Геохимия меди


Сдавался/использовался	1996г., МГРИ, преп. - Портнов
	Загрузить архив:
	Файл: cuprum.zip (9kb [zip], Скачиваний: 131) скачать

МEДЬ

_Введение

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

вестных с глубокой древности.По некоторым археологическимданным-

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;

этообъясняется 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. Особенноважна

медь для электротехники.

По электропроводности медь занимает второе место среди всехме-

таллов,после серебра.Однако в наши дни во всем мире электрические

провода,на которые раньше уходила почти половина выплавляемоймеди,

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.Еслив19 в.медь добывалась из руд,где содержалось 6-9%

этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми,

апромышленностьмногих 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

почвув виде пятиводного сульфата - медного купороса.В значительных

количествах он ядовит,как и многие другие соединения меди,особенно

длянизших организмов.Вмалых 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 имеютионы с18-электроннойоболочкой

(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 биогеохимическихпроцес-

сов,что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями.

Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю

изотопаCu(63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu

(65) - 30,91%.В соединениях медь проявляет валентность +1и+2,из-

вестны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.

К валентности 1относятся лишьглубинныесоединения, первичные

сульфиды и минерал куприт - Cu420O.Все остальные минералы, около сотни

отвечают валентности два. Радиус одноволентной меди +0.96, этому отве-

чаети 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 солями

слабоокрашенным 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 высокихтемперату-

рах.Кислоты, необладающиеокислительными свойствами,на медь не

действуют.

Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соеди-

ненияпритягивать электроны.Электроотрицательность Cu52+ 0- 984

кДЖ/моль,Cu5+0-753кДж/моль. Элементыс резко различной ЭО образуют

ионную связь,а элементы с близкой ЭО -ковалентую.Сульфидытяжелых

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 Cu52+ 0(14-30%),CuHSO445+0(1-25%),недиссоциированныоймолекулы Cu-

SO50440(70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны востано-

вительныхпроцессов Cu находится в формах CuCO4350 0(15-40%),Cu(CO43)252-

(5-20%),Cu(OH)5+0(5-10%).Bкислых хлоридныхводах нефтегазоносных

структурпреобладает анион Cu(OH)435- 0(45-65%),хотя имеются и катионные

формыCu5+0(20-46%),CuCL5+0(20-35%).

Некоторые термическиесвойства меди.Температура плавления-1083 C;

температура кипения- 2595 C;плотность-8,98 г/см530.

Среднее содержание меди в различных геосферах.

в земной коре составляет5,5*105-30(вес %)

литосфере континентальной 2*105-3

гранитной оболочки 3*105-3

в живом веществе 3,2*105-4

в морской воде3*105-7

хондриты 1*105-2

ультраосновные2*105-3

(дуниты и др.)

основные 1*105-2

(базальты,габбро и др.)

средние 3,5*105-3

(диориты,андезиты)

кислые 2*105-3

(граниты,гранодиориты)

щелочные 5*105-4

Среднее содержание меди в осадочных породах.

глины - 4,5*105-3

сланцы - 4,5*105-3

песчаники - 0,1*105-3

карбонатные породы - 0,4*105-3

Среднее содержание меди в глубоководных осадках.

известковистые - 3*105-3

глинистые - 2,5*105-2

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 руднымиминералами являются халькопирит

CuFeS420,ковеллин CuS,борнит Cu450FeS44,0халькозин Cu420S.

Окислы: тенорит ,куприт

Карбонаты: малахит ,азурит

Сульфаты: халькантит ,брошантит

Сульфиды: ковеллин ,халькозин,халькопирит,

борнит

Чистая медь - тягучии,вязкий металлкрасного, визломерозового

цвета,в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голу-

бой.Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди,какв

твердом состаянии, так и в растворах.

Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух

примеров:

CuCl - белый Cu420O - красный

CuCl420+H420O - голубой CuO - черный

Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содер-

жанияводы, 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(So440);равным образом

осаждаемость благодаря активной поляризации ионами:

(Co430),(SiO440),(PO440), (AsO440).

Типы распределения и концентрации меди весьма многочисленны ираз-

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

дут лежать следующие гохимические положения:

1) легкое отщеплениемеди из магм с переходом в пневматолиты еще

при дифференцации основных пород и даже может быть при ликвацииуль-

траосновных;

2) при гидротермальном процессе главное осаждение медивгеофазы

прцессов G-H, т.е. около 400-300500;

3) в гипергенной обстановке фиксация меди преимущественно анионами

(So430),(SiO430) 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 Cu5+ 0и Cu52+

и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и дру-

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

В поверхностныхводах обычно содержится n*105-6 0г/л Cu,что соот-

ветствует коэффиценту водной миграции 0,n.Большая часть Cu мигрирует

сглинистыми частицами,которые энергично ее адсорбируют.Наиболее

энергично мигрирует в сернокислых водах зоны окисления сульфидных руд,

гдеобразуется легко растворимый CuSO440. Содержание Cu в таких водах

достигает n г/л,на участках месторождений возникают купоросные ручьи

и озера.

Однако такая миграция непродолжительна:при нейтрализациикислых

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-

ныеразмеры приобретаютмоллюскии другиеживотные с голубой

кровью.Многие растения и животные плохо переносят высокие концентрации

меди и болеют.

Значительно слабеемиграция Cuв ландшафтах влажного климата со

слабокислыми водами.Медь здесь частично выщелачивется изпочв.Из-

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

бенно бедны Cu пески и трфянники,где эффективны медныеудобренияи

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 иликэндоконтактовымили

даже к экзаконтактовым зонам.

2) Выделение меди в пустотах мелафиров и вообще в основныхэффузивах

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-жильныйкомплекс 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

коктактовогопроцесса накопления гранато-пироксенного скарна;медь

обычно накапливется в геофазы G-H с молебденитом, пиритом,шеелитом,

иногда гематитом среди магнитита более ранней кристаллизации. Этот тип

внебольших 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-

дельныхслучаях 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 месторождениясм. рис 1)

К зонам химическоговыветривния относятся медно-сульфидные место-

рождения (строение зоны окисления медно-сульфидных месторожденийсм.

рис 2)