Характеристика распространенных в природе металлов.

Алюминий в природе.

Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. Природные источники алюминия: боксиды, нефелины, алуниты, корунд, берилл.

Алюми́ний имеет латинское название aluminium, символAl. Простое вещество алюминий лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.По распространённости в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14 %. В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотностиводной среды. Концентрации алюминия в водоёмах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л. В морской воде его концентрация 0,01 мг/л. Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами, восстановление алюминия до металла из природных оксидов и алюмосиликатов более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления всех его руд, например таких, как бокситы, корунды.

Кальций в природе.

Природные источники кальция: апатиты, алебастр, гипс, кальцит, флюорит, Металл широко распространен в земной коре: его доля составляет около 1,5 %. Кальций относится к группе щелочноземельных металлов: при растворении в воде он дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Морская вода содержит кальций в больших концентрациях (400 мг/л). При обычных условиях кальций - это металл серебристо-белого цвета. Имея высокую химическую активность, элемент способен образовывать множество соединений разных классов. В солях кальций проявляет интересные свойства. Например, пещерные сталактиты и сталагмиты - это карбонат кальция, постепенно образовавшийся из воды, углекислого газа и гидрокарбоната в итоге процессов внутри подземных вод.

Элемент представляет ценность для технических и промышленных химических синтезов.

Железо в природе.

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов).

В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало - в кислых и средних породах.Железо образует 300 разнообразных минералов (карбонаты, сульфиды и т.д.) и энергично мигрирует в земной коре. Его называют металлом земных недр, так как он копится в кристаллизации магмы.В естественных водах, среднее содержание железа (в интервале 0,01-26 мг/л). Содержание железа в морской воде - 1⋅10-5 - 1⋅10-8 %.

Железо находится в земной коре в составе соединения с кислородом и другими элементами. Эти соединения называют железными рудами. Из них получают железо, которое применяют в виде различных сплавов с углеродом - чугунов и сталей.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeOFe₂O₃ или Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH₂O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe₃(PO₄)₂·8H₂O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа - пирит FeS₂ (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой - пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

Другие часто встречающиеся минералы железа:

Сидерит - FeCO₃ - содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5 - 4,5 по шкале Мооса.

Марказит - FeS₂ - содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6- 4,9 г/см³ и твёрдостью 5 - 6 по шкале Мооса.

Лёллингит - FeAs₂- содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7-7,4 г/см³, твёрдость 5-5,5 по шкале Мооса.

Миспикель -FeAsS - содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6 - 6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5 - 6 по шкале Мооса.

Мелантерит - FeSO₄·7H₂O - реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8 -1,9 г/см³.

Вивианит - Fe₃(PO₄)₂·8H₂O - встречается в виде сине-серых или зелёно-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5 - 2 по шкале Мооса.

Помимо вышеописанных минералов железа, существуют и другие.

Железо стоит на втором месте (4,7% в Земной коре) после алюминия по запасам и распространенности на планете. Оно обнаружено еще на заре человеческого общества и до сих пор не теряет своего значения и повсюду используется.Чаще всего железо находят в богатых металлом рудах, которые можно относительно легко добывать и перерабатывать. В чистом виде железо находили только в метеоритах.

Медь в природе.

Простое вещество медь- это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной пленки). C давних пор широко применяется человеком.

Медь встречается в природе, как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS₂, также известный как медный колчедан, халькозин Cu₂S и борнит Cu₅FeS₄. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллинCuS, куприт Cu₂O, азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)₂, малахит Cu₂CO₃(OH)₂. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и сланцы. Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,4 до 1,0 %.

Сульфид меди - Cu₂S в природе встречается в виде ромбических кристаллов медного блеска; удельный вес его 5,785, температура плавления 1130 ⁰С. Из расплава Cu₂S затвердевает в кубических кристаллах. Cu₂S достаточно хорошо проводит электрический ток, однако хуже, чем сульфид меди(II).

Окись меди (I) Cu₂O встречается в природе в виде минерала куприта – плотной массы цвета от красного до черно - коричневого; иногда она имеет кристаллы правильной кубической формы. При взаимодействии сильных щелочей с солями меди(I) выпадает желтый осадок, переходящий при нагревании в осадок красного цвета, по-видимому, Cu₂O. Гидроксид меди(I) обладает слабыми основными свойствами, он несколько растворим в концентрированных растворах щелочей. Искусственно Cu₂O получают добавлением натриевой щелочи и не слишком сильного восстановителя, например виноградного сахара, гидразина или гидроксиламина, к раствору сульфита меди (II) или к фелинговой жидкости.

Также в природе встречаются такие соединения Меди (I) как: Cu₂О, в природе называемыйберцелианитом (Умангит). Которыйискуствено получают взаимодействием паров Se или H₂Se с Cu или её солями при высоких температурах.

Окись меди (II) CuO встречается в природе в виде черного землистого продукта выветривания медных руд (мелаконит). В лаве Везувия она найдена закристаллизованной в виде черных триклинных табличек (тенорит). Искусственно окись меди получают нагреванием меди в виде стружек или проволоки на воздухе при температуре красного каления или прокаливанием нитрата или карбоната. Полученная таким путём окись меди аморфна и обладает ярко выраженной способностью адсорбировать газы.

Также встречаются соединения: дигидроксокарбонат меди (горная зелень) Cu₂(OH)₂CO₃ тёмно-зелёные кристаллы. Образуется в зоне окисления медных месторождений.

Свинец в природе.

