Изучение геохимических свойств Pb, Hg

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Кубанский государственный университет»

(ФГБОУ ВО «КубГУ»)

Кафедра региональной и морской геологии

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по дисциплине «Геохимия»

Изучение геохимических свойств Pb, Hg

Работу выполнил ________________________________ Брынцев А.А.

Институт географии, геологии, туризма и сервиса курс 2

Направление подготовки 05.03.01 Геология

Профилизация Гидрогеология и инженерная геология

Работу проверила Зуб О.Н.

(дата, подпись)

Краснодар 2021

1. Общие сведения об элементах

Свинец (Pb) -- элемент 14-й группы (по устаревшей классификации -- главной подгруппы IV группы), шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82 и, таким образом, содержит магическое число протонов. Простое вещество свинец -- ковкий, сравнительно легкоплавкий тяжёлый металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом. Плотность свинца -- 11,35 г/смі. Свинец токсичен. Известен с глубокой древности^[4].

Ртуть (Hg) -- элемент шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 80, относящийся к подгруппе цинка, 12-й группе (по устаревшей классификации -- побочной подгруппе II группы). Простое вещество ртуть -- переходный металл, при комнатной температуре представляющий собой тяжёлую серебристо-белую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты, контаминант. Ртуть -- один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии.

1.1 История открытия и область применения

Свинец известен с III - II тысячелетия до н.э. в Месопотамии, Египте и других древних странах, где из него изготовляли большие кирпичи (чушки), статуи богов и царей, печати и различные предметы быта. Из свинца делали бронзу, а также таблички для письма острым твердым предметом. В более позднее время римляне стали изготовлять из свинца трубы для водопроводов.

В древности свинец сопоставлялся с планетой Сатурн и часто именовался сатурном. В средние века благодаря своему тяжелому весу свинец играл особую роль в алхимических операциях, ему приписывали способность легко превращаться в золото.

Ртуть известна с древнейших времен. Её находили в самородном виде (жидкие капли ртути в горных породах), получали при обжиге минералов, природных соединений ртути. Выделение ртути в чистом виде было описано шведским химиком Георгом Брандтом в 1735 г., ее металлические свойства (ковкость, электропроводность и др.) были доказаны трудами Ломоносова и Брауна, которые в декабре 1759 года смогли заморозить ртуть.

Русское название ртути происходит от праслав. *rьtоtь, связанного с лит. risti - "катиться". Латинское алхимическое название этого элемента Hydrargyrum происходит от др.-греч. слов "вода" и "серебро".

1.2 Основные физические свойства

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Температура плавления -- 600,61 K (327,46 °C), кипит при 2022 K (1749 °C). Относится к группе тяжёлых металлов; его плотность -- 11,3415 г/см³ (при +20 °C). С повышением температуры плотность свинца падает:

Изменение плотности свинца в зависимости от температуры

Предел прочности на растяжение -- 12--13 МПа (МН/м²).При температуре 7,26 К становится сверхпроводником.

Ртуть -- единственный металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Температура плавления составляет 234,32 K (-38,83 °C), кипит при 629,88 K (356,73 °C), критическая точка -- 1750 K (1477 °C), 152 МПа (1500 атм). Обладает свойствами диамагнетика. Образует со многими металлами жидкие и твёрдые сплавы -- амальгамы. Стойкие к амальгамированию металлы: V, Fe, Mo, Cs, Nb, Ta, W, Co.

Плотность ртути при нормальных условиях -- 13 546 кг/м³, при других температурах -- в таблице:

1.3 Основные химические свойства

Электронная формула: 5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p², энергия ионизации (Pb > Pb⁺ + e^?) равна 7,42 эВ. На внешней электронной оболочке находятся 4 неспаренных электрона (2 на p- и 2 на d-подуровнях), поэтому основные степени окисления атома свинца -- +2 и +4.

· Соли двухвалентного свинца реагируют со щелочами, образуя почти нерастворимый гидроксид свинца:

Pb²⁺ + 2OH^? = Pb(OH)₂

· При избытке щёлочи гидроксид растворяется:

Pb(OH)₂ + 2OH^? = [Pb(OH)₄]^2?

· Реагирует со щелочами и кислотами:

Pb + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Pb(OH)₄] + H₂^

Pb + 4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂^ + 2H₂O

Pb + 2HCl = PbCl₂ + H₂^

Свинец образует комплексные соединения с координационным числом 4, например, [Pb(OH)4]^2?

Реакция диспропорционирования между PbO₂ и Pb лежит в основе работы свинцовых аккумуляторов.

