Минеральний састав руд

Тема: Минеральний састав руд


План:
1 Криста́ллы
2 Минера́лы
3 Минеральний састав
4 Ядерно-физические свойства минералов 

Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος первоначально — «лёд», в дальнейшем — «горный хрусталь; кристалл») — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристаллы — твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Современное определение кристалла дано Международным союзом кристаллографов: материал представляет собой кристалл, если он имеет преимущественно острую дифракционную картину[1].
В 2000 году самые крупные природные кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа[2]. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр. Известен своими гигантскими, метровыми, кристаллами сподумен[3]. В 1914 году было опубликовано сообщение, что в руднике Этта^[en], Южная Дакота некогда был найден кристалл сподумена длиной 42 фута (12,8 м) и весом 90 тонн[4].
Минера́л (нем. Мineral или фр. minéral, от позднелат. (аеs) minerale — руда[5]) — однородная по составу и строению часть горных пород, руд, метеоритов, являющаяся естественным продуктом геологических процессов и представляющая собой химическое соединение или химический элемент.
Минерал может находиться в любом агрегатном состоянии, при этом большинство минералов — твёрдые тела. Минералы подразделяют на имеющие кристаллическую структуру, аморфные и минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном состоянии (метамиктные минералы).[6][7] Горная порода может состоять из нескольких породообразующих минералов разного вида (полиминеральная порода), или из единственного породообразующего минерала (мономинеральная порода). В литературе применяется также словосочетание «минеральный материал».
Pазличают осн. и сопутствующие (попутные) П. к. Oсн. П. к. содержится в п. и. в пром. концентрациях, определяя их осн. ценность, назначение и название. При наличии двух или нескольких осн. П. к. полезное ископаемое характеризуется как комплексное (напр., медно-молибденовые, медно-свинцово-цинковые руды). Попутные П. к. (полезные г. п., полезные минералы и рассеянные элементы) — составные части п. и., извлечение к-рых экономически целесообразно лишь совместно c осн. П. к. Полезные г. п. (минеральные агрегаты) распространены или обособлены в контурах развития осн. П. к. (напр., вмещающие породы рудных залежей, используемые как строит. материалы). Полезные минералы входят в состав п. и. в низких концентрациях и могут извлекаться в селективные концентраты или накапливаться в продуктах обогащения осн. П. к. Pассеянные элементы входят в состав осн. или сопутствующих П. к. в виде изоморфных, тонкодисперсных и др. примесей (обычно в малых концентрациях) и поддаются извлечению лишь при металлургич., хим. и др. переделах концентратов. Полное комплексное извлечение и использование всех П.к. является обязат. условием эффективного использования недр (см. Комплексная переработка). Понятие o П. к. не является постоянным, оно изменяется в связи c изменением потребностей пром-сти и развитием техники и технологии добычи, обогащения и переработки минерального сырья.