В земной коре свинца немного - 0,0016% по массе, но этот один из самых тяжелых металлов распространен гораздо больше, чем его ближайшие соседи -золото, ртуть и висмут. Это связано с тем, что разные изотопы свинца являются конечными продуктами распада урана и тория, так что содержание свинца в земной коре медленно увеличивалось в течение миллиардов лет.

Известно много рудных месторождений, богатых свинцом, причем металл легко выделяется из минералов. Всего известно более ста свинцовых минералов. Из них основные - галенит (свинцовый блеск) PbS и продукты его химических превращений - англезит (свинцовый купорос) PbSO₄ и церуссит («белая свинцовая руда») PbCO₃. Реже встречаются пироморфит («зеленая свинцовая руда») PbCl₂·3Pb₃(PO₄)₂, миметит PbCl₂·3Pb₃(AsO₄)₂, крокоит («красная свинцовая руда») PbCrO₄, вульфенит («желтая свинцовая руда») PbMoO₄, штольцит PbWO₄. В свинцовых рудах часто находятся также другие металлы - медь, цинк, кадмий, серебро, золото, висмут и др. В месте залегания свинцовых руд этим элементом обогащена почва (до 1% Pb), растения и воды.

В сильноокислительной щелочной среде степей и пустынь возможно образование диоксида свинца - минерала платтнерита. И исключительно редко встречается самородный металлический свинец. Свинец всегда содержится в рудах урана и тория.

Серебро в природе.

Среди драгоценных металлов серебро самое распространенное в природе. Среднее содержание этого белого металла в земной коре составляет 0,075 грамм на тонну, что примерно в 20 раз больше, чем золота или платины. Среднее содержание серебра в различных породах не одинаково, и колеблется в пределах 0,05 – 1,0 г/т. Различные геолого-химические процессы заставляют серебро образовывать природные отложения с концентрацией 1000 г/т и больше. Средняя концентрация серебра в морской воде примерно 0,00004 грамм на тонну (или 0,04 мкг/л), что на порядок выше концентрации золота и платины. Это объясняется большей химической активностью серебра.

Также благодаря своей химической активности, серебро редко встречается в самородном виде. В природе известно около 60 минералов, содержащих серебро. Как правило, оно входит в состав сульфидных руд меди, свинца и цинка, реже - висмута и сурьмы. Серебро всегда присутствует в залежах золотых руд.Важное промышленное значение имеют лишь 15-20, в том числе:

- самородное серебро;

- электрум (золото-серебро);

- кюстелит (серебро-золото);

- аргентит (серебро-сера);

- прустит (серебро-мышьяк-сера);

- бромаргерит (серебро-бром);

- кераргирит (серебро-хлор);

- пираргирит (серебро-сурьма-сера);

- стефанит (серебро-сурьма-сера);

- полибазит (серебро-медь-сурьма-сера);

-фрейбергит (медь-сера-серебро);

- аргентоярозит (серебро-железо-сера);

- дискразит (серебро-сурьма);

- агвиларит (серебро-селен-сера) и другие.

Золото в природе.

Содержание золота в земной коре очень низкое - 4,3⋅10-10 % по массе (0,5-5 мг/т), но месторождения и участки, резко обогащённые металлом, весьма многочисленны. Золото содержится и в воде. Один литр и морской, и речной воды содержит менее 5⋅10-9 граммовзолота.

В природе известны 15 золотосодержащих минералов: самородное золото с примесями серебра, меди и др., электрумAu и 25 - 45 % Ag; порпеситAuPd; медистое золото, бисмутоаурит (Au, Bi); родистое золото, иридистое золото, платинистое золото. Встречается также вместе с осмистым иридием (ауросмирид). Остальные минералы представлены преимущественно теллуридами золота: калаверит AuTe₂, креннерит AuTe₂, сильванит AuAgTe₄, петцит Ag₃AuTe₂, мутманит (Ag, Au)Te, монтбрейит Au₂Te₃, нагиагит Pb₅AuSbTe₃S₆. Очень редок сульфид золота и серебра утенбогардит Ag₃AuS₂.

Для золота характерна самородная форма. Среди других его форм стоит отметить электрум, сплав золота с серебром, который обладает зеленоватым оттенком и относительно легко разрушается при переносе водой. В горных породах золото обычно рассеяно на атомарном уровне. В месторождениях оно зачастую заключено в сульфиды и арсениды.

Различаются вторичные месторождения золота - россыпи, в которые оно попадает в результате разрушения первичных рудных месторождений, и месторождения с комплексными рудами - в которых золото извлекается в качестве попутного компонента.

Ртуть в природе.

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, метациннабаритHgS 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 Hg₄Cl.

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Роль металлов в современном мире понятна, изделия из них практически везде.Не узнать металл среди всех веществ, просто не возможно, ведь только он обладает характерными металлическими свойствами.Металлы весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

Начиная работу над проектом, мы задались целью познакомиться с природными соединениями металлов и с самородными металлами. Узнали, что большинство металлов находится в природе только в виде соединений (минералов или горных пород), но есть и исключение- благородные, самородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Изучив литературу, выявили зависимость формы нахождения металла в природе от его химической активности, выяснили, какие руды наиболее пригодны для получения металлов, познакомились с одним из способов получения металлов из руд. Пришли к заключению,что получение металлов в промышленности зависит от их химических свойств, а также от количественного и качественного состава природных соединений металлов.

Значит, гипотеза подтвердилась, химическая активность металлов влияет на форму нахождения их в природе: либо в виде соединений, либо в самородном состоянии. Поставленная цель достигнута и задачи решены.