Содержание и форма отчета

Приведите цель работы, дайте краткое теоретическое обоснование, и приложите писменные ответы на предложенные задания.

При защите работы студент должен представить отчет о выполненной работе, ответить на контрольные вопросы.

Вопросы для защиты работы

1. Дать характеристику ионного радиуса, потенциалов ионизации атомов и ионов, термические свойства элементов

2. Какие элементы называются переходными и почему?

3. Как изменяется ионный радиус элементов

Литература:[1. 2. 3]

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

Виды и методы геохимического анализа

Цель и содержание. Познакомить студентов с существующими методами анализов геохимических проб, их достоинствами и недостатками.

Теоретическое обоснование. При геохимических поисках для установления содержаний элементов (их соединений) применяются следующие наиболее распространенные методы анализа: эмиссионный спектральный; атомно-абсорбционный; массовый; колориметрический и другие методы собственно химических анализов: радиометрический; рентгеноспектральный. Кроме того, в отдельных случаях могут оказаться полезными методы определения свойств различных минералов (декриптация, ТЭДС сульфидных минералов и др.).

Часть анализов может выполняться в движении без отбора проб и с автоматической записью результатов. К ним пока относятся немногие: различные радиометрические, газортутные и др. Преимущества этих методов (особенно непрерывность определения, высокая степень автоматизации и экспрессность) делают их эффективными при геохимических поисках.

1. Эмиссионный спектральный анализ

Уже около 50 лет наиболее распространенным методом анализа при геохимических поисках является эмиссионный спектральный анализ. Он может быть использован для определения содержания элементов в коренных породах, рыхлых отложениях, золе растений, сухих остатках водных проб и отдельных минералах. Основой анализа является возможность измерения длины волны и интенсивности излучения, испускаемого атомами, молекулами и ионами вещества в источнике света. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Итак, пары калия дают спектр, состоящий из трех линий – двух красных и одной фиолетовой. Такой спектр называется линейчатым. Тот факт, что атомы каждого элемента дают вполне определенный, присущий только этому элементу спектр, причем интенсивность соответствующих спектральных линий тем выше, чем больше содержание элемента во взятой пробе.

Широкое применение спектрального анализа при геохимических поисках обусловлено рядом его преимуществ. С его помощью можно одновременно определять в исследуемых объектах свыше 70 элементов. К ним относится большинство металлов, включая редкие земельные, определить которые можно и без увеличения объема пробы. Сам анализ не требует проведения сложных операций по предварительной обработке проб, отличается простотой выполнения и соответственно высокой производительностью (пока недоступной при других методах анализа).

Спектрограммы, получаемые на фотопластинках, позволяют достаточно объективно оценивать содержание элементов, кроме того, они могут использоваться для проверки результатов анализа и дополнительного определения тех элементов, которые при первичном анализе не учитывались.

К недостаткам анализа относится возможное наложение линий на спектрограммах, затрудняющее определение. При больших содержаниях элементов (свыше 1%) спектральный анализ часто уступает по точности другим методам. При расчетах невозможно учесть влияние на результат анализа общего химического состава проб и формы нахождения определяемого элемента.

Спектральный анализ подразделяется на два вида: полуколичественный и количественный. Первый по сравнению со вторым дает менее точное определение содержания исследуемых элементов, но производительность его выше, а наиболее простым и распространенным является первый.

Весьма перспективным является использование ЭВМ в цикле расшифровки спектрограмм, для создания территориальных банков геохимической информации, при обработке данных и выдаче результатов в виде таблиц и графиков.

2. Атомно-абсорбционный анализ

Этот метод стал применяться сравнительно недавно. Однако его применение непрерывно расширяется. Особая ценность метода состоит в том, что из одного раствора после разложения образца можно определить содержание около 40 химических элементов. Для анализа образец переводят в раствор, который содержит элементы, подлежащие обнаружению. Затем раствор помещают в камеру атомно-абсорбционного спектрофотометра, где раствор диспергируется и испаряется с помощью пламени. Пламя имеет температуру, достаточную для перевода большей части раствора в атомарное состояние (около 2000⁰С). Пар, содержащий определяемый элемент, освещается источником света, обычно лампой с катодом того элемента, который подлежит обнаружению. По измеренной энергии, дошедшего до детектора, можно количественно установить содержание этого элемента в паре.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия относится к типичным методам определения "следовых" количеств элементов в разнообразных природных объектах – почвах, породах, золе растений, в природных водах.

