Геохимия титана и свинца

Геологический факультет

Реферат на тему:

Геохимия титанаи свинца

Выполнила студентка

4 курса геологического ф-та

Кафедры гидрогеологии

Чубарова Ирина

Санкт-Петербург 2008 год

Содержание

1. Титан – Ti

1.1 Общие сведения и история открытия элемента титана

1.2 Минералогия титана

1.3 Геохимия титана

2. Свинец – Pb

2.1 Общие сведения и история открытия элемента свинец

2.2 Минералогия свинца

2.3 Геохимия свинца

Список используемой литературы

1. Титан - Ti

1.1 Общие сведения и история открытия элемента титана

Титан открыт в конце XVIII в., когда поиски и анализы новых, еще не описанных в литературе минералов увлекали не только химиков и минералогов, но и ученых-любителей. Один из таких любителей, английский священник Грегор, нашел в своем приходе в долине Меначан в Корнуэлле черный песок, смешанный с тонким грязно-белым песком. Грегор растворил пробу песка в соляной кислоте; при этом из песка выделилось 46% железа. Оставшуюся часть пробы Грегор растворил в серной кислоте, причем почти все вещество перешло в раствор, за исключением 3,5% кремнезема. После упаривания сернокислотного раствора остался белый порошок в количестве 46% пробы. Грегор счел его особым видом извести, растворимой в избытке кислоты и осаждаемой едким кали. Продолжая исследования порошка, Грегор пришел к выводу, что он представляет собой соединение железа с каким-то неизвестным металлом. Посоветовавшись с своим другом, минералогом Хавкинсом, Грегор опубликовал в 1791 г. результаты своей работы, предложив назвать новый металл меначином (Menachine) от имени долины, в которой был найден черный песок. В соответствии с этим исходный минерал получил название менаконит. Клапрот познакомился с сообщением Грегора и независимо от него занялся анализом минерала, известного в то время под названием "красного венгерского шерла" (рутил). Вскоре ему удалось выделить из минерала окисел неизвестного металла, который он назвал титаном (Titan) по аналогии с титанами - древними мифическими обитателями земли. Клапрот намеренно избрал мифологическое название в противовес названиям элементов по их свойствам, как было предложено Лавуазье и Номенклатурной комиссией Парижской академии наук и что приводило к серьезным недоразумениям. Подозревая, что меначин Грегора и титан - один и тот же элемент, Клапрот произвел сравнительный анализ менаконита и рутила и установил идентичность обоих элементов. В России в конце XIX в. титан выделил из ильменита и подробно изучил с химической стороны Т.Е. Ловиц; при этом он отметил некоторые ошибки в определениях Клапрота. Электролитически чистый титан был получен в 1895 г. Муассаном. В русской литературе начала XIХ в. титан иногда называется титаний (Двигубский, 1824), там же через пять лет фигурирует название титан.

В периодической системе элементов титан входит в 4 группу металлов (циркон, гафний, ванадий , скандий, ниобий, тантал) с близкими по размерам атомными радиусами. В химических соединениях он проявляет валентность 2, 3, 4. Атомная масса титана 47,9, радиус иона Ti⁺⁴ 0, 064 нм.

Титан существует в двух состояниях: аморфный — темно-серый порошок, плотность 3,392—3,395г/см³ , и кристаллический, плотность 4,5 г/см³ . Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше — кубическая); t°пл. ок. 1680°; t кип. выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti₂ O₃ и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO₂ . При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего — в смеси HF и HNO₃ . Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. В соединениях проявляет валентность 2, 3 и 4.

Наименее устойчивы производные Ti(2). Соединения Ti(3) устойчивы в растворе и являются сильными восстановителями. С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана, закись Ti0 и окись Ti₂ O₃ , имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO₃ . Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl₄ — кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K₂ TiF₆ . Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN— металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хорошей электропроводностью.

1.2 Минералогия титана

Основные минералы титанового сырья

В настоящее время известно 214 минералов титана, в которых он является одним из главных компонентов; из них 85 относятся к оксидным титановым минералам, около 100 составляют группу силикатов, два – нитрида, четыре – бората, один – карбонат, четыре – фосфата и три – арсената.

