Геохимия молибдена
Министерство по образованию Российской Федерации
Вологодский государственный технический университет
Кафедра
Геоэкологии и инженерной геологии
Курсовая работа на тему:
«Геохимия молибдена»
Вологда 2013
Содержание:
- Введение…………………………………………………………
……....3 - Общая часть
- 2.1 Химические и физические свойства элемента …………………...…..5
- 2.2 Распространенность молибдена в природе…………………………...14
- 2.3 Миграция элемента в природных системах: магматических, гидротермальных, гипергенных………………………………………………1
7 - 2.4 Историческая геохимия элемента………………………………….…..23
- 2.5 Элемент в природно-техногенных системах………………………….27
- Специальная часть
- 3.1 Геохимия молибдена в экосистемах Вологодской области………….32
- 3.2 Методы определения элемента…………………………………….…..36
- 3.3 Методы удаления из питьевых вод…………………………………....37
Заключение……………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение
Геохимия - это наука о химическом составе Земли и планет, законах распределения и движения элементов и изотопов
История миграции атомов на Земле и в космосе вызывает величайший интерес в XXI столетии. В настоящее время внедряются новые приборы, разрабатываются методы исследований микромира в целях реконструкции прошлой жизни природы и прогнозирования состояния микро- и макросистем при изменении условий и процессов. Атомы химических элементов создают невероятное множество соединений в гармоничной системе мироздания, в котором мы находим все, что необходимо живым организмам и человеку.
Геохимия связана с десятками естественных дисциплин, которые обогащаются путем взаимного использования информации. Термин «геохимия» впервые употребил в 1838 г. швейцарский химик Х. Шёнбейн относительно содержания химических элементов на Земле.
Геохимия изучает миграцию, концентрацию и рассеяние химических элементов в геологических структурах под влиянием
факторов и процессов при различных термодинамических физико-химических условиях.
Геохимия является необходимым направлением в цикле геолого-минералогических наук и тесно связана с минералогией и петрографией. Методология геохимии базируется на общих законах диалектики и, в частности, на изучении закономерностей миграции химических элементов в геологических системах. Предметом изучения геохимии являются атомы химических элементов Земли и космоса, их распределение и миграция в магматических, метаморфических и гипергенных системах под воздействием физико-химических процессов.
Научные задачи геохимии:
1. Изучение форм нахождения элементов, их миграции и концентрации в геосферах Земли и космоса.
2. Выявление законов и закономерностей распространения и концентрации химических элементов в геологических системах.
3. Термодинамика и
геохимия магматических,
4. Разработка эффективных геохимических методов поисков полезных ископаемых, элементов-индикаторов генезиса горных пород и
месторождений полезных ископаемых.
5. Региональная геохимия.
6. Геохимия изотопов и их применение в геологических исследованиях.
Практические задачи геохимии:
1. Использование методов геохимии для поисков полезных ископаемых.
2. Применение геохимической информации об элементах для индикации некоторых процессов, генезиса пород и минералов.
3. Решение экологических проблем, выявление техногенных геохимических аномалий [1].
2 Общая часть
2.1 Химические и физические свойства элемента
Главным природным соединением молибдена является молибденит, или молибденовый блеск, — минерал, очень похожий по внешнему виду на графит и долгое время считавшийся таковым.
Для получения металлического молибдена из молибденового блеска последний переводят обжигом в Мо03, из которого металл восстанавливают водородом. При этом молибден получается в виде порошка.
Залежи молибденовых руд имеются в СССР, Чили, Мексике, Норвегии и Марокко. Большие запасы молибдена содержатся в сульфидных медных рудах. [2].
Положение элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева
Молибден (лат. Molybdaenum), Mo, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; расположен в пятом периоде, это значит, что у него будет пять электронных слоев с расположенными на них электронами. Главное квантовое число внешнего электронного уровня равно 5 [3]. Поскольку молибден расположен в шестой группе периодической системы, и не в главной подгруппе, а в побочной, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. Атомный номер 42, атомная масса 95,94 а.е.м.; светло-серый тугоплавкий металл. Атомы молибдена могут находится в шести различных степенях окисления 0, +2, +3, +4, +5, +6. Электронная формула молибдена с атомным номером 42 : 4d5 5s1 [2].
Строение атома, изотопы, размеры ионов и атомов.
