Реферат: Медь
Реферат: Медь
(лат. Cuprum) - Cu, химический элемент I группы
периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.
Металл красного (в изломе розового) цвета, ковкий и мягкий; хороший проводник
тепла и электричества (уступает только серебру); плотность 8,92 г/см³, tпл
1083,4 .С. Химически малоактивен; в атмосфере, содержащей СО2, пары Н2О и др.,
покрывается патиной - зеленоватой пленкой основного карбоната (ядовит). Из
минералов важны борнит, халькопирит, халькозин, ковеллин, малахит; встречается
также самородная медь. Главное применение - производство электрических
проводов. Из меди изготовляют теплообменники, трубопроводы. Более 30% меди идет
на сплавы.
Полевые исследования на территории НП "Лосиный
остров" проводились в 1998-2001 г.г. и включали в себя:
- эколого-геохимическое картирование территории парка с
опробованием снегового покрова почв, растительности, вод и донных отложений
водотоков (1998г.);
- детальное эколого-геохимическое картирование полосы,
прилегающей к МКАД с опробованием почв, растительности и вод реки Ички (1999
г.);
- мониторинговые исследования в районе МКАД с опробованием
снегового покрова, почв, растительности и поверхностных вод (2000 - 2001 г.г.).
При эколого-геохимическом картировании парка проводилось
пространственное сопряженное опробование почв и растительности (листьев березы
и хвои ели) с плотностью 1 проба/км2. Пункты опробования располагались в местах
пересечения квартальных просек. В зимний период в этих же точках был опробован
снеговой покров. Опробование речных вод и донных отложений проводилось от
истоков до их выхода из парка через равные интервалы: 2 км - по основному руслу
р. Яузы, 1 км - по рекам Ичка и Пехорка.
Детальное картирование вдоль МКАД проводились в полосе
шириной 1000 м (по 500 м с обеих сторон автомагистрали) и включало в себя
опробование почв, растительности, снегового покрова и вод р. Ички. Опробование
почв было проведено по 10-ти профилям, приуроченным к квартальным просекам,
ориентированным примерно под углом 450 к МКАД. Среднее расстояние между
профилями составляло 500 м, расстояние между пикетами - 20-50 м, пробы
отбирались с глубины 10 и 30 см. Опробование растительности и снегового покрова
проводилось по разряженной сети: расстоянии между профилями - 1000 м, пункты
отбора располагались в 0, 50, 100, 500 м от МКАД. Для изучения проникновения
загрязнения на глубину проходились шурфы и производилось погоризонтное
опробование почв.
Для определения концентраций химических элементов в пробах
почв, донных отложений, растительности, пылевых смывах с листьев, речных и
снеговых водах использовались эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный,
химический и потенциометрический методы анализов.
Приближенно-количественный спектральный анализ выполнялся в
лаборатории Опытно-методической экспедиции Минприродресурсов РФ.
В отобранных пробах почв и донных отложений было проведено
определение 36 химических элементов: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Mo, Ag, Mn, As, Sb, W, Sn, Bi, Ba, Sc, Ti, Li, Be, Nb, Y, Yb, Zr, Hf, La, Ce, Cd, In, P, Ge, Ga, Sr, Ta, Tl, и B.
Определение содержаний химических элементов в пробах
растительности проводилось после их предварительного озоления в муфельной печи
без доступа кислорода. В золе растений определялись концентрации 18 химических
элементов: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Mo, Ag, Mn, Sn, Ti, Cd, Li, Bi, Zr и Sr.
Определение концентраций 36 химических элементов в озоленных
пробах взвеси из снега и пылевых смывах с листьев проводилось с предварительным
буферированием углем в соотношении 1:3. Систематическая ошибка измерений
отсутствует.
Ртуть в почвах и донных отложениях определялась на
ртутно-абсорбционном фотометре "Меркурий-3 М". Предел обнаружения 2.
10-7%, сист.= 0,94, случ.= 1,5.
Для разделения растворимых и взвешенных форм тяжелых
металлов в природных водах проводили их фильтрацию через мембранные фильтры с
диаметром пор 0,45 мкм.