В породообразующих минералах титан концентрируется в основном в темноцветных силикатах. К минералам титана, образующим месторождения, относятся ильменит(FeTiO3)- (43,7—52,8 % TiO2), рутил(TiO2)-(94,2-99,0 %), анатаз-, лейкоксен-(56,3-96,4 %), сфен, лопарит-(38,3-41,0 %), сфен, титанит-(CaTi(SiO4)(O,OH,F)-(33,7-40,8 %), перовскит и другие, но главное промышленное значение имеют первые четыре минерала. Перспективным минералом титана является титаномагнетит. Он содержит TiO₂ от нескольких до 305 и , как правило, примесь V₂ O₅ . При плавке титаномагнетита получают чугун и титаносодержащий шлак (до 4% TiO₂ ), который обычно рассматривается как отход. Наиболее перспективны высокотитанистые титаномагнетиты, содержащие более 16% TiO₂

Промышленные типы месторождений

Промышленные типы месторождений титана представлены основными генетическими группами: магматогенными, метаморфогенными(коренными) и экзогенными(россыпными). Россыпные месторождения в мировой сырьевой базе титана занимают ведущее положение по запасам(52,3%), добыче (67 – 70%).

Метаморфизованные месторождения титана образуются при метаморфизме древних россыпей и коренных первично-магматических руд. Верхнепротерозойские метоморфизованные россыпи в пределах Башкирского поднятия приурочены к песчаникам зильмердакской свиты, где встречены прослои мощностью до 2.5 м, обогащенные ильменитом (до 250-400 кг/т) и цирконом (до 30 кг/т).

Высококачественные ильменит-магнетитовые массивные и вкрапленные ильменитовые руды образуются при региональном метаморфизме первично-магматических руд

Наиболее значительные магматические месторождения титана приурочены к крупным массивам анортозитовой формации площадью в сотни и тысячи квадратных километров. В России к ним принадлежат месторождения Восточного Саяна (Мало-Тагульское, Лысанское, Кручининское), в Канаде – Лак-Тио, в США – Тегавус.

Современные и погребенные титаноносные коры выветривания образуются на габбро–анортозитах (Волынский массив) и метаморфических породах (Украинский щит, Казахстан). При выносе щелочных элементов и образовании глинистых минералов группы каолинита в коре происходит накопление более стойких акцессорных минералов, в том числе ильменита и рутила. При этом зерна рудных минералов сохраняют первоначальную форму кристаллов, не окатаны. Мощность кор выветривания достигает нескольких десятков метров. Содержание ильменита может достигать нескольких сотен, а рутила – нескольких десятков килограммов на кубический метр.

Среди россыпных месторождений титана различаются две разновидности: прибрежно-морские и континентальные. Главными являются прибрежно-морские комплексные ильменит-рутил-цирконовые россыпи; меньшее значение имеют континентальные аллювиально-делювиальные россыпи ильменита. Из современных прибрежно-морских россыпей рутил и ильменит добывают в Западной Австралии, Индии, Шри-Ланке, Сьерра-Леоне, частично в Бразилии и США. Крупные запасы ильменитовых песков выявлены у северного побережья Гренландии, на восточном побережье Мадагаскара, вдоль берегов озера Малави на побережье Мозамбика и Новой Зеландии.

Большое промышленное значение в России, а также за рубежом, имеют морские (донные, пляжевые, дельтовые) россыпи комплексного циркон – рутил – ильменитового состава.

Размеры месторождений по запасам TiO _{2, млн т}

Одним из источников титановых минералов и циркона являются месторождения строительных, формовочных и стекольных песков.

Определенные потенциальные возможности заключаются в техногенных образованиях. Так, в качестве техногенных месторождений рассматриваются отходы (хвосты) обогащения горно-добывающих и металлургических предприятий. Накапливаются хвосты переработки апатит-нефелиновых руд, содержащие титаномагнетит и сфен.

Природные и технологические типы руд.

Природные типы руд выделяются по минеральному составу: ильменитовые, лейкоксеновые, рутиловые, титаномагнетитовые, ильменит-магнетитовые (титаномагнетитовые), апатит-магнетит- ильменитовые и др.