Для ртути характерны две степени окисления: +1 и +2. В степени окисления +1 ртуть представляет собой двухъядерный катион Hg₂²⁺ со связью металл-металл. Ртуть -- один из немногих металлов, способных формировать такие катионы, и у ртути они -- самые устойчивые.

В степени окисления +1 ртуть склонна к диспропорционированию. Оно протекает при нагревании:

Hg₂²⁺ > Hg + Hg²⁺

подщелачивании:

Hg₂²⁺ + 2OH^? > Hg + HgO + H₂O

добавлении лигандов, стабилизирующих степень окисления ртути +2.

Из-за диспропорционирования и гидролиза гидроксид ртути (I) получить не удаётся.

На холоде ртуть +2 и металлическая ртуть, наоборот, сопропорционируют. Поэтому, в частности, при реакции нитрата ртути (II) со ртутью получается нитрат ртути (I):

Hg + Hg(NO₃)₂ > Hg2(NO₃)₂

В степени окисления +2 ртуть образует катионы Hg²⁺, которые очень легко гидролизуются. При этом гидроксид ртути Hg(OH)₂ существует только в очень разбавленных (<10^?4моль/л) растворах. В более концентрированных растворах он дегидратируется:

Hg²⁺ + 2OH^? > HgO + H₂O

В очень концентрированной щёлочи оксид ртути частично растворяется с образованием гидроксокомплекса:

HgO + OH^? + H₂O > [Hg(OH)₃]^?

Ртуть в степени окисления +2 образует уникально прочные комплексы со многими лигандами, причём как жёсткими, так и мягкими по теории ЖМКО. С йодом (-1), серой (-2) и углеродом она образует очень прочные ковалентные связи. По устойчивости связей металл-углерод ртути нет равных среди других металлов, поэтому получено огромное количество ртутьорганических соединений.

Из элементов IIБ группы именно у ртути появляется возможность разрушения очень устойчивой 6d¹⁰ -- электронной оболочки, что приводит к возможности существования соединений ртути IV, но они крайне малоустойчивы, поэтому эту степень окисления скорее можно отнести к курьёзной, чем к характерной. В частности, при взаимодействии атомов ртути и смеси неона и фтора при температуре 4 К получен HgF₄. Однако более новые исследования не подтвердили его существование.

2. Распространенность свинца и ртути

свинец ртуть месторождение

2.1 Распространенность в земной коре, различных типах горных пород и других природных объектах (гидросфера, атмосфера, биосфера)

В земной коре находятся различные элементы, содержание которых определяют процентным соотношением к общей массе земной коры. У различных авторов значение содержания изучаемых элементов (Pb,Hg) различно, что представлено на круговых диаграммах.

Рисунок 1 - Распространенность хим. эл. в земной коре в % по Ф. Кларку, Г. Вашингтону, 1924

Рисунок 2 - Распространенность хим. эл. в земной коре в % по А.Е.Ферсману

Рисунок 3 - Распространенность хим. эл. в земной коре в % по А. Виноградову, 1962

Рисунок 4 - Распространенность хим. эл. в земной коре в % по А. Виноградову, 1962

Далее на нижеприведенных диаграммах показано распространение ртути, свинца в разных средах: магматические породы, осадочные породы, в гидросфере, атмосфере и биосфере.

Рисунок 5 - Содержание элементов в магматических породах по Р. Тейлору, млн^-1

Рисунок 7 - Распространенность элементов гидросфере по А. П. Виноградову, %

Рисунок 9 - Распространенность химических элементов в биосфере по А. П. Виноградову, %

2.2 Минералы-носители

Основные минералы, содержащие ртуть представлены в таблице.

Минералов, содержащих в том или ином количестве свинец, более 150. Главнейшее же промышленное значение имеют лишь галенит и церуссит.