Концентрирование микроэлементов в фильтрате проводилось
упариванием в окислительной среде (HClO4+HNO3=1:3). Мембранные фильтры со взвесью разлагались смесью
кислот (HF+HNO3+HClO4). Определение Cu, Pb, Cd, Zn, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Fe
проводилось из солянокислых растворов на спектрометре ААС-2 фирмы "Карл
Цейс Йена" с дейтериевым корректором в пламени воздух-ацетилен. Пределы
обнаружения Cu - 0,04, Pb -
0,1, Cd - 0,03, Zn - 0,01, Ni - 0,05, Co - 0,08, Mn - 0,03, Cr - 0,1, Ag - 0,03, Fe - 0,1 мкг/мл.
Относительное стандартное отклонение не превышает 5%, правильность
контролировалась методом добавок.
Ртуть в водах определяли методом беспламенной атомной
абсорбции на приборе "Юлия-2". Предел обнаружения 0,3 мкг/л.
Определение As в природных водах
проводилось методами Гутцайта (визуально-колориметрическим, чувствительность
метода 0,1 мкг, относительное стандартное отклонение 30%) и
спектрофотометрическим с ДДТКAg в пиридине на
спектрофотометре "Хитачи-124". Чувствительность метода 0,04 мг/л.
Макросостав природных вод определялся методом объемного
химического анализа по стандартным методикам (Лурье,1984).
Определение рН, NH4+, NO3-, K, Na в
природных водах проводилось потенциометрическим методом. В работе использовали
иономеры И-120 и И-150 с комплектом ион-селективных электродов.
Содержания Fe, Mn
и тяжелых металлов в пробах растительности определялось методом атомной
абсорбции после разложения золы смесью HNO3+HCl.
Подвижные формы тяжелых металлов извлекались из почв
вытяжкой ацетатно-аммонийного буфера с рН = 4,8. Отношение твердой фазы к
жидкой = 1:10.
Определение химических свойств почв в пробах, отобранных из
шурфов, включало: измерение рН потенциометрическим методом в суспензии при отношении
тв.ф.:ж.=1:5; определение суммы обменных оснований в кислых почвах по методу
Каппена-Гильковица, гидролитической кислотности по методу Каппена для оценки
степени насыщенности основаниями по формуле V(%)=100S/(S+H), где S - сумма обменных оснований в мг-экв, Н - гидролитическая
кислотность в мг-экв; определение содержаний карбонатов в почвах
ацидометрическим титрованием; определение гумуса в почвах его окислением
бихроматом калия в серной кислоте (по методике Тюрина).
Обработка геохимических данных осуществлялась с помощью
программного пакета "Gold digger" (разработан на кафедре геохимии МГУ).
При обработке геохимических данных производилось определение
параметров фона (СФ -фоновые концентрации и - стандартный множитель),
минимально-аномальных концентраций (Смин.ан.), средних содержаний в контуре
аномалий (Ан), коэффициентов концентрации (Кс), коэффициентов биологического
поглощения (Ах) химических элементов (Справочник , 1990).
Для характеристики подвижности химических элементов в почвах
определялась доля подвижных форм металлов от их валовых (общих) концентраций:
Доля п.ф.% = (СI / СII) 100%
где СI - содержание химического
элемента в почвенной вытяжке, СII - валовое содержание
химического элемента в почве.
Для характеристики распределения химических элементов в
речных и снеговых водах по фазовому составу использовались коэффициенты
распределения
Кр= Свзв./Сраст.
Для установления балансовых соотношений между растворенной и
взвешенной формами в загрязненном снеговом покрове использовались отношение
между площадными продуктивностями тяжелых металлов:
Pвзв./ Pраст.=
(Ан. взв.- Сф взв.). S Ан. взв. / (Ан. раст.- Сф
раст.). S Ан. раст.
Оценка интенсивности выпадений (т/км2 в сутки) определялась
по формуле (Фридман, 1985):
U = Q/t
где Q - поверхностная плотность
загрязняющих веществ (т/км2), t - время от начала
установления устойчивого снегового покрова до момента отбора пробы, в сутках.
Запас (поверхностную плотность) загрязняющих веществ:
Q = 10-2. Ci.
P.
где С - концентрация загрязняющих веществ в снеге (мг/л), Р
- средний влагозапас (г/см2).
Для характеристики загрязнения в изученных компонентах
окружающей среды использовались отношения содержаний химических элементов к ПДК
(КПДК) и суммарный показатель загрязнения (Сает и др., 1990):
ZС= (Сi
-Сф)/Сф+1 = Кс-(n-1),
где Кс - сумма коэффициентов концентрации загрязнителей, n - число химических элементов, входящих ассоциацию
загрязнителей, Сi - аномальное содержание, Сф - фоновое
содержание.