Перспективным следует считать применение для анализов геохимических проб и беспламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии, используемой пока только для определения содержания ртути.

3. Рентгенорадиометрический анализ

Этот метод сравнительно широко стал использоваться только в последние годы. Он основан на облучении минералов и пород γ-квантами и измерении вторичного излучения элементов. Обычно облучение производится изотопными источниками или портативными рентгеновскими трубками. Это позволяет создать ряд переносных приборов, которые могут быть использованы при детальных литохимических поисках, когда основное внимание уделяется содержаниям небольшой группы элементов-индикаторов оруденения определенного типа.

Рентгеноспектральный анализ успешно применяется для проведения силикатного анализа горных пород, при котором используются квантометры.

Для проведения экспрессных анализов ряда элементов (от NaдоBaи отHfдоU) применяются отечественные приборы, с помощью которых можно одновременно, без перестройки определять 2-4 элемента. Существует группа приборов, позволяющих с высокой точностью устанавливать и в полевых условиях содержание элементов разных групп, например, железа.

4. Изотопные методы

Применяемые в последние годы в геохимических исследованиях данные об изотопном составе, в частности ¹⁸О/О¹⁶, могут служить указанием на температуру формирования месторождений и на пути движения рудообразующих растворов. Изотопный состав элементов определяют с помощью специальных приборов – масс-спектрометров.

5. Другие методы анализа геохимических проб

В тех случаях, когда содержание определяемых элементов велико и точность спектрального анализа не удовлетворяет предъявляемым требованиям, используются массовые и колориметрические методы химического анализа. Из массовых методов широкое применение нашел пробирный анализдля идентификации золота, серебра и металлов платиновой группы.

Большее распространение, чем массовые, имеют колориметрические методы. Они основаны на способности многих элементов, находящихся в специальном растворе, поглощать или рассеивать свет с определенной длиной волны. Если такое поглощение или рассеяние света связано количественно с содержанием металла, этот эффект используется для определения его содержания.

Преимуществами колориметрических методов являются простота анализа и портативность оборудования, а существенным недостатком – невозможность одновременного определения группы элементов.

Хроматография на бумагеоснована на различной скорости движения по фильтровальной бумаге ионов, находящихся в растворе. При определенных условиях они располагаются в виде ряда полос в зависимости от силы их сцепления с целлюлозной бумагой. Бумагу обрабатывают специальными растворами, образующими окрашенные соединения с определенными ионами – так называемые хроматограммы. Элемент идентифицируют по цвету и относительному положению на хроматограмме. Содержание элемента устанавливают по интенсивности окраски и ширине полосы. Недостатками метода являются не всегда высокая точность анализа и необходимость поддержания в лаборатории строго заданных температур и влажности воздуха.

Полярографический метод определения содержания элементов – единственный электрический метод, сравнительно широко применяющийся при анализе геохимических проб. Он отличается высокой точностью по сравнению с другими методами при обнаружении малых содержаний элементов в природных водах. Но для проведения полярографических анализов необходимы хорошо оборудованная лаборатория, дорогостоящее сложное оборудование и высокая квалификация исполнителей.

Флуоресцентный (люминесцентный) анализприменяется при геохимических исследованиях в основном для установления содержания урана. Пробы с повышенным содержанием урана после сплавления с соответствующими флюсами после воздействия ультрафиолетового излучения проявляют люминесценцию. При определенных условиях интенсивность свечения пропорциональна содержанию урана в пробе. Уровень интенсивности свечения устанавливается визуально (при сравнении с эталоном) и с помощью фотоэлектрических устройств. Описанный метод анализа является одним из наиболее простых и точных методов обнаружения низких содержаний урана.