Одним из фундаментальных свойств атома является его масса. Абсолютная масса атома — величина чрезвычайно малая. Так, атом водорода имеет массу около 1,67⋅10⁻²⁴ г[1]. Поэтому в химии (преимущественно для практических целей) значительно удобнее пользоваться относительной (условной) величиной, которую называют относительной атомной массой или просто атомной массой и которая показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы атома другого элемента, принятой за единицу измерения массы.
В качестве единицы измерения атомных и молекулярных масс принята ¹⁄₁₂ часть массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода ¹²C[2]. Эта внесистемная единица измерения массы получила название атомная единица массы (а. е. м.) или дальтон (обозначение: Да; единица названа в честь Дж. Дальтона).
Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.
Зависимость атомной массы изотопа от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1, с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у железа-56, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжёлых нуклидов. Это соответствует тому, что деление ядер, более тяжёлых, чем железо, высвобождает энергию, тогда как деление лёгких ядер требует энергии. Напротив, слияние ядер легче железа высвобождает энергию, слияние же элементов тяжелее железа требует дополнительной энергии.
Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомной массой всех существующих в природе стабильных и нестабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной (процентной) распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице Д. И. Менделеева, её используют в стехиометрических расчётах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной. Для моноизотопных элементов (таких как иод, золото и т. п.) атомная масса элемента совпадает с атомной массой его единственного представленного в природной смеси изотопа. Для химических элементов, отсутствующих в природе (синтетических химических элементов), таких как технеций, кюрий и т. п., в качестве атомной массы элемента условно указывают массовое число наиболее стабильного из известных изотопов этого элемента; такие значения в таблице Менделеева традиционно указываются в квадратных скобках.
Наиболее точные значения атомных масс, измеренные на текущий момент, можно найти в регулярно, раз в несколько лет выходящей под эгидой ИЮПАК публикации Atomic Mass Evaluation (AME)[3]. На 2022 год последней публикацией является AME2020[4].
При вычислениях атомных масс изначально (с начала XIX века, по предложению Дж. Дальтона; см. Атомистическая теория Дальтона) за единицу массы [относительную] принимали массу атома водорода как самого лёгкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов других элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая принималась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода считали равным 16 : 1. Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно 15,874 : 1 или, что то же самое, 16 : 1,0079, — в зависимости от того, к какому атому — кислорода или водорода — относить целочисленное значение. Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16, приняв атомную массу водорода равной 1,0079.
Таким образом, за единицу атомной массы принималась ¹⁄₁₆ часть массы атома кислорода, получившая название кислородной единицы. В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов, так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода (кислорода-16, кислорода-17 и кислорода-18), которое оказалось непостоянным из-за природных вариаций изотопного состава кислорода. Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомной массы была принята ¹⁄₁₆ часть массы атома кислорода ¹⁶O. В результате оформились две шкалы атомных масс — химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства. Величины многих констант, рассчитанных по физической и химической шкалам, оказывались различными[6]. Это неприемлемое положение привело к введению углеродной шкалы атомных масс вместо кислородной.
Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961; спустя 100 лет после 1-го Международного съезда химиков), вместо предыдущих двух кислородных единиц атомной массы — физической и химической. Кислородная химическая единица равна 0,999957 новой углеродной единицы атомной массы. В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994 : 1,0079… Поскольку новая единица атомной массы привязана к конкретному изотопу, а не к среднему значению атомной массы химического элемента, природные изотопные вариации не сказываются на воспроизводимости этой единицы.
Каждый минерал руды обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него строение. Это обусловливает довольно постоянные и индивидуальные физические свойства минералов:

• 
  цвет;
  
• 
  плотность;
  
• 
  электропроводность;
  
• 
  магнитную восприимчивость и др.
  

Создавая определенным образом условия, при которых наиболее контрастно проявляются те или иные свойства минералов, можно их отделить друг от друга, в том числе выделить из общей массы ценные минералы.
В качестве признаков разделения минеральных компонентов при обогащении полезных ископаемых используют их физические и химические свойства, важнейшими из которых являются:

• 
  механическая прочность;
  
• 
  плотность;
  
• 
  магнитная проницаемость;
  
• 
  электропроводность и диэлектрическая проницаемость;
  
• 
  различные виды излучений;
  
• 
  смачиваемость;
  
• 
  растворимость и др.
  

Вопрос о "минеральном составе" человека и, соответственно,
потребностях его организма очень сложный, относящийся к числу
фундаментальных и даже философских.
Организм (от лат. organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид), живое
существо, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой
материи. Большинство организмов имеет клеточное строение. Формирование
целостного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур
(органов, тканей, клеток и межклеточного вещества) и функций и их
интеграции как в онто-, так и в филогенезе.
Ткани, в биологии — системы клеток, сходных по происхождению, строению
и функциям. В состав тканей входят также тканевая жидкость и продукты
жизнедеятельности клеток. Ткани животных — эпителиальная, все виды
соединительной, мышечная и нервная; ткани растений — образовательная,
основная, защитная и проводящая.
Примеры тканей организма
Клетка, элементарная живая система, основа строения и
жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют как
самостоятельные организмы (напр., простейшие, бактерии) и в составе
многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для
размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям
(напр., нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клетки варьируют
в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в
скорлупе).
У человека в организме новорожденного ок. 2·1012. В каждой клетке
различают 2 основные части: ядро и цитоплазму, в которой находятся
органоиды и включения. Клетки растений, как правило, покрыты твердой
оболочкой. Наука о клетке — цитология.