ГАЛЕНИТ ИЛИ СВИНЦОВЫЙ БЛЕСК - самый распространенный минерал свинца. Его химическая формула PbS. В качестве примесей он часто содержит серебро, висмут, сурьму, мышьяк и некоторые другие элементы. Свинцовые руды, содержащие в заметных количествах серебро и висмут представляют промышленный интерес в качестве серебряных и висмутовых руд. Для галенита весьма характерна кубическая форма кристаллов, свинцово-серый цвет, металлический блеск, небольшая твердость и значительный удельный вес. Кристаллы от удара легко раскалываются по плоскостям куба или, как говорят, имеют хорошую спайность. Галенит является главнейшим первичным минералом свинца. В земной коре он чаще всего образуется при осаждении из горячих водных растворов (флюидов), при определенных условиях отделяющихся от магматического расплава и значительно реже из поверхностных растворов в результате реакций обменного разложения. На поверхности галенит под действием воздуха и воды разлагается (химически выветривается). В результате за счет галенита образуются другие минералы: карбонаты - церуссит и англезит, окислы - глет и сурик, фосфаты и аналогичные фосфатам химически природные арсенаты и ванадаты - пироморфит, ванадинит, миметезит и некоторые другие. Кроме простого сульфида свинца, в природе известны и более сложные соединения свинца с серой, сурьмой, медью и другими элементами - джемсонит, буланжерит, бурнонит. Так же как и галенит, они имеют свинцово-серый цвет, небольшую твердость и металлический блеск, но чаще всего игольчатый облик кристаллов. Почти нигде эти минералы не встречаются в заметных количествах. В первичных полиметаллических рудах они наблюдаются всегда совместно с галенитом и сфалеритом.
ЦЕРУССИТ (PbCO3) после галенита является важнейшей свинцовой рудой. Минерал обычно встречается в виде сплошных, реже зернистых масс белого, грязно-серого или серого цвета. Иногда удается различать кристаллы, которые имеют форму иголок и пластинок. Блеск на ровных плоскостях близок к перламутровому или алмазному. Твердость церуссита небольшая (царапается ножом и медной иглой). Как и все свинцовые минералы, он очень тяжелый. Кусок церуссита по сравнению с одинаковым куском кварца тяжелее в 2-2.5 раза. В природе церуссит образуется всегда за счет галенита. Он является типичным вторичным минералом свинца.Очень характерно для церусситовых скоплений наличие среди них мелких зерен не успевшего разложиться галенита. Кроме церуссита вторичными минералами свинца являются сульфат свинца - англезит (PbSO4) и уже упоминавшиеся выше пироморфит, ванадинит и миметезит. Все они отличаются большим удельным весом, вытянутым обликом кристаллов, жирным или алмазным блеском и встречаются почти всегда совместно с церусситом в зонах поверхностного изменения первичных свинцовых руд.

3. Поведение в геологических процессах

Свинец -- химический элемент IV гр. периодической системы, порядковый номер 82, атомный вес 207,19. Для Сю характерны положительные валентности 4 и 2, наиболее типичными являются соединения, в которых он двухвалентен.

Четырехвалентный С. в кислой среде является сильным окислителем. Все соединения С. сильно ядовиты. Природный Север состоит из 4 стабильных изотопов РЬ204, РЬ206, РЬ207 и РЬ208, причем 3 последних являются радиогенными. В связи с этим изотопный состав природного Север не является постоянным, а изменяется в зависимости от возраста порода или минерала, в которых он присутствует, и содержит в них U и Th, на чем основан свинцовый метод определения абсолютного возраста. За современный изотопный состав Север земной коры принимают изотопный состав Север глубоководных илов Тихого океана и океанской воды -- РЬ204: РЬ208: РЬ207 : РЬ208 = = 1,34 : 25,43 : 21,11 : 52,12.

Помимо стабильных в природе существуют радиоактивные изотопы Север, являющиеся членами радиоактивных семейство-- Pb2I0(RaD)c периодом полураспада 22 года; РЬ2,1(АсВ) -- с периодом полураспада 36,1 минуты; Pb212(ThB) -- с периодом полураспада 10,6 часа; Pb2l4(RaB) -- с периодом полураспада 26,8 минуты. - Ввиду малых периодов полураспада эти изотопы не имеют самостоятельного значения в геохимии Север Север образует минералы различный состава: галенит^РЪБ),бурнонит (2PbS, Cu2S.Sb2.S3), буланжерит (5PbS-2Sb2S3), англезит (PbS04), церуссит (РЬС03) и пироморфит [ЗРЬ3(Р04)2РЬС12] и т. д. Однако основная масса природного С. находится в рассеянном состоянии. В результате радиоактивного распада за последние' 3,0-109 лет общее количество Север в земной коре увеличилось более чем на 20%. Средняя распространенность.

Для ртути характерны две степени окисления: +1 и +2. В степени окисления +1 ртуть представляет собой двухъядерный катион Hg₂²⁺ с ковалентной (!!!) связью металл-металл. Ртуть -- один из немногих металлов, способных формировать такие катионы, и у ртути они -- самые устойчивые.

В степени окисления +1 ртуть склонна к диспропорционированию. При нагревании, подщелачивании среды общая электронная пара остается у одного атома -- происходит диспропорционирование: подщелачивании: добавлении лигандов, стабилизирующих степень окисления ртути +2.