В основу типизации природных (минеральных) типов руд в коренных месторождениях титана положено соотношение главных рудных минералов- ильменита, магнетита, апатита. Руды коренных месторождений подразделяются также по следующим признакам, влияющим на их технологические свойства:

По содержанию рудных минералов- бедновкрапленные (до 15%рудных минералов), умеренновкрапленные (15-30%), богатовкрапленные (30-80%) и сплошные руды(более 80%

По содержанию TiO₂ в породе: 5-7%-бедные руды - на уровне бытовых содержаний, 7-10%- рядовые, 10-15% и выше-богатые;

По текстурным признакам - вкрапленные, сидеронитовые, пятнисто-вкрапленные, массивные;

По структурным признакам- крупно-, средне-, мелко- и тонкозернистые;

По составу петрогенной основы- анортозиты, габброиды, пироксениты;

По характеру ее изменения, е по степени замещения первичных минералов низкотемпературными- слабо измененные породы (замещено до 30% нерудных минералов, измененные 9 от30 до 50%), интенсивно измененные 9 более 50%0.

Приведенные выше особенности титановых руд позволяют выделить технологические типы по степени обогатимости: легко-, средне-, труднообогатимые.

Различают по характеру комплексности две группы титановых руд. В одних случаях ведущим (или одним из ведущих) элементом в комплексных месторождениях является титан, попутные же элементы играют второстепенную роль. Такое сырье добывается с целью получения титановой продукции и циркона. В другой группе руд ведущими компонентами является железо, фосфор, редкие земли, ниобий, тантал; титан из этого сырья извлекается попутно.

Разработка месторождений

Разработку месторождений титановых руд производят открытым, подземным и комбинированным способами.

Открытыми горными работами обрабатывают подавляющее большинство месторождений и особенно россыпей. При разработке применяют экскаваторный, бульдозерно- экскаваторный , дражный и гидромеханический способы. Сначала вскрывают почвенный слой, который складируют отдельно, а затем вскрывают пустые породы кровли.

Подземный способ. Разработки месторождений применяют в случае больших глубин залегания руд9 70м0, а также при меньших глубинах, когда технико-экономические и экологические показатели этого способа разработки являются предпочтительными.

Гидроскважинный способ добычи титановых руд может применятся для месторождений с сильно дезинтегрированными рудами крупностью более 50 м, чему практически полностью удовлетворяют россыпные месторождения, залегающие на любых глубинах. Из всех способов разработки месторождений он отличается простотой, высокой экономичностью и экологичностью.

Промышленная переработка сырья

Титановые руды являются, как правило, бедными сырьем и требуют предварительного обогащения перед дальнейшей переработкой и потреблением. При обогащении применяют практически все известные процессы.

Обогащение россыпей осуществляется обычно в 2 стадии. На первой стадии получают черновые коллективные концентраты. Вторая стадия (доводочная) предусматривает селекцию черного концентрата с применение магнитной и электрической сепарации.

Селекция электростатическими методами немагнитных минералов получила наибольшее распространение. Она использует различия в электрической проводимости минералов, по мере убывания которой указанные объекты располагаются в указанной последовательности : магнетит- ильменит- рутил- хромит- лейкоксен- гранат- монацит- турмалин- циркон- кварц.

Пески россыпных месторождений составляют более50% всех титановых руд и часто имеют многокомпанентный минеральный состав. Содержащаяся в них фракция тяжелых минералов в основном состоит из ильменита, рутила вместе с лейкоксеном и циркона, а также из алюмосиликатов – дистена, силлиманита, ставролита и турмалина.

Коренные титановые руды подразделяются на магнетит – ильменитовые, титано-ильменитовые разновидности. Магнетит- ильменитовые руды обогащаются по комбинированным схемам. Ильменит- гематитовые требуют, вследствие весьма тонкой вкрапленности, применения пирометаллургических процессов. Магнетитовый концентрат очищается от серы флотационным методом с получением магнетитового и сульфидного сырья.

Ильменит- магнетитовые и ильменит- гематитовые руды перерабатываются по пирометаллургической схеме с разложением твердых растворов титана и железа плавлением. Титановые руды практически всех промышленных типов являются комплексными. Попутными компонентами являются железо, ванадий, кобальт, медь, фосфор, цирконий, платина. Особенно высокую комплексность имеют россыпные месторождения.

При переработке коренных титановых руд попутно получают ванадий- магнетитовые, сульфидные концентраты и фосфорную кислоту.

Требования к титановым концентратам определяются их значением и дальнейшей технологией переработки. Они включают нормирование физических и химических свойств по минеральному составу, содержанию TiO₂ , вредных элементов и растворимых соединений, влажности, крупности, состоянию поверхности.

