Реферат: Медь
(лат. Cuprum) — Cu, химический элемент I группыпериодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.Металл красного (в изломе розового) цвета, ковкий и мягкий; хороший проводниктепла и электричества (уступает только серебру); плотность 8,92 г/см³, tпл1083,4.С. Химически малоактивен; в атмосфере, содержащей СО2, пары Н2О и др.,покрывается патиной — зеленоватой пленкой основного карбоната (ядовит). Изминералов важны борнит, халькопирит, халькозин, ковеллин, малахит; встречаетсятакже самородная медь. Главное применение — производство электрическихпроводов. Из меди изготовляют теплообменники, трубопроводы. Более 30% меди идетна сплавы.
Полевые исследования на территории НП «Лосиныйостров» проводились в 1998-2001 г.г. и включали в себя:
— эколого-геохимическое картирование территории парка сопробованием снегового покрова почв, растительности, вод и донных отложенийводотоков (1998г.);
— детальное эколого-геохимическое картирование полосы,прилегающей к МКАД с опробованием почв, растительности и вод реки Ички (1999г.);
— мониторинговые исследования в районе МКАД с опробованиемснегового покрова, почв, растительности и поверхностных вод (2000 — 2001 г.г.).
При эколого-геохимическом картировании парка проводилосьпространственное сопряженное опробование почв и растительности (листьев березыи хвои ели) с плотностью 1 проба/км2. Пункты опробования располагались в местахпересечения квартальных просек. В зимний период в этих же точках был опробованснеговой покров. Опробование речных вод и донных отложений проводилось отистоков до их выхода из парка через равные интервалы: 2 км — по основному руслур. Яузы, 1 км — по рекам Ичка и Пехорка.
Детальное картирование вдоль МКАД проводились в полосешириной 1000 м (по 500 м с обеих сторон автомагистрали) и включало в себяопробование почв, растительности, снегового покрова и вод р. Ички. Опробованиепочв было проведено по 10-ти профилям, приуроченным к квартальным просекам,ориентированным примерно под углом 450 к МКАД. Среднее расстояние междупрофилями составляло 500 м, расстояние между пикетами — 20-50 м, пробыотбирались с глубины 10 и 30 см. Опробование растительности и снегового покровапроводилось по разряженной сети: расстоянии между профилями — 1000 м, пунктыотбора располагались в 0, 50, 100, 500 м от МКАД. Для изучения проникновениязагрязнения на глубину проходились шурфы и производилось погоризонтноеопробование почв.
Для определения концентраций химических элементов в пробахпочв, донных отложений, растительности, пылевых смывах с листьев, речных иснеговых водах использовались эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный,химический и потенциометрический методы анализов.
Приближенно-количественный спектральный анализ выполнялся влаборатории Опытно-методической экспедиции Минприродресурсов РФ.
В отобранных пробах почв и донных отложений было проведеноопределение 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 пробахрастительности проводилось после их предварительного озоления в муфельной печибез доступа кислорода. В золе растений определялись концентрации 18 химическихэлементов: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Mo, Ag, Mn, Sn, Ti, Cd, Li, Bi, Zr и Sr.
Определение концентраций 36 химических элементов в озоленныхпробах взвеси из снега и пылевых смывах с листьев проводилось с предварительнымбуферированием углем в соотношении 1:3. Систематическая ошибка измеренийотсутствует.
Ртуть в почвах и донных отложениях определялась нартутно-абсорбционном фотометре «Меркурий-3 М». Предел обнаружения 2.10-7%, сист.= 0,94, случ.= 1,5.
Для разделения растворимых и взвешенных форм тяжелыхметаллов в природных водах проводили их фильтрацию через мембранные фильтры сдиаметром пор 0,45 мкм.
Концентрирование микроэлементов в фильтрате проводилосьупариванием в окислительной среде (HClO4+HNO3=1:3). Мембранные фильтры со взвесью разлагались смесьюкислот (HF+HNO3+HClO4). Определение Cu, Pb, Cd, Zn, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Feпроводилось из солянокислых растворов на спектрометре ААС-2 фирмы «КарлЦейс Йена» с дейтериевым корректором в пламени воздух-ацетилен. Пределыобнаружения 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%, правильностьконтролировалась методом добавок.
