Химия · Химия элементов · 7 класс

Полезные ископаемые

Из какой руды и как добывают мурунтауское золото и алмалыкскую медь?

Ситуация

В каждой тонне руды, добытой в Алмалыке Ташкентской области, всего 3–4 килограмма меди, а глубина золотого карьера Мурунтау в Навоийской области превысила 650 метров. В Кызылкуме добывают фосфорит, в Кашкадарье — калийную соль и газ, в Ангрене — уголь. Из каких минералов состоят полезные ископаемые, как мы их распознаём, как металл извлекают из руды и какой след это оставляет в природе?

Тема

Полезные ископаемые и месторождения Узбекистана. Карта недр Узбекистана: золото Мурунтау, медь Алмалыка, фосфорит Кызылкума, калийная соль Тюбегатана, газ Шуртана, уголь Ангрена

Ключевые понятия

Минералы и руды
Месторождения Узбекистана
Обогащение и экологический след

Формулы

ω (Cu) = \frac{A_{r} (Cu)}{M_{r} (CuFeS_{2})} = \frac{63,5}{183,5} \approx 34,6 %

Массовая доля элемента в минерале — меди в халькопирите.

CaCO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} CaCl_{2} + CO_{2} ↑ + H_{2} O

Кальцит в кислоте «кипит» — так распознают карбонатные минералы.

m (руды) = \frac{m (металла)}{ω \cdot η}

$ω$ — доля металла в руде, $η$ — степень извлечения: из руды с 0,4 % меди для 1 кг меди нужно ≈ 0,3 т руды.

R = 1 - e^{- k t}

Флотация: доля, извлечённая за время $t$ ; $k$ зависит от размера частиц, собирателя и воздуха.

2 CuFeS_{2} + 4 O_{2} \overset{}{\to} Cu_{2} S + 2 FeO + 3 SO_{2}

При обжиге концентрата выделяется SO₂ — его улавливают и получают серную кислоту (иначе — кислотные дожди).

Теория

Минерал, горная порода и руда

Минерал — образовавшееся в природе химическое соединение или элемент с определённым составом и кристаллической структурой: кальцит $CaCO_{3}$ , пирит $FeS_{2}$ , самородное золото Au. Горная порода — смесь минералов (гранит: кварц, полевой шпат, слюда). Руда — порода, из которой выгодно извлекать металл или ценное вещество. Геологические классы соединений: самородные элементы (золото, серебро, сера), сульфиды (пирит, халькопирит), оксиды (магнетит $Fe_{3} O_{4}$ ), карбонаты (кальцит), галогениды (галит NaCl, сильвин KCl), фосфаты (апатит $Ca_{5} (PO_{4})_{3} F$ ). Полезные ископаемые: рудные (металлы), нерудные (фосфорит, калийная соль, поваренная соль, известняк, мрамор), горючие (уголь, нефть, газ).

Как распознавать минералы

Цвет часто обманывает: пирит блестит как золото («золото дураков»). Надёжные признаки: цвет черты — след на фарфоровой пластинке (пирит — зеленовато-чёрный, золото — жёлтый); твёрдость — шкала Мооса от 1 (тальк) до 10 (алмаз), пирит 6–6,5, золото 2,5–3; плотность — золото 19,3 г/см³, пирит 5,0; магнитность — магнетит притягивается магнитом; кислота — карбонаты «кипят» в HCl, выделяя CO₂; цвет пламени: натрий — жёлтый, калий — фиолетовый, кальций — кирпично-красный, медь — зелёный. Галит и сильвин очень похожи — пламя сразу их различает.

Месторождения Узбекистана

Мурунтау (Навоийская область) — золото: открыто в 1958 году, добыча с 1967 года, карьер ≈ 5,5 × 3,4 км, глубина более 650 м; Навоийский горно-металлургический комбинат. Алмалык (Ташкентская область) — медь, золото, серебро, молибден; в руде месторождений Кальмакыр и Яшлик меди ≈ 0,4 %. Ангрен — бурый уголь. Кызылкумский фосфоритовый комбинат (Конимехский район, месторождение Джерой-Сардара) — фосфорит, ≈ 16–19 % P₂O₅. Дехканабад (Кашкадарья) — сильвинит, калийное удобрение. Шуртан, Мубарек, Газли, Сургиль (Устюрт) — природный газ; газохимические комплексы Шуртана и Устюрта производят из него полиэтилен, в Мубареке из газа получают серу. Учкудук — уран. Мрамор — на месторождениях Газган Нуратинского района Навоийской области. (Положение на карте приблизительное.)

Обогащение: дробление и флотация

В медной руде более 99 % составляет ненужная порода (в основном кварц и силикаты). Поэтому руду обогащают: сначала измельчают в дробилке и шаровой мельнице до ≈ 0,1 мм, затем проводят флотацию. В смесь воды и руды добавляют собиратель (ксантогенаты) — он делает поверхность сульфидных минералов несмачиваемой водой (гидрофобной); пузырьки воздуха прилипают к ним и выносят вверх с пеной. Кварц гидрофильный — он остаётся внизу (хвосты). Слишком крупная частица не удерживается на пузырьке, слишком мелкая прилипает медленно, и с пеной вместе с водой выносится ненужная порода. Затем концентрат обжигают, плавят и очищают электролизом.

Экологический след и его сокращение (практическая работа)

Ради тонны металла добывают сотни тонн породы: карьер, отвалы пустой породы, хранилища отходов (шлама) с остатками реагентов и металлов, пыль, большой расход воды, SO₂ при обжиге. Способы сократить след: переработка (переплавка алюминия экономит ≈ 95 % энергии, затрачиваемой на первичное получение — Международный институт алюминия: ≈ 8,3 МДж/кг вместо 186 МДж/кг), извлечение дополнительных металлов из отходов, превращение SO₂ в серную кислоту, оборотное водоснабжение, рекультивация карьеров и отвалов (насыпать почву и озеленить). В практической работе выберите продукт, рассчитайте, сколько руды и пустой породы добывается, увеличьте долю переработки и сравните след.

Безопасность и модель

Безопасность: с соляной кислотой работайте в очках, не проливайте капли; минералы (и галит) не пробуйте на вкус; спиртовку гасите колпачком. Модель: твёрдость и плотность минералов — справочные значения; положение месторождений приблизительное; во флотации кинетика первого порядка (константы скорости схематичны), руда принята с 0,5 % Cu, время ускорено в 30 раз, частицы халькопирита в сосуде нарисованы в увеличенном числе для наглядности; в экологическом следе состав руды, степень извлечения и доля пустой породы — типичные (модельные) значения, транспорт и этапы переработки не учтены.

Знаете ли вы?

Золотое месторождение Мурунтау открыто в 1958 году и разрабатывается с 1967 года; длина карьера ≈ 5,5 км, ширина ≈ 3,4 км, а глубина превышает 650 метров.
По данным Международного института алюминия, переплавка алюминия экономит примерно 95 % энергии, затрачиваемой на его получение из боксита; в среднем из 4–5 т боксита получают 2 т глинозёма, а из него — 1 т алюминия.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Воздух: состав и загрязнение — 7 класс
Кислород и озон — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс