Геохимия меди

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 халькофильным элементам 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 2 O. 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 2+ - 984 кДЖ/моль, Cu + -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 2+ (14-30%),CuHSO 4 + (1-25%),недиссоциированныой молекулы CuSO 0 4 (70-90%).В щелочных хлоридно-гидрокарбонатных водах зоны востановительных процессов Cu находится в формах CuCO 3 0 (15-40%),Cu(CO 3)2 2- (5-20%),Cu(OH) + (5-10%).B кислых хлоридных водах нефтегазоносных структур преобладает анион Cu(OH) 3 - (45-65%),хотя имеются и катионные формыCu + (20-46%),CuCL + (20-35%). Некоторые термические свойства меди.Температура плавления-1083 C; температура кипения- 2595 C;плотность-8,98 г/см 3 . Среднее содержание меди в различных геосферах. в земной коре составляет 5,5*10 -3 (вес %) литосфере континентальной 2*10 -3 гранитной оболочки 3*10 -3 в живом веществе 3,2*10 -4 в морской воде 3*10 -7 хондриты 1*10 -2 ультраосновные 2*10 -3 (дуниты и др.) основные 1*10 -2 (базальты,габбро и др.) средние 3,5*10 -3 (диориты,андезиты) кислые 2*10 -3 (граниты,гранодиориты) щелочные 5*10 -4 Среднее содержание меди в осадочных породах. глины - 4,5*10 -3 сланцы - 4,5*10 -3 песчаники - 0,1*10 -3 карбонатные породы - 0,4*10 -3 Среднее содержание меди в глубоководных осадках. известковистые - 3*10 -3 глинистые - 2,5*10 -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 2 ,ковеллин CuS,борнит Cu 5 FeS 4, халькозин Cu 2 S. 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 2 O - красный CuCl 2 +H 2 O - 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 4 ); равным образом осаждаемость благодаря активной поляризации ионами: (Co 3 ),(SiO 4 ),(PO 4 ), (AsO 4 ). 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 0 ; 3) в гипергенной обстановке фиксация меди преимущественно анионами (So 3 ),(SiO 3 ) 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 + и Cu 2+ и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и других сульфидов (меднопорфировые,медноколчеданные и др. месторождения). В поверхностных водах обычно содержится n*10 -6 г/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 4 . 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.