Определение уровней загрязнения по значениям суммарного
показателя ZС в снеговом покрове, почвах,
растительности, донных отложениях и водах проводилось в соответствии с
существующими нормативами (Методические рекомендации . . ., 2001).
Компьютерная обработка данных наряду с определением
статистических параметров распределения химических элементов включала факторный
и кластерный анализы.
Результаты картографирования, включающие построение
моноэлементных геохимических карт по компонентам среды (снеговому покрову,
почвам, донным отложениям, растительности по видам), карт пылевой нагрузки
(общей и по видам); карт суммарных показателей загрязнения снегового покрова,
почв и растительности (по видам), карты значений рН в почвах, отображающие
результаты пространственной дифференциации химических элементов, созданы в виде
ГИС-проекта с использованием программного пакета "ArcView".
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 состаянии 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 аллюминия. 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 6халькофильным
0элементам 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 0O. Все остальные минералы,
около сотни отвечают валентности два. Радиус одноволентной меди +0.96, этому
отвечает и эк 0,70.Величина атомного радиуса двухвалентной меди 1,28; ионного
радиуса 0,80. Очень интересна величена 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+ 0 984 кДЖ/моль, Cu 5+ 0-753
кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с
близкой ЭО 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+
0(14-30%),CuHSO 44 5+ 0(1-25%),недиссоциированныой
молекулы CuSO 50 44 0(70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных
водах зоны востановительных процессов Cu находится в
формах CuCO 43 50 0(15-40%),Cu(CO 43)2 52(5-20%),Cu(OH) 5+ 0(5-10%).B кислых хлоридных
водах нефтегазоносных структур преобладает анион Cu(OH) 43 5 0(45-65%),хотя имеются и катионные формыCu 5+ 0(20-46%),CuCL 5+ 0(20-35%).
Некоторые термические свойства меди.Температура плавления-1083 C; температура кипения2595 C;плотность-8,98
г/см 53 0.
Среднее содержание меди в различных геосферах.
в земной коре составляет 5,5*10 5-3 0(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, 0халькозин Cu 42 0S.
Окислы: тенорит ,куприт Карбонаты: малахит ,азурит Сульфаты:
халькантит ,брошантит Сульфиды: ковеллин ,халькозин ,халькопирит, борнит
Чистая медь тягучии,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 состаянии, 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 общии 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 гохимические положения: 1) легкое отщепление меди
из магм с переходом в пневматолиты еще при дифференцации основных пород и даже
может быть при ликвации ультраосновных; 2) при гидротермальном процессе главное
осаждение меди в геофазы 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 коэффиценту 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
осождаются вторичные минералы Cu, она адсорбируется
глинами, гидроксидами 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, обогощенные 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 выщелачивется из почв. Известны болезни животных а растений, вызванные
недостатком меди. Особенно бедны Cu пески и трфянники,
где эффективны медные удобрения и подкормка животных. Медь энергично мигрирует
и в пластовых водах, откуда она осаждается на восстановительном сероводородном
барьере. Эти процессы особенно характкрны 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
экзаконтактовым 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.Колчиданные 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 ивзрывные месторождения меди в
парфировых рудах и во вторичных кварцитах. В этом случае интересна связь с
молебденом 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 фазу коктактового
процесса накопления гранато-пироксенного скарна;медь обычно накапливется в
геофазы G-H с молебденитом,
пиритом, шеелитом, иногда гематитом среди магнитита более ранней кристаллизации.
Этот тип в небольших количествах всегда присутствует в контактных магнетитах.
Очень типичен для Срдней Азии (Тянь-Шань). 6) Очень многочисленна и своеобразна
осадочные скопления меди в песчаниках, сланцах, песках, битуминозных осадках.
Весьма возможен в отдельных случаях билогический процесс образования (Мансфильд
в Тюрингии,пермские песчаники в Приуралье). Геохимически изучен плохо.
Интересна связь с молебденов, хромом, ванадий, обуславливающие особые рудные
концетрации. Иногда наблюдаются корелляция 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 Кипорского 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
(схема строения колчеданного месторождения см. рис 1) К
зонам химического выветривния относятся медно-сульфидные месторождения
(строение зоны окисления медно-сульфидных месторождений см. рис 2)
|