Малораспространенный, жизненноважный , токсичный 4d-металл. Атом состоит из семи изотопов, среди которых наиболее распространены 96Мо(23,75%), 98Мо(16,50), 92Мо(15,86), 95Мо(15,70); и большого числа радиоизотопов, наиболее важный 92Мо имеет среднюю радиационную опасность. Содержание в природной смеси, % 15,86 9,12 15,7 16,5 9,45 23,75 9,62. Искусственно получено 10 радиоактивных изотопов. Электронная конфигурация атома молибдена в нормальном состоянии:
1s22s22р63s23р63d104s24р64d55s
Энергия ионизации, эв, Мо° —> Мо+ —> Мо2+ —>Мо3+ —>Мо4+ —> Мо5+ —> Мо6+ соответственно равна 7,10; 16,15; 27,13; 40,53; 55,6; 71,7.
Кристаллическая структура. Молибден имеет объемно-центрированную кубическую решетку.
Плотность, рассчитанная из рентгенографических данных, равна 10,23 г/см3 . Атомный объем 9,38 см3/г-атом. Атомный радиус молибдена для координационного числа 8, по Полингу 1,36А.
Ионный радиус Мо4+ равен 0,68 А , Мо6+ 0,62 А [4].
Растворимость соединений, плотность и другие физические свойства.
Молибден — серебристо-белый металл плотностью 10,2 г/см3, плавящийся при 2620 °С. При комнатной температуре он не изменяется на воздухе, но при накаливании окисляется в белый триоксид . Температура кипения молибдена – 4639 0С, удельная теплоемкость – 0,256 Дж/(г·К), теплопроводность – 142 Вт/(м·К), электросопротивление – 5,70 мкОм·см. Механические свойства молибдена зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической его обработки.
В 1778 г. Шееле,
показал, что при обработке
Компактный молибден получают
главным образом методом порошк
Соляная и разбавленная серная кислоты при комнатной температуре не действуют на молибден; он растворяется в азотной кислоте или горячей концентрированной серной кислоте
В своих соединениях молибден проявляет
положительные степени
Молибден и его сплавы отличаются также высоким модулем упругости, малым температурным коэффициентом расширения, хорошей термостойкостью, малым сечением захвата тепловых нейтронов. Электропроводность молибдена ниже, чем у меди, но выше, чем у железа. По механической прочности он несколько уступает вольфраму, но легче поддается обработке давлением [2].
Литой и плотно спеченный молибден при комнатной и слегка повышенной температуре стоек против действия воздуха и кислорода. При нагревании до темно-красного каления поверхность металла быстро тускнеет и около 600°С молибден загорается, выделяя белый дым - возгон . При нагревании молибдена в токе образуется смесь окислов и дисульфида молибдена, в токе НСl - летучие хлориды ( ) и оксихлориды молибдена.
В растворах, содержащих окислитель (кислород, , и др.), молибден окисляется. Растворы при недостатке окислителя окрашиваются в синий цвет. Азотная кислота, одна и в смеси с соляной и серной - окисляет и растворяет металл. Фтористый водород и плавиковая кислота быстро действуют на молибден, переводя его во фториды. Разбавленная (d=l,3 г/мл) слабо действует на молибден даже при 110°. Концентрированная (d= 1,82 г/мл) на холоду действует слабо: за 18 ч потеря массы 0,24%. При 200 - 250°С растворение идет быстрее. Фосфорная и органические кислоты воздействуют на металл слабо, но в присутствии окислителей (в том числе воздуха) растворимость заметно увеличивается.
Растворы щелочей и аммиака действуют на молибден медленно, но их действие усиливается окислителями с повышением температуры. При растворении молибдена в щелочах получаем молибдаты щелочных металлов, реакция будет ускоряться при использовании расплавов щелочей [5].
В своих соединениях молибден проявляет степени окисления от +2 до +6, среди них наиболее устойчивы вещества, в которых молибден шестивалентен. Однако в природе наиболее распространен четырехвалентный молибден – в виде дисульфида. Подобно хрому, соединения молибдена бывают окрашены в различные цвета: белый, желтый, оранжевый, черный, коричневый, красный, синий, фиолетовый и другие цвета и оттенки.
Оксид молибдена(IV) MoO2, серый аморфный порошок или фиолетово-коричневые кристаллы, устойчивые на воздухе. Получается при восстановлении молибденового ангидрида водородом при 550° С:
MoO3 + H2 = MoO2 + H2O.
Диоксид молибдена восстанавливается водородом до металла при
1000° С, а при сильном нагревании диспропорционирует:
3MoO2 = 2MoO3 + Mo.