Ртуть в водах определяли методом беспламенной атомнойабсорбции на приборе «Юлия-2». Предел обнаружения 0,3 мкг/л.
Определение As в природных водахпроводилось методами Гутцайта (визуально-колориметрическим, чувствительностьметода 0,1 мкг, относительное стандартное отклонение 30%) испектрофотометрическим с ДДТКAg в пиридине наспектрофотометре «Хитачи-124». Чувствительность метода 0,04 мг/л.
Макросостав природных вод определялся методом объемногохимического анализа по стандартным методикам (Лурье,1984).
Определение рН, NH4+, NO3-, K, Na вприродных водах проводилось потенциометрическим методом. В работе использовалииономеры И-120 и И-150 с комплектом ион-селективных электродов.
Содержания Fe, Mnи тяжелых металлов в пробах растительности определялось методом атомнойабсорбции после разложения золы смесью HNO3+HCl.
Подвижные формы тяжелых металлов извлекались из почввытяжкой ацетатно-аммонийного буфера с рН = 4,8. Отношение твердой фазы кжидкой = 1:10.
Определение химических свойств почв в пробах, отобранных изшурфов, включало: измерение рН потенциометрическим методом в суспензии при отношениитв.ф.: ж.=1:5; определение суммы обменных оснований в кислых почвах по методуКаппена-Гильковица, гидролитической кислотности по методу Каппена для оценкистепени насыщенности основаниями по формуле V(%)=100S/(S+H), где S — сумма обменных оснований в мг-экв, Н — гидролитическаякислотность в мг-экв; определение содержаний карбонатов в почвахацидометрическим титрованием; определение гумуса в почвах его окислениембихроматом калия в серной кислоте (по методике Тюрина).
Обработка геохимических данных осуществлялась с помощьюпрограммного пакета «Gold digger» (разработан на кафедре геохимии МГУ).
При обработке геохимических данных производилось определениепараметров фона (СФ -фоновые концентрации и — стандартный множитель),минимально-аномальных концентраций (Смин.ан.), средних содержаний в контуреаномалий (Ан), коэффициентов концентрации (Кс), коэффициентов биологическогопоглощения (Ах) химических элементов (Справочник, 1990).
Для характеристики подвижности химических элементов в почвахопределялась доля подвижных форм металлов от их валовых (общих) концентраций:
Доля п.ф.% = (СI / СII) 100%
где СI — содержание химическогоэлемента в почвенной вытяжке, СII — валовое содержаниехимического элемента в почве.
Для характеристики распределения химических элементов вречных и снеговых водах по фазовому составу использовались коэффициентыраспределения
Кр= Свзв./Сраст.
Для установления балансовых соотношений между растворенной ивзвешенной формами в загрязненном снеговом покрове использовались отношениемежду площадными продуктивностями тяжелых металлов:
Pвзв./ Pраст.=(Ан. взв.- Сф взв.). S Ан. взв. / (Ан. раст.- Сфраст.). S Ан. раст.
Оценка интенсивности выпадений (т/км2 в сутки) определяласьпо формуле (Фридман, 1985):
U = Q/t
где Q — поверхностная плотностьзагрязняющих веществ (т/км2), t — время от началаустановления 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 компонентахокружающей 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 ассоциациюзагрязнителей, Сi — аномальное содержание, Сф — фоновоесодержание.
Определение уровней загрязнения по значениям суммарногопоказателя ZС в снеговом покрове, почвах,растительности, донных отложениях и водах проводилось в соответствии ссуществующими нормативами (Методические рекомендации… ., 2001).
Компьютерная обработка данных наряду с определениемстатистических параметров распределения химических элементов включала факторныйи кластерный анализы.
Результаты картографирования, включающие построениемоноэлементных 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, отображающиерезультаты пространственной дифференциации химических элементов, созданы в видеГИС-проекта с использованием программного пакета «ArcView».