Анализ гидрогеохимических пробтребует специфических особенностей поведения элементов в водных растворах. Анализ водных проб включает обнаружение газов, макро- и микрокомпонентов, образующих истинные и коллоидные растворы. В зависимости от поставленной задачи и условий выполнения анализы вод делятся на полевые (сокращенные) и полные.

При полевых анализах необходимо определить химический тип воды. Для этого достаточно иметь сведения о физических свойствах исследуемой воды, щелочности (pH) и содержании основных макрокомпонентов, к которым относятся СО₂(свободный),H₂S,O₂,HCO₃,Cl,SO₄,NO₃,NH₄,K,Na⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺. Для определения макрокомпонентов изготовляют специальные полевые гидрохимические лаборатории. ЗначениеpH-метр-милливольтметра. Для определения pH часто в полевых условиях используют индикаторную универсальную бумагу.

Важнейшей задачей при проведении геохимических поисков является установление в водах содержания металлов, которое обычно составляет тысячные и десятитысячные доли миллиграмма на литр. Применение наиболее простых колориметрических методов ограничено необходимостью определения большого числа элементов. В связи с этим основным методом идентификация металлов в водах является спектральный анализ сухого остатка водной пробы. Концентрация микрокомпонентов для последующего спектрального анализа проводится различными методами. Важнейшие из них следующие: 1) получение сухого остатка путем испарения; 2) концентрация в органическом растворителе; 3) извлечение с помощью ионообменных смол и сорбентов; 4) концентрация при помощи органических соосадителей, гидроксида аллюминия (метод ПТПИ) или сульфида кадмия (метод ВИТРЛТИ). Способ концентрирования иногда значительно влияет на чувствительность определения элементов.

Газовая съемка и газовый каротаж, сравнительно недавно применяемые при поисках рудных месторождений, требуют специальных методов анализа. Определение диоксида углерода, кислорода, водорода, азота, оксида углерода – главнейших компонентов газовых смесей – проводится прибором ВТИ. Отдельные газы можно обнаружить по их поглощению определенными реагентами, путем сжигания в соответствующих условиях, адсорбции, а также хроматографическими методами. Непосредственно в поле прибором ШИ-10 устанавливают содержание СО₂.

При минеральной форме миграции элементов, образующих вторичные ореолы, одним из наиболее эффективных методов поисков является шлиховой. Лабораторный анализ шлиховых проб разделяется на два этапа: подготовка шлихов к анализу (разделение их на фракции) и изучение состава фракции. Итогом второго этапа является определение минералов, составляющих отдельные фракции.

С развитием в последние годы термобарогеохимических (флюидометрических) методовпоисков появилась необходимость определять количество газово-жидких включений в минералах, их состав и температуру декриптации.

Аппаратура и материалы: плакаты, диаграммы рисунки.

Мероприятия по технике безопасности не предусматриваются

Методика и порядок выполнения работы

Проведите сравнительный анализ рассмотренных методов .Результаты работы приведите в виде сводной таблицы по основным характеристикам видов анализов(время выполнения анализа, точность, экономическая выгодность и уникальность , специфические особенности методов)

Содержание и форма отчета

Приведите цель работы, дайте краткое теоретическое обоснование и заполните сводную таблицу по основным показателям

При защите работы студент должен представить отчет о выполненной работе, ответить на контрольные вопросы

Вопросы для защиты работы

Охарактеризуйте :

1. Эмиссионный спектральный анализ

2. Полярографический метод

3. Газовая съемка и газовый каротаж

4. Полярографический метод

Литература:[1. 2. 3]

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Геохимические классификации химических элементов

Цель и содержание. Изучение геохимических классификаций и сравнительная характеристика классификаций.

Теоретическое обоснование. Геохимическая классификация элементов, предложенная В.М. Гольдшмидтом, проста, удобна и касается важнейших свойств элементов. В основу ее положены следующие признаки:

1. Классификация основана на электронном строении атомов и ионов, определяющем химические свойства элементов, а отсюда рассматриваемые группы элементов логично разделяются на элементы атмосферы, силикатных горных пород, сульфидных руд и самородных металлов и арсенидов.

