1.Медь. Свойства меди. Крупнейшие месторождения

Медь (лат. Cuprum-от названия острова Кипр, где в древности добывали медную руду) Сu, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 29, атомная масса 63,546. Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов ⁶³Сu (69,09%) и ⁶⁵Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси 3,77^.10^-28 м². Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d¹⁰4s¹; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu⁰ Сu⁺ Сu^2 + Сu³⁺ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координационные числа) Сu⁺ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu²⁺ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ. Содержание меди в земной коре (4,7^.5,5)^.10^-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3^.10^-7% по массе, в речной —1^.10^-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7^.10^-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2^.10^-4% по массе, в крови человека около 0,001 мг/л.

В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисленных минералов медь (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS₂, ковеллин CuS, халькозин Cu₂S, борнит Cu₅FeS₄, куприт Сu₂О, малахит CuCO₃^.Cu(OH)₂, хризоколла CuSiO₃^.2H₂O др. Редко встречается самородная медь Медные руды по минералогическому составу могут быть подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Сu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллические), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллические, помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Основные мировые запасы меди (кроме России) сосредоточены в Северной Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Южной Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд составляют 847,6 млн. т.

Свойства. Медь - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая, а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт. Т. пл. 1083,4 ⁰С, т. кип. 2567 °С; плотность 8,92 г/см³, жидкой при 1100⁰С-8,36 г/см³, при 200°С-8,32 г/см³, рентгеновская плотность 8,9331 г/см³; C⁰_р 24,44 ДжДмоль • К), уравнение температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С⁰_р = 4,187(5,41 + 1,4^.7^.10^-3 Т)Дж/моль^.К); DH⁰_пл 13,02 кДж/моль, скрытая DH_пл 205 кДж/моль, DH⁰_исп 304,8 кДж/моль; S⁰₂₉₈ 33,15 Дж/моль^.К); уравнение температурной зависимости давления пара над жидкой медь: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27^.l,273lg Т (1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медь не превышает 133,32 Па. Температурный коэффициент линейного расширения 1,7^.10^-5 К^-1(273-323 К), уравнение температурной зависимости линейного расширения: l_t = l₀(1 + 1,67^.10^-5t + + 3,8^.10^-9t² + 1,5^.10^-12t³) м, где l₀-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%.

Медь - мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; s_раст 220 МПа; относительное удлинение 60%, относительное уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэффициент Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом пределпрочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрическая проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5^.10¹⁹ n/см²) предел текучести медь возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость медь, S, О₂ - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрическую проводимость медь. Медь растворяет Н₂, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь").

Получение. Основное сырье для получения медь-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из которого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой медь. В связи с невысоким содержанием медь в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, например цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание медь в медных концентратах достигает 18-45%.

Применение. Широкое применение медь в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% медь используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, мельхиор и другие. Медь и ее сплавы используют также для изготовления художественных изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значительное количество меди (10-12%) применяют в виде различных соединений в медицине (антисептические и вяжущие средства), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.

Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли медь развивается хроническое отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м³, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.

Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

 Сибайское месторождение. 

Приурочено к западному крылу Магнитогорского мегасинклинория и расположено в восточной части Сибайской вулканогенной брахиантиклинали, сложенной породами базальтового, а в центральной части липаритодацитового комплексов. С востока и запада месторождение ограничено соответственно Восточным и Центральным разломами близмеридионального простирания и состоит из двух участков — Старого и Нового Сибая.

Все рудные тела — линзообразной формы, залегают в липаритодацитовых породах. В южной части месторождения в пределах Нового Сибая расположена наиболее мощная залежь массивных руд, расщеплённая по восстанию и падению на пять рудных линз; контакт их с вмещающими породами чёткий, падение восточное, от пологого до крутого. Основные компоненты руд — медь, цинк, сера. Отношение меди к цинку в среднем 1:1,6. Главный минеральный тип руд — медно-цинковый (халькопирит-сфалерит-пиритовый), второстепенные руды — серно-колчеданные (пиритовые) и цинково-колчеданные (сфалерит-пиритовые). Месторождение вскрыто спиральным съездом шириной 17 м с уклоном 80/00 и наклонной скиповой траншеей. Осушение карьера осуществляется с помощью горизонтальных подземных выработок (горизонты 130, 230, 350 м) и пробуренных к ним вертикальных сквозных фильтров (скважин). Отработка месторождения производится от центра к границе карьера. Высота уступов 10 м. Бурение скважин — шарошечными станками, выемка — экскаваторами, транспортировка — автосамосвалами. На карьере установлен наклонный скиповый подъёмник грузоподъёмностью до 40 т. Перегрузочный узел скиповой подъёмной установки расположен на глубине 228 м от дневной поверхности. Добытая руда складируется на усреднительных складах, затем направляется на обогащение по бесциановой технологии и по схеме прямой селективной флотации с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.

Удоканское медное месторождение.

Расположено в 30 километрах южнее железнодорожной станции Новая Чара Читинской области России. Крупнейшее в стране и третье в мире по запасам меди (около 20 млн т).

Его предварительные запасы оцениваются в 1,3 миллиарда тонн медной руды, среднее содержание меди в руде 1,5 %, что составляет около 30 % всех запасов этого металла в России. Месторождение находится в сейсмоопасном районе.

