Введение

Химические и физические свойства элемента, определяющие его миграцию.

Минералы.

Геохимия меди.

Основные типы генезиса наиболее крупных месторождений.

Введение

Медь в латинском языке — Cuprum. Это один из известнейших химических элементов, этот металл известен с глубокой древности.

По данным археологической науки медь была хорошо известна египтянам уже за 4000 лет до нашей эры. 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.

В Древней Греции и Риме люди получали медь с острова Кипра (Cyprum). Потому медь и называется Cuprum, в честь острова. Огромное значение медь имеет в электротехнической промышленности. Также она является почти отличным проводником, и стоит на втором месте, после серебра, по электропроводности.

Теперь же все чаше 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 — жизненно важный микроэлемент в организме человека, и не только. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов.

Также медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса. В больших количествах он может быть очень опасен и доже выступать как яд. Как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.

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 одновалентной 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 формы Cu 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.

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.

Из изложенного выше описания 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 геофазы процессов 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".

Далее рассмотрим более тщательно 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, 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, 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".

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 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 фазу коктактового 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). Геохимически 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 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