Медь (лат.Cuprum) химическийэлемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторымархеологическим данным медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет доР.Хр. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем сжелезом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди всвободном состаянии на поверхности земли, а с другой сравнительной легкостьюполучения 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 занимаетвторое место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем миреэлектрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемоймеди, 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 в19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих странперерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди. Медь входит в число жизненноважных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоениирастениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов.Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата медного купороса. Взначительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди,особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходимавсему живому.
Химические и физические свойства элемента, определяющие егомиграцию.
Медь химический элемент I группыпериодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546. Погеохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к 6халькофильным0элементам с высоким сродством к S,Se,Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов;они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфиднооксидную оболочку. Халькофилыимеют ионы с 18-электронной оболочкой (также как Zn,Pb,Ag,Hg,Sb и др.) Вернадским в первой половине 1930 г были проведеныисследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разныхминералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимическихпроцессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями. Какэлемент 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 валентности1 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, этомуотвечает и эк 0,70.Величина атомного радиуса двухвалентной меди 1,28; ионногорадиуса 0,80. Очень интересна величена потенциалов ионизации: для одногоэлектрона 7,69, для двух 20,2. Обе цифры очень велики, особенно вторая,показывающая большую трудность отрыва наружных электронов. Одновалентная медьявляется равноквантовой и потому ведет к бесцветным солям и слабо окрашеннымкомплексам, тогда как разноквантовя двух валентная медь характеризуетсяокрашенностью солей в соединении с водой. Медь металл сравнительно малоактивный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь неокисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами,серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействуетдаже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительнымисвойствами, на медь не действуют. Электроотрицательность атомов способность привступлении в соединения притягивать электроны.Электроотрицательность Cu 52+ 0 984 кДЖ/моль, Cu 5+ 0-753кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы сблизкой ЭО ковалентую.Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, сбольшей долей ковалентной связи ( ЭО у S-1571,Cu-984,Pb-733).Медь являетсяамфотерным элементом образует в земной коре катионы и анионы. По расчетамГ.А.Голевой, в сильнокислых водах зоны окисления медных месторождений Cu находится в форме Cu 52+0(14-30%),CuHSO 44 5+ 0(1-25%), недиссоциированныоймолекулы CuSO 50 44 0(70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатныхводах зоны востановительных процессов Cu находится вформах CuCO 43 50 0(15-40%),Cu(CO 43)2 52(5-20%),Cu(OH) 5+ 0(5-10%).B кислых хлоридныхводах 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-8,98г/см 53 0.
Среднее содержание меди в различных геосферах.
в земной коре составляет 5,5*10 5-3 0(вес %) литосфере континентальной2*10 5-3 гранитной оболочки 3*10 5-3 в живом веществе 3,2*10 5-4 в морской воде3*10 5-7 хондриты 1*10 5-2 ультраосновные 2*10 5-3 (дуниты и др.) основные 1*105-2 (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 5-3карбонатные 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 вкислых.
Минералы.
Медь входит более чем в 198 минералов, из которых дляпромышленности важны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов,силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являютсяхалькопирит CuFeS 42 0, ковеллин CuS, борнитCu 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 изломерозового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядитзеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, какв твердом состаянии, так и в растворах. Понижение окраски при повышении валентностивидно из следующих двух примеров:
CuCl белый Cu42 0O красный CuCl 42 0+H 42 0O голубой CuOчерный
Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условиисодержания воды, чем намечается интересный практический признак для поисков.Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли, икарбонаты(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 типмиграции меди: слабая миграция ионов w=1 и оченьсильная ионов w=2 с рядом довольно легко растворимыхсолей галоидов и аниона(So 44 0); равным образомосаждаемость благодаря активной поляризации ионами: (Co43 0),(SiO 44 0),(PO 44 0), (AsO 44 0). Типы распределения и концентрации меди весьмамногочисленны и разнообразны. Мы можем выделить шесть главных типов, причем воснове будут лежать следующие гохимические положения: 1) легкое отщепление медииз магм с переходом в пневматолиты еще при дифференцации основных пород и дажеможет быть при ликвации ультраосновных; 2) при гидротермальном процессе главноеосаждение меди в геофазы прцессов G-H,т.е. около 400-300 50 0; 3) в гипергенной обстановке фиксация медипреимущественно анионами (So 43 0),(SiO43 0) при общей большой миграционной способности меди (особенно в виделегкорастворимого сульфата). С.С. Смирнов характеризует миграцию так:«миграция меди тем более облегчается, чем выше в рудах отношение серы кмеди, чем менее активна обстановка, чем менее влажен климат и чем болеепроницаема рудная масса».