Сульфид молибдена(IV) MoS2, черные очень мягкие (твердость всего 1–1,5 по шкале Мооса) и жирные на ощупь кристаллы с металлическим блеском, похожие на графит. Кристаллы имеют форму пластинок и при небольшом трении (например, о бумагу) расслаиваются на тончайшие лепестки, оставляя серо-зеленый след. Может быть получен при нагревании стехиометрических количеств простых веществ, разложением тиомолибдата аммония в инертной атмосфере или нагреванием MoO3 в атмосфере сероводорода:
Mo + 2S = MoS2
MoO3 + 3H2S = MoS2 + S + 3H2O
(NH4)2MoS4 = MoS2 + H2S + S + 2NH3 .
MoS2 не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах даже при нагревании, но окисляется концентрированной азотной кислотой до молибденового ангидрида. Дисульфид молибдена(IV) – полупроводник, поэтому может применяться в изготовлении высокочастотных детекторов, выпрямителей или транзисторов. Благодаря удивительной мягкости кристаллов MoS2 и их способности легко расслаиваться на тончайшие лепесточки чистое вещество применяется как компонент твердых и жидких смазочных материалов, в том числе предназначенных для эксплуатации при высоких температурах (до 400° С). Молибденит применяется в производстве изделий из керамики, так как при добавлении к глине способен окрашивать ее в синий или красный цвет (в зависимости от добавленного количества) при обжиге [6].
Типы связей в соединениях.
Молибден – металл, связь металлическая, кристаллическая решетка металлическая.
Оксид молибдена(VI) (триоксид молибдена, триоксомолибден, молибдит) -бинарное неорганическое химическое соединение кислорода с молибденом.
Химическая формула . Степень окисления молибдена в этом соединении равна +6. В газовой фазе, три атома кислорода вместе связаны с центральным атомом молибдена. В твердом состоянии безводный состоит из слоев искаженных октаэдров в ромбической форме кристаллов. Края октаэдров образуют цепочки, которые соединены с атомами кислорода, которые и образуют слои. Октаэдры имеют один короткую связь O—Mo с несоединенным кислородом.
Ион молибдена (VI) имеет на 4d-уровне 0 электронов, а также свободные 4s и 4p-орбитали. Образование связи можно рассматривать как донорно-акцепторный процесс (ион молибдена – акцептор, гидрид-, фторид- и хлорид-ионы – доноры). В бинарных соединениях образуется 6 связей Мо-Э, для каждой из них атом молибдена предоставляет одну свободную орбиталь. Тип гибридизации sd5 (форма октаэдрическая). Следует отметить, что для молибдена характерны разные соединения с галогеними, поэтому и гибридизация в этих соединениях будет разной. Например в трифториде MоF3 для создания химической святи использовано только три электрона: sd2 (форма тетраэдрическая) [1].
Электроотрицательность.
Электроотрицательность - энергия притяжения данным атомом валентных электронов при соединении его с другими атомами. Она характеризует силовое поле атомного ядра и зависит как от его заряда, так и от степени экранирования ядра законченными электронными слоями и отдельными электронами. Т.е., Величина электроотрицательности зависит прежде всего от валентности, проявляемой данным атомом в соединении, а также от строения электронной оболочки.
Одним из наиболее простых методов является метод потенциалов ионизации в трактовке А.С. Поваренных, который предложил использовать для вычисления электроотрицательности следующую формулу :
ЭО= In/ n+ F,
где In – потенциал ионизации до соответствующего валентного состояния, n – валентность атома, F – сродство к электрону. По этой формуле можно найти ЭО большинства элементов.
Электроотрицательность молибдена по А.С. Поваренных следующая: Мо6+ -1088 кДж/моль, Мо 4+-984 кДж/моль По разнице величин электроотрицательности ионов определяется степень ковалентной и ионной связи в образуемом ими соединении. Чем больше разность электроотрицательностей двух элементов, образующих соединение, тем больше доля ионной связи между ними. В зависимости от этого меняется целый ряд свойств соединения, в том числе и доступность составляющих его элементов для организмов [7].
Потенциалы ионизации.
Потенциалом ионизации называется энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или иона. По мере последовательного удаления электронов от атома, положительный заряд образующегося иона возрастает; поэтому для отрыва каждого следующего электрона требуется большая затрата энергии, т. е. последовательные потенциалы ионизации атома возрастают.
Величина потенциала
ионизации может служить мерой
большей или меньшей «
Потенциалы ионизации молибдена (эВ): 7,29; 15,17; 27,00 [7].
Окислительно-
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) — мера способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться). Окислительно-восстановительный потенциал выражают в милливольтах (мВ). Окислительно-восстановительный потенциал характеризует меру возможности протекания определенных реакций, он зависит от отношения концентраций (активностей) веществ, участвующих в реакции [8].
При нейтральных рН окислительно-
Поля осаждения в координатах Eh – pH.