Месторождение было открыто еще в середине XX века. В 1992 году лицензию на освоение Удокана получило никому не известное российско-американское СП «Удоканская горная компания». Но работа так и не началась, спустя 6 лет государство отозвало лицензию.

По состоянию на декабрь 2010 года на месторождении осуществляется геологоразведка

ЧУКИКАМАТА (Chuquicamata)

Крупнейшее в мире месторождение медных руд на севере Чили, в провинции Эль-Лоа, к северо-востоку от горы Антофагаста. Расположено на высоте 2840 м. Месторождение известно с древнейших времён. Разработка и плавка медных руд велись инками в 16 веке. В промышленных масштабах разрабатывается с 1915. Рудное поле Чукикамата входят также месторождения Мина-Cyp (бывшее название Эксотика), открытое в 1957 и разрабатываемое с 1971, и Мина-Норте (северное продолжение Чукикамата).  Молибден-медно-порфировое месторождение Чукикамата расположено в узкой полосе складчатой зоны Главных Кордильер, в пределах Меденосного пояса Южной Америки. Оруденение приурочено к массиву эоценовых монцонит-порфиров, имеющему в плане вид линзы длиной 3000 м при максимальной ширине 1100 м. Оруденение представлено густой сетью минерализованных прожилков и ветвящихся жил. Главные минералы первичных руд: пирит, энаргит и халькопирит; второстепенные - борнит, сфалерит, галенит и молибденит. Вмещающие породы интенсивно гидротермально изменены. На месторождении до глубины 200 м проявлена зона окисления, а до глубины 700 м — зона вторичного обогащения. Вторичные руды сложены ковеллином, халькозином, брошантитом и атакамитом. Общие запасы меди оцениваются в 92 млн. т при содержании в руде 1,19%, молибдена — около 2 млн. т при содержании 0,02-0,03% и рения — 460 т. Разведанные запасы меди 42,0 млн. т (1987).  Государственная компания "Соdelсо" разрабатывает открытым способом месторождение Чукикамата и месторождение Мина-Cyp. До 1952 отрабатывалась зона окисления, затем зона вторичного обогащения, а после отработки последней — сульфидные руды (на месторождении Мина-Cyp добывается окисленная руда). 

1. История эффекта нейтронной активации

Метод нейтронной активации основан на явлении искусственной радиоактивности, за открытие которого Ирен и Фредерик Жоли-Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1935г. В опытах супругов были получены искусственно-радиоактивные изотопы при бомбардировке α-частицами мишеней, состоящих из стабильных веществ.

В заметке, опубликованной в 1934г. под названием «Новый вид радиоактивности», авторы указывают, что «радиоактивности, аналогичные наблюденным нами, могут быть получены при помощи бомбардировки другими частицами». Наиболее подходящими среди них оказались нейтроны, что было показано в дальнейшем в работах Э. Ферми. С помощью нейтронной накачки оказывается возможным получение искусственно-радиоактивных изотопов практически для любых материнских ядер. Изучение искусственной радиоактивности, вызванной в результате нейтронной «накачки» исследуемой среды, составляет сущность метода, получившего название нейтронной активации.

2.2Физическая суть метода и область применения

При бомбардировки нейтронами мишеней сложного состава (горные породы, руды) обычно образуется большое количество искусственно радиоактивных изотопов, каждый из которых характеризуется рядом особенностей (схема распада и его постоянная, вид и спектральный состав излучений, выход ядерной реакции). При наличии контрасте в ядерных характеристиках (периодов полураспада, энергетических спектров излучений) оказывается возможным получение сведений о парциальных активностях радионуклидов путем γ-спектрометрических измерений в комбинации с регистрацией вызванной активности во времени (если это необходимо). Информация об особенностях спектра γ-излучения, дополненная постоянной распада, как правило, является достаточной для надежной идентификации каждого из радионуклидов, образующихся с высоким выходом при нейтронной активации среды сложного состава.

Отмеченное обстоятельство определяет области применения метода нейтронной активации, который оказался особенно эффективным для дис­танционного изучения состава природных сред, например для получения информации о распределении полезной компоненты в рудных подсечениях разведочных скважин, пройденных с недостаточным выходом кернового материала или при его отсутствии. Другим важным направлением исполь­зования явления искусственной радиоактивности является возможность получения сведений о микропримесях в исследуемых веществах как след­ствие высокой чувствительности метода. В этом случае для нейтронной «накачки» специально подготовленных проб используются нейтронные ис­следовательские каналы атомных реакторов.

В практике геологоразведочных работ нашли применение и техноло­гии бескернового анализа состава рудных интервалов разведочных сква­жин, и нейтронный активационный анализ на редкие элементы. Применительно к бескерновым технологиям метод нейтронной активации оказался полезным при разведке месторождений различных полезных ископаемых: топлива (уголь, нефть), черных металлов (марганец), цветных (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Более широкие возможности для изучения состава природных сред заключаются в исполь­зовании нейтронно-активационного анализа порошковых проб при ней­тронной «накачке» в атомных реакторах. С помощью этого метода исследуется на кларковом уровне распределение в горных породах и рудах це­лого ряда редких и драгоценных металлов, включая Bа, Се, Sт, Еu, Тb, Dу, Yb, Lи, Ir, Sс, а также Аи и другие элементы.