Из-за диспропорционирования и гидролиза гидроксид ртути (I) получить не удаётся.

На холоде ртуть +2 и металлическая ртуть, наоборот, сопропорционируют. Поэтому, в частности, при реакции нитрата ртути (II) со ртутью получается нитрат ртути (I):

В степени окисления +2 ртуть образует катионы Hg²⁺, которые очень легко гидролизуются. При этом гидроксид ртути Hg(OH)₂ существует только в очень разбавленных (<10^?4моль/л) растворах. В более концентрированных растворах он дегидратируется:

В очень концентрированной щёлочи оксид ртути частично растворяется с образованием гидроксокомплекса:

Ртуть в степени окисления +2 образует уникально прочные комплексы со многими лигандами, причём как жёсткими, так и мягкими по теории ЖМКО. С йодом (-1), серой (-2) и углеродом она образует очень прочные ковалентные связи. По устойчивости связей металл-углерод ртути нет равных среди других металлов, поэтому получено огромное количество ртутьорганических соединений. Из элементов группы IIБ именно у ртути появляется возможность разрушения очень устойчивой 6d10 -- электронной оболочки, что приводит к возможности существования соединений ртути(IV), но они крайне малоустойчивы, поэтому эту степень окисления скорее можно отнести к курьёзной, чем к характерной. В частности, при взаимодействии атомов ртути и смеси неона и фтора при температуре 4 К получен HgF₄. Однако более новые исследования не подтвердили его существование.

4. Формы нахождения, поведение в водной и воздушной средах, участие в биологическом круговороте

Самородный свинец встречается редко, круг пород, в которых он установлен, достаточно широк: от осадочных пород до ультраосновных интрузивных пород . В этих образованиях он часто образует эвягинцевит и сплавы с другими элементами. Он входит в состав 80 различных минералов.

Ртуть -- относительно редкий элемент в земной коре со средней концентрацией 83 мг/т. Однако ввиду того, что ртуть слабо связывается химически с наиболее распространёнными в земной коре элементами, ртутные руды могут быть очень концентрированными по сравнению с обычными породами. Наиболее богатые ртутью руды содержат до 2,5 % ртути. Основная форма нахождения ртути в природе -- рассеянная, и только 0,02 % её заключено в месторождениях. Содержание ртути в различных типах изверженных пород близки между собой (около 100 мг/т). Из осадочных пород максимальные концентрации ртути установлены в глинистых сланцах (до 200 мг/т). В водах Мирового океана содержание ртути -- 0,1 мкг/л. Важнейшей геохимической особенностью ртути является то, что среди других халькофильных элементов она обладает самым высоким потенциалом ионизации. Это определяет такие свойства ртути, как способность восстанавливаться до атомарной формы (самородной ртути), значительную химическую стойкость к кислороду и кислотам.

Ртуть присутствует в большинстве сульфидных минералов. Особенно высокие её содержания (до тысячных и сотых долей процента) устанавливаются в блёклых рудах, антимонитах, сфалеритах и реальгарах. Близость ионных радиусов двухвалентной ртути и кальция, одновалентной ртути и бария определяет их изоморфизм во флюоритах и баритах. В киновари и метациннабарите сера иногда замещается селеном или теллуром; содержание селена часто составляет сотые и десятые доли процента. Известны крайне редкие селениды ртути -- тиманит (HgSe) и онофрит (смесь тиманита и сфалерита).

Ртуть является одним из наиболее чувствительных индикаторов скрытого оруденения не только ртутных, но и различных сульфидных месторождений, поэтому ореолы ртути обычно выявляются над всеми скрытыми сульфидными залежами и вдоль дорудных разрывных нарушений. Эта особенность, а также незначительное содержание ртути в породах, объясняются высокой упругостью паров ртути, возрастающей с увеличением температуры и определяющей высокую миграцию этого элемента в газовой фазе.

В обычных условиях киноварь и металлическая ртуть не растворимы в воде, но в присутствии некоторых веществ (Fe₂(SO₄)₃, озон, пероксид водорода) растворимость в воде этих минералов достигает десятков мг/л. Особенно хорошо растворяется ртуть в сульфидах щелочных металлов с образованием, например, комплекса HgS*nNa₂S. Ртуть легко сорбируется глинами, гидроксидами железа и марганца, глинистыми сланцами и углями.

