтом, частично с палладием. Обычно халькопирит является последним сульфидом в этом ряду кристаллизации и следовательно приурочен преимущественно или к эндоконтактовым или даже к экзоконтактовым зонам.
2) Выделение меди в пустотах мелафиров и вообще в основных эффузивах вместе с циолитами в начале геофазы H.
3) Выделение пирита вместе с халькопиритом из дериватов гранодиоритовой магмы и связанных с ними альбитофиров. Колчеданные линзы с цинком и золотом (например Урал).
4) Медно-жильный комплекс в связи с кислыми гранитами, с выделением меди в геофазах G-H, между комплексами Au-W-B и B-Zn-F. К этому типу относятся и взрывные месторождения меди в порфировых рудах и во вторичных кварцитах. В этом случае интересна связь с молибденом и бором. Окварцевание с выносом всех катионов, очевидно, перегретыми гидролизирующими водами и эманациями. Генетический тип представляет огромный интерес, но самый ход процесса остается не ясным. Большое промышленное значение, несмотря на низкое содержание (1-2%) Cu.
5) Контактный тип кислых и гранодиоритовых магм обычно во вторую фазукоктактового процесса накопления гранато-пироксенного скарна; медь обычно накапливается в геофазы G-H с молибденитом, пиритом, шеелитом, иногда гематитом среди магнитита более ранней кристаллизации. Этот тип в небольших количествах всегда присутствует в контактных магнетитах. Очень типичен для Средней Азии (Тянь-Шань).
6) Очень многочисленна и своеобразна осадочные скопления меди в песчаниках, сланцах, песках, битуминозных осадках. Весьма возможен в отдельных случаях биологический процесс образования (Мансфильд в Тюрингии, пермские песчаники в Приуралье). Геохимические изучен плохо. Интересна связь с молибденов, хромом, ванадий, обуславливающие особые рудные концентрации. Иногда наблюдаются корреляция между Cu и С; однако, далеко не всегда и, как показали исследования А.Д.Архангельского, наибольшие концентрации меди вызваны чисто химическими процессами.
Четыре типа колчеданных месторождений:
1. Месторождения Кипарского и Уральского типа отношение Pb: Zn: Cu - 1:10:50
2. Рудно-Алтайский - 1:3:1
3. Малый Кавказ - 1:5:10
4. Курака - 1:4:1
К зонам химического выветривания относятся медно-сульфидные месторождения.
PRETICH.ru
***** |