Производство синтетического рутила. Ведется интенсивный поиск новых способов получения синтетического рутила , содержащего до 95-98% TiО₂ при массовой доле его в исходных концентратах около 35-55% и в шлаках – более 70-80 %. Получаемый при этом синтетический рутил по реакционной способности превосходит природный вследствие высокой удельной поверхности, что весьма благоприятно сказывается на производстве пигментного диоксида и четыреххлористого титана.

Производство пигментного диоксида титана осуществляется 2 способами: сульфатным, основанным на разложении ильменитовых концентратов или специальных титановых шлаков серной кислотой, и хлорным, заключающемся в хлорировании природных рутиловых концентратах, синтетического рутила или титановых шлаков с последующей переработкой полученного тетрахлорида на оксид титана.

Производство титановой губки (губчатого титана) осуществляется из сырья, которым за рубежом является главным образом рутил, в странах СНГ- ильменитовые концентраты, расплавляемые шлаки.

Для производства металлического титана исходное рудное сырье переводится в тетрахлорид титана TiCl₄ . Процесс производства последнего состоит из 5 основных пределов: подготовки сырья, хлорирования, конденсации продуктов хлорирования, очистки TiCl₄ и переработки отходов.

Применение

Основные преимущества титана другим конструкционным метилами - сочетание лёгкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (то есть прочности, отнесённой к плотности) превосходят большинство сплавов на основе др. металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °C, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов .Однако как самостоятельный конструкционный материал титан применяться только в 50-е гг. 20 в. в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки .Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения Сплавы титана с железом, известные под названием "ферротитан" (20-50% Т.), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический титан идёт на изготовление ёмкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование титана даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений титана практического значение имеют окислы галогениды титана, а также силициды титана, используемые в технике высоких температур; бориды титана и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид титана, обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

минералогия геохимия свинец титан

1.3 Геохимия титана

Титан по распространенности химических элементов в земной коре занимает девятое место. Среднее содержание титана в земной коре составляет, по А.П Виноградову, 0,45%.

В природе пять стабильных изотопов: ⁴⁶ Ti (7,95%), ⁴⁷ Ti (7,75%), ⁴⁸ Ti (73,45%), ⁴⁹ Ti (5,51%), ⁵⁰ Ti (5,34%).

Больше всего титана содержится в основных породах так называемой "базальтовой оболочки" (0,9%), меньше в породах "гранитной оболочки" (0,23%) и ещё меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие породы. В биосфере титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 1-10^-7 %; Титин - слабый мигрант.

В природных условиях он встречается главным образом в четырехвалентном состоянии, что определяет повышенную устойчивость его кислородных соединений. Двухвалентный титан в породах встречается очень редко. Присутствие TiO⁺³ отмечено в силикатных минералах (пироксенах, амфиболах, биотите). Ильмените и в редком минерале- армоколите. Омилит- собственный минерал трехвалентного титана также встречается очень редко. Свободный титан в природе не наблюдается.

Титан относится к литофильным элементам - он не образует природных сульфидов и арсенидов, а также солей слабых кислот, так как сам является слабым основанием. Для гидротермальных образований титан мало характерен, в виде летучих галоидных и сернистых соединений (типа TiCl₄ ) установлен до 5, 52 мг/л в природных конденсатах вулканических газов.

В условиях гипергенеза титан малоподвижен. В поверхностных условиях земной коры он в виде устойчивых минеральных разностей перемещается механически-водными потоками, частично ветром, а не в форме истинных растворов. В песках рутил и ильменит остаются практически неизменными. В глинах они обычно присутствуют в виде пелитовых частиц.

Титан в организме. Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация - около 10^-4 %, в морских - от 1,2 ×10^-3 до 8 ×10^-2 %, в тканях наземных животных - менее 2 ×10^-4 %, морских - от 2 ×10^-4 до 2 ×10^-2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезёнке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг. Относительно малотоксичен.

2. Свинец - Pb

2.1 Общие сведения и история открытия элемента свинец

Свинец (англ. Lead, франц. Plomb, нем. Blei) известен с III - II тысячелетия до н.э. в Месопотамии, Египте и других древних странах, где из него изготовляли большие кирпичи (чушки),


29-04-2015, 00:31