В природе известно около 20 минералов ртути, но главное промышленное значение имеет киноварь HgS (86,2 % Hg). В редких случаях предметом добычи является самородная ртуть, метациннабарит HgS и блёклая руда -- шватцит (до 17 % Hg). На единственном месторождении Гуитцуко (Мексика) главным рудным минералом является ливингстонит HgSb₄S₇. В зоне окисления ртутных месторождений образуются вторичные минералы ртути. К ним относятся, прежде всего, самородная ртуть, реже метациннабарит, отличающиеся от таких же первичных минералов большей чистотой состава. Относительно распространена каломель Hg₂Cl₂. На месторождении Терлингуа (Техас) распространены и другие гипергенные галоидные соединения -- терлингуаит Hg₂ClO, эглестонит Hg₆Cl₄O(по другим данным Hg₆OCl₃(OH), Hg₆HCl₃O₂).

5. Основные типы месторождений

Основные типы промышленных свинцовых месторождений

Колчеданно-полиметаллические пластообразные месторождения в докембрийских метаморфических породах: Брокен-Хилл (Австралия), Сулливан (Канада), Холоднинское (СССР);

Колчеданно-полиметаллические месторождения в вулканогенно-осадочных и терригенных толщах: Лениногорское, Зыряновское, Жайремское, Озерное, Филизчайское (СССР), Серро-де-Паско (Перу);

Полиметаллические месторождения с разнообразной морфологией рудных тел в скарнированных и окварцованных карбонатных породах: Алтын-Топкан, Кансай, Верхнее, Кадаинское, Благодатское (СССР), Тинтик (США) и др.;

Свинцово-цинковые стратиформные месторождения в карбонатных породах: Миргалимсайское (СССР), рудные районы Миссисипи -- Миссури и Три-Стейт (США), Пайн-Поинт (Канада);

Полиметаллические жильные и жилообразные месторождения: Садонское (СССР), Кер-де-Ален (США).

Второстепенный тип -- стратиформные месторождения медистых песчаников, содержащих свинец и цинк [30].

В капиталистических и развивающихся странах запасы и добыча свинца и цинка более или менее равномерно распределяются по всем пяти типам. Следует лишь отметить более значительный удельный вес месторождений третьего и меньшую роль второго типа (см. табл. 3).

В СССР запасы и добыча свинца распределяются по четырем типам -- второму -- пятому, а цинка главным образом по двум -- второму и третьему. В отличие от зарубежных стран в СССР пока не разрабатываются стратиформные месторождения первого типа.

Месторождения с запасами свинца до 200 тыс. т считаются мелкими, 200--1000 тыс. т -- средними и свыше 1000 тыс. т -- крупными. Такие же запасы должны быть и для месторождений цинка.

Все промышленные месторождения ртути относятся к гидротермальному типу. По условиям образования выделяются следующие типы: эпитермальные и телетермальные гидротермальные месторождения, не связанные с вулканическими процессами;

гидротермальные вулканогенные месторождения.

Гидротермальные месторождения ртути, не связанные с вулканическими процессами, имеют промышленное значение. Они приурочены к зонам глубинных региональных разломов и залегают обычно в осадочных породах (песчаниках, известняках, конгломератах), хотя известны месторождения, связанные с лиственитами. Среди ртутных руд выделяются кварц-флюоритовый, кварц-диккитовый, карбонат-киноварный, барит-киноварный минеральные типы, отличающиеся простотой состава и относительно богатым содержанием ртути (до 1--2%).

По морфологическим особенностям выделяются согласные пластообразные тела и секущие жильные и штокверковые зоны. Мощность пластообразных тел до 15--20 м, длина до нескольких километров. Мощность жил обычно незначительна -- 0,1--0,3 м, длина -- десятки и сотни метров. Текстуры руд вкрапленные, прожилково-вкрапленные, брекчиевые, брекчиевидные и полосчатые. Месторождения формируются из глубинных растворов в условиях умеренных глубин при температурах 50--150 °С.

К месторождениям этого типа относятся Никитовское в Донбассе, Хайдаркан в Киргизстане, Акташ в Горном Алтае, Альмаден в Испании, Идрия в Югославии. Пример месторождений в лиственитах -- Нью-Альмаден в США. В России подобные месторождения известны на Чукотке.

Гидротермальные вулканогенные месторождения ртути развиты в областях современного или одновозрастного с оруденением вулканизма и четко связаны с вулканогенными породами. Среди них выделяют наземные и поверхностные газово-гидротермальные вулканические месторождения, приуроченные к вулканическим комплексам, и близповерхностные -- к субвулканическим комплексам. Рудные тела сложной трубо- и грибообразной формы, ветвящиеся жилы, гнезда и линзы залегают в зонах разломов среди измененных андезитовых, трахиандезитовых и липаритовых эффузивов и туфов.

Размещено на Allbest.ru