Во многих разделах химии и биологии широко используются значения Eh и рН, измерение которых в настоящее время не вызывает никаких затруднений. Метод с использованием Eh и рН в качестве характеристических переменных позволяет строить весьма удобные диаграммы устойчивости минералов при описании реакций с участием растворенных компонентов. Построению диаграмм Eh - рН с целью изображения соотношений устойчивости минералов посвящена гл. 7. Измерения Eh и рН иногда предпринимаются при качественном или полуколичественном исследованиях некоторых более сложных геохимических систем [10].
2.2 Распространенность молибдена в природе
Космическая распространенность и содержание в метеоритах.
Изучение химического состава метеоритов с помощью спектрального анализа показало, что основные черты первоначальной распространенности их в Солнечной системе в значительной мере являются общими для космических тел Галактики и Земли. Главные особенности распространения элементов определяются ядерными свойствами их атомов.
Оценка атомной
Для нелетучих элементов значения космической распространенности принимаются по анализам хондритовых метеоритов. Предполагается, что такие метеориты представляют собой первичный материал, из которого сформированы все планеты нашей Солнечной системы.
Содержание молибдена в среднем в веществе Солнечной системы в относительных единицах составляет всего лишь 2,52, тогда как хрома— 12 400, а никеля — 45 700. Следовательно, Солнечная система молибденом бедна. Отметим, что распространенность различных элементов в разных объектах Вселенной неодинакова, и в красных гигантах, например, содержание молибдена может быть повышенным. Следовательно, и в планетных системах вокруг таких звезд возможна повышенная концентрация молибдена. Молибден распространен реже, чем хром, в 75 раз и чем никель в 53 раза.
Содержание молибдена в
Содержание молибдена в отдельных геосферах.
Средние содержания многих химических элементов в земной коре первоначально устанавливались как средние значения из результатов анализов нескольких тысяч образцов горных пород для 16-км слоя земной коры, доступного для химического изучения. В последующих подсчетах брались наиболее точные анализы двух типичных групп горных пород литосферы – гранитов и базальтов и затем при пересчетах учитывалось наиболее вероятное их соотношение в том слое Земли, который расположен между поверхностью и сейсмической границей Мохоровичича [7].
Общее содержание молибдена в земной коре составляет 0,001 % (масс.). В свободном виде молибден не встречается. В земной коре молибден распространён относительно равномерно.
В мантии молибдена мало, в ультраосновных породах лишь %. Накопление молибдена связано с глубинными горячими водами, из которых он осаждается в форме молибденита , образуя гидротермальные месторождения. Молибден, присутствующий в рудных месторождениях в качестве сульфида . Молибден в породах находится в следующих формах: молибдатной и сульфидной в виде микроскопических и субмикроскопических выделений, изоморфной и рассеянной (в породообразующих минералах). Молибден обладает большим сродством с серой, чем с кислородом, и в рудных телах образуется сульфид четырёхвалентного молибдена – молибденит. Для кристаллизации молибденита наиболее благоприятны восстановительная среда и повышенная кислотность.
Молибден находится также в морской и речной воде, в золе растений, в углях и нефти. Содержание молибдена в морской воде колеблется от 8,9 до 12,2 мг/л для разных океанов и акваторий. Содержание молибдена в реках гидрокарбонатного состава во взвешенных твердых частицах составляет 0,2 мкг/л. Среднее фоновое содержание молибдена в подземных водах по А.А.Бродскому составляет 2·10-4 %, а по Е.Е.Веляковой 8·10-4 %,
Молибден в организме растений, животных и человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене.
В растениях молибден стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов. При недостатке молибдена бобовые, овёс, томаты и другие растения заболевают особым видом пятнистости, не плодоносят и погибают. Поэтому растворимые молибдаты в небольших дозах вводят в состав микроудобрений. Молибден относится к группе слабого накопления и среднего захвата. Он играет большую роль в усвоении растениями нитритного азота.
Животные обычно не испытывают недостатка в молибдене. Избыток же в корме жвачных животных приводит к хроническим молибденовым токсикозам, сопровождающимся истощением, нарушением обмена меди и фосфора. Токсическое действие молибдена снимается введением соединений меди.
Избыток молибдена в организме человека может вызвать нарушение обмена веществ, задержку роста костей, подагру и т. п. Среднее содержание молибдена в организмах составляет 1·10-5% [11].
2.3 Миграция
элемента в природных системах:
магматических,
Участие в механической, физико-механической, биогенной миграциях.