Рассмотрим более подробно геохимическую миграцию элемента.
В гидротермах Cu мигрирует в формеразличных комплексов Cu 5+ 0и Cu52+ и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и другихсульфидов (меднопорфировые, медноколчеданные и др. месторождения). Вповерхностных водах обычно содержится n*10 5-6 0г/л Cu, что соответствует коэффиценту водной миграции 0,n. Большая часть Cu мигрирует сглинистыми частицами, которые энергично ее адсорбируют. Наиболее энергичномигрирует в сернокислых водах зоны окисления сульфидных руд, где образуетсялегко растворимый CuSO 44 0. Содержание Cu в таких водах достигает n г/л, научастках месторождений возникают купоросные ручьи и озера. Однако такаямиграция непродолжительна: при нейтрализации кислых вод на барьере Д1осождаются вторичные минералы Cu, она адсорбируетсяглинами, гидроксидами марганца, гумусом, кремнеземом. Так образуется повышенноесодержание меди в почвах и континентальных отложениях ландшафтов на участкахместорождений. Медь здесь активно вовлекается в биологический круговорот,появляются растения, обогощенные медью, крупные размеры приобретают моллюски идругие животные с голубой кровью.Многие растения и животные плохо переносятвысокие концентрации меди и болеют. Значительно слабее миграция Cu в ландшафтах влажного климата со слабокислыми водами. Медьздесь частично выщелачивется из почв. Известны болезни животных а растений, вызванныенедостатком меди. Особенно бедны Cu пески и трфянники,где эффективны медные удобрения и подкормка животных. Медь энергично мигрируети в пластовых водах, откуда она осаждается на восстановительном сероводородномбарьере. Эти процессы особенно характкрны для красноцветной формации, к которымприурочены 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. Обычнохалькопирит является последним сульфидом в этом ряду кристаллизации иследовательно приурочен преимущественно или к эндоконтактовым или даже кэкзаконтактовым зонам. 2) Выделение меди в пустотах мелафиров и вообще восновных эффузивах вместе с циолитами в начале геофазы H.3) Выделение пирита вместе с халькопиритом из дериватов гранодиоритовой магмы исвязанных с ними альбитофиров.Колчиданные линзы с цинком и золотом (напримерУрал). 4) Медно-жильный комплекс в связи с кислыми гранитами, с выделением медив геофазах G-H, междукомплексами Au-W-B и B-Zn-F. К этому типу относятся ивзрывные месторождения меди впарфировых рудах и во вторичных кварцитах. В этом случае интересна связь смолебденом и бором.Окварцевание с выносом всех катионов, очевидно, перегретымигидролизирующими водами и эманациями. Генетический тип представляет огромныйинтерес, но самый ход процесса остается не ясным. Большое промышленноезначение, 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 вгеофазы 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 своеобразнаосадочные скопления меди в песчаниках, сланцах, песках, битуминозных осадках.Весьма возможен в отдельных случаях билогический процесс образования (Мансфильдв Тюрингии, пермские песчаники в Приуралье). Геохимически изучен плохо.Интересна связь с молебденов, хромом, ванадий, обуславливающие особые рудныеконцетрации. Иногда наблюдаются корелляция между Cu иС; 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) Кзонам химического выветривния относятся медно-сульфидные месторождения(строение зоны окисления медно-сульфидных месторождений см. рис 2)