Доклад: Медь в природе

МEДЬ

_Введение

Медь (лат.Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов,из-

вестных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным -

медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р.Хр. Знакомс-

тво человечества с медью относится к более ранней эпохе,чем с железом;

это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в сво-

бодном состаянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной лег-

костью 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 ме-

таллов, 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 доступ-

нее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все де-

фицитнее.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 син-

тезу 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 Менделее-

ва;атомный номер 29, атомная масса 63,546. По геохимической классифи-

кации В.М. Гольдшмидта,медь относится к 6халькофильным 0элементам с вы-

соким сродством к S,Se,Te, занимающим восходящие части на кривой атом-

ных объемов; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфидноок-

сидную 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 из-

менения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов,

и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процес-

сов, 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,из-

вестны 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 отве-

чает и эк - 0,70.Величина атомного радиуса двухвалентной меди - 1,28;

ионного радиуса 0,80.

Очень интересна величена потенциалов ионизации: для одного электро-

на - 7,69, для двух - 20,2. Обе цифры очень велики, особенно вторая,

показывающая большую трудность отрыва наружных электронов. Одновалент-

ная 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 кисло-

роде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко

вступает в реакции с галогенами, серой,селеном. А вот с водородом, уг-

леродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температу-

рах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не

действуют.

Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соеди-

нения 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 - об-

разует в земной коре катионы и анионы. По расчетам Г.А.Голевой,в силь-

нокислых водах зоны окисления медных месторождений Cu находится в фор-

ме Cu 52+ 0(14-30%),CuHSO 44 5+ 0(1-25%),недиссоциированныой молекулы Cu-

SO 50 44 0(70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны востано-

вительных 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 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 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 промышленнос-

ти важны только 17,преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов,кар-

бонатов,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-голу-

бой. 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 содер-

жания воды, чем намечается интересный практический признак для поис-

ков.

Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосо-

ли,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 ме-

ди: слабая миграция ионов w=1 и очень сильная - ионов w=2 с рядом до-

вольно 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 раз-

нообразны. Мы можем выделить шесть главных типов, причем в основе бу-

дут 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 уль-

траосновных;

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 мас-

са".

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 дру-

гих сульфидов (меднопорфировые,медноколчеданные и др. месторождения).

В поверхностных водах обычно содержится n*10 5-6 0г/л Cu, что соот-

ветствует 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 ланд-

шафтов на участках месторождений. Медь здесь активно вовлекается в би-

ологический круговорот, появляются растения, обогощенные медью, круп-

ные 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. Из-

вестны болезни животных а растений, вызванные недостатком меди. Осо-

бенно 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 ха-

ракткрны для красноцветной формации, к которым приурочены месторожде-

ния и рудопроявления типа "медистых песчаников".

_Основные типы генезиса наиболее крупных месторождений.

1) В ультраосновных породах и наритах вместе с пирротином и, следова-

тельно, в ассоциации с никелем, кобальтом, частично с палладием. Обыч-

но 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 гранодиорито-

вой 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 вторич-

ных кварцитах. В этом случае интересна связь с молебденом и бором.Ок-

варцевание с выносом всех катионов, очевидно, перегретыми гидролизиру-

ющими водами и эманациями. Генетический тип представляет огромный ин-

терес, 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 пес-

чаниках, сланцах, песках, битуминозных осадках. Весьма возможен в от-

дельных случаях билогический процесс образования (Мансфильд в Тюрин-

гии,пермские песчаники в Приуралье). Геохимически изучен плохо. Инте-

ресна связь с молебденов, хромом, ванадий, обуславливающие особые руд-

ные концетрации. Иногда наблюдаются корелляция между Cu и С; однако,

далеко не всегда и, как показали исследования А.Д.Архангельского, наи-

большие 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 место-

рождения (строение зоны окисления медно-сульфидных месторождений см.

рис 2)