Миграция элементов - перемещение и перераспределение химических
элементов в земной коре и на её поверхности. К внутренним факторам миграции элемента
относятся свойства химических элементов,
определяемые строением атомов - их способность
давать летучие, растворимые или инертные
формы. К внешним факторам относятся ландщафтно-
геохимические условия, определяющие
поведение элементов в различных окислительно-
Выделяются 4 основных вида миграции в зависимости от формы движения материи. Понятие об этих формах разработал Ф. Энгельс, выделивший механическую, физическую, химическую, биологическую и социальную формы движения материи.
Наиболее простой является миграция, подчиняющаяся законам механики, - образование россыпей, ветровая и водная эрозия и т .д. Эта механическая миграция зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра.
Сложнее процессы, сущность которых определяется законами физики и химии - диффузией, растворением, осаждением, сорбцией, десорбцией и т.д. Это физико-химическая миграция. Лучше всего изучена миграция веществ в водных растворах в виде ионов (ионная миграция), зависящая от растворимости солей, щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий. Иным законам подчиняется коллоидная миграция, миграция газов.
Еще сложнее биогенная миграция, выделенная В.И. Вернадским, обязанная деятельности организмов. Эта миграция не может анализироваться только на основе общих законов физики и химии. Такие константы элементов, как радиусы ионов, валентность, недостаточны для анализа биогенной миграции. Организмы существуют в особом информационном поле, для них характерны процессы управления, переработки информации, отсутствующие в неживой природе.
Самой сложной является техногенная миграция, связанная с общественными процессами. К ней относится отработка месторождений полезных ископаемых, нефтепроводы, экспорт и импорт и т.д. Она определяется социальными закономерностями, хотя ей присущи и все более простые формы движения.
Виды миграции не существуют изолированно. Они тесно связаны и взаимообусловлены. Ведущее значение имеет высший, более сложный вид миграции .
В ландшафтах молибден мигрирует главным образом в виде молибдат-иона МоO42-, подвижного в окислительной нейтральной и щелочной среде и малорастворимого в кислой.
В растениях Мо участвует в азотном обмене, азотфиксации бактериями, входит в состав ферментов. В ландшафтах известен как его избыток, так и дефицит.
Молибден относится к группе интенсивного и среднего биологического накопления. В золе растений его среднее содержание 1,6.10-3%, что дает средний кларк концентрации 16. То есть растения малочувствительны к его повышенному содержанию. Более восприимчивы к избытку Мо животные.
Миграция молибдена
в ландшафтах и его доступность
растениям определяются щелочно-кислотными и окислительно-
В гумидных ландшафтах с кислыми, слабокислыми и нейтральными водами и почвами Мо малоподвижен, т.к. легко сорбируется гидроксидами Fe и Al, фиксируется Р, осаждается на восстановительных барьерах в глеевых горизонтах луговых и болотных почв. Воды здесь относительно бедны Мо (среднее по С.Л . Шварцеву 1,4 мкг/л), растения страдают от его недостатка. Известкование кислых почв способствует переводу малодоступного растениям Мо в более подвижную форму. Все же на кислых почвах биологическое поглощение Мо достаточно активно.
Из-за слабой подвижности в кислой среде радиальная дифференциация Мо в лесных почвах малоконтрастна. На песках проявляется его биогенная аккумуляция в гумусовых горизонтах дерново- подзолистых почв. В отличие от тяжелых металлов, подвижных в кислой среде, Мо практически не выносится при подзолообразовании. Латеральная миграция Мо в таежных ландшафтах не выражена.
В региональной миграции Мо с речным стоком преобладают взвешенные формы (в реках мира примерно 75%), однако доля растворенных форм может достигать 60% (реки Черноморского бассейна), т.е. больше, чем у многих других элементов.

- Геохімічне забруднення басейну річки Дністер
- Геохронология земли и геохронологическая шкала
- Геоэкологиеческие проблемы
- Геоэкологическая деятельность морей и океанов: экологическая деятельность океана, великие абиссальные равнины, подводные горы, атоллы и к
- Геоэкологическая обстановка и оценка геоэкологической опасности Богородицкого района Тульской области
- Геоэкологическая оценка влияния нефтедобычи на окружающую среду в Ханты-Мансийском Автономном округе
- Геоэкологическая оценка геоэкосистемы Ямало-Немецкого автономного округа
- Геохимические аномалии
- Геохимические барьеры и защита окружающей среды
- Геохимические методы исследования скважин
- Геохимические представления о техногенезе
- Геохимические представления о техногенезе
- Геохимическое воздействие человека на окружающую среду, на примере, Байкальского заповедника
- Геохимия грунтовых вод городских территорий