2. Положение элементов на кривой атомных объемов (рис.1). (Понятие «атомного объема», введенное еще Л. Мейером, представляет собой отношение атомного веса элемента к его удельному весу в твердом, а для газов в жидком состоянии.) На кривой атомных объемов элементы могут занимать максимальные, минимальные, нисходящие и восходящие участки кривой.

Магнитные свойства химических элементов: диамагнитные (медь, серебро, золото), парамагнитные (кислород, титан и др.) и ферромагнитные (обладающие собственным магнетизмом (железо, кобальт).

3. Специфическое химическое сродство к тем или иным элементам (это является следствием электронного строения атомов и связано с магнитными свойствами атомов). Для одних элементов наиболее характерны окисные или галоидные соединения, для других – сульфидные, третьих – арсенидные.

Исходя из этого В.М. Гольдшмидт все имеющиеся химические элементы разделил на несколько групп:

1. Атмофильные.

2. Литофильные.

3. Халькофильные.

4.Сидерофильные.

1. Атмофильные элементы – элементы, характерные для атмосферы. Это - все инертные газы, азот и водород (кислород, слагающий порядка 50% массы всей литосферы от ее объема, к числу атмосферных элементов не относится).

Атмофильные элементы находятся в виде самостоятельных атомов (Не) или молекул (N₂, H₂, CH₄). Внешняя оболочка атомов большинства из них состоит из 2 электронов. Они занимают срединное положение на кривой атомных объемов, элементы диамагнитны и им характерно «самородное» состояние, большинство из них химических соединений не образуют.

2. Литофильные элементы. Ионы этих элементов обладают 8-электронной оболочкой. Элементы располагаются на граничащих участках кривой атомных объемов. Обычно они находятся в соединении с кислородом, фтором, хлором и с трудом искусственно восстанавливаются до элементного состояния. Сюда относятся следующие элементы: Li, Be, B, C, O, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Y, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, Ra, As, Th, Pa, U.

3. Халькофильные элементы («тиофильные», «любящие серу», термин предложен в 1954 г. Гиллебрандом).

Катионы этих элементов (кроме серы) имеют 18-электронную оболочку. Они располагаются на восходящих участках кривой атомных объемов, диамагнитны, причем диамагнетизм у гомологов возрастает с порядковым номером. Наиболее характерны соединения с серой, селеном и теллуром. Некоторые (особенно золото, серебро, частично ртуть, висмут, мышьяк) встречаются и в свободном (самородном) виде.

Характерна растворимость сульфидов халькофильных элементов в расплавленном моносульфиде железа и образование соединений типа сульфосолей, например CuBiS₂, Ag₃AsS₃, AgGeS₆.

К числу 19 халькофильных (тиофильных)элементов относятся: S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, TL, Pb, Bi, Po.

4. Сидерофильные («сидерос» - метеорное железо) элементы образуют катионы с достраивающейся электронной оболочкой («обрамленные» элементы), причем обычно максимальная валентность встречающихся в природе соединений этих элементов далеко не достигает их валентности согласно периодической системе. Располагаются они на участках минимальных значений кривой атомных объемов, элементы парамагнитные и ферромагнитные. Из химических соединений характерны арсениды PtAs₂, NiAs, CoAs₂, FeAs₂ и типично самородное состояние, особенно для Ir, Rh, Pt, в метеоритах известно также и никелистое железо.

К числу 11 сидерофильных элементов относятся: Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt.

Геохимическая классификация В. М. Гольдшмидта была детализирована Э. Садецки-Кардошем (1955г), который предлагает такую классификацию:

1. Сидерофильные элементы Fe, Co, Ni, Pt - группа, Au.

2. Сульфохалькофильные и 3. Оксихалькофильные. В них кроме Au то жеб что и у Гольдшмидта.

3. Литофильные (в более узком смысле).

4. Тяжелые пегматофильные Sc, Y, TR, Th, U, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re.

5. Седиментогенные O, C, B, F, Cl, Br, J, P, N.