Схема строения животной клетки
Химический состав клетки. Обычно 70–80 % массы клетки составляет вода,
в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические
соединения. Наиболее характерные компоненты клетки – белки и нуклеиновые
кислоты. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие
– ферментами, т.е. катализаторами, определяющими скорость и направление
протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат
носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе
внутриклеточного синтеза белков.
Описать типичный состав клетки не представляется возможным прежде
всего потому, что существуют большие различия в количестве запасаемых
продуктов и воды. В клетках печени содержится, например, 70% воды, 17%
белков, 5% жиров, 2% углеводов и 0,1% нуклеиновых кислот; оставшиеся 6%
приходятся на соли и низкомолекулярные органические соединения, в частности
аминокислоты. Кровь, лимфа и тканевая жидкость образуют внутреннюю среду
организма, омывающую все клетки и ткани тела. Внутренняя среда имеет
относительное постоянство состава и физико-химических свойств, что создает
приблизительно одинаковые условия существования клеток организма
(гомеостаз). Кровь — это особая жидкая ткань организма. Кровь обеспечивает
все клетки организма питательными веществами: глюкозой, аминокислотами,
жирами, витаминами, минеральными веществами, водой.
Обмен веществ (метаболизм), совокупность всех химических изменений и
всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих
развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с
окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий. Основу обмена
веществ составляют взаимосвязанные процессы анаболизма и катаболизма,
направленные на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его
необходимой энергией. Анаболические и катаболические процессы
осуществляются путем последовательных химических реакций с участием
ферментов. Для каждого вида организмов характерен особый, генетически
закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий его существования.
Интенсивность и направленность обмена веществ в клетке обеспечивается путем
сложной регуляции синтеза и активности ферментов, а также в результате
изменения проницаемости биологических мембран. В организме человека и
животных имеет место гормональная регуляция обмена веществ, координируемая
центральной нервной системой. Любое заболевание сопровождается нарушениями
обмена веществ; генетически обусловленные нарушения обмена веществ служат
причиной многих наследственных болезней.
Минеральные вещества, наряду с белками, углеводами и витаминами,
являются необходимыми элементами питания человека. Они способствуют
химическому построению тканевых структур и протеканию биохимических и
физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма.
Кроме того, минеральные вещества входят в состав или активизируют действие
ферментов, гормонов, витаминов и участвуют в обмене веществ. Каждый
химический элемент выполняет определенную функцию. Когда организму
недостает какого-либо вещества, человек испытывает недомогание, болеет,
теряем оптимизм и веру в себя, его кожа увядает, а волосы тускнеют. Этого
можно избежать, если восстановить минеральный баланс.


Основная часть
Биогенная классификация химических элементов
Тело любого существующего на Земле организма, растительного или
животного, состоит из вполне определенного набора химических элементов,
генетически строго контролируемого и передаваемого в тех же соотношениях из
поколения в поколение. Минеральный состав современных организмов
складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюция
состава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом
соотношения химических элементов из-за выщелачивания, вулканической
деятельности. С другой стороны, это "необходимое" для организма
генетическое контролирование уже имеющихся внутри него на том или ином
этапе соотношений, ведь, по словам знаменитого К. Бернара, "постоянство
внутренней среды - необходимое условие свободной жизни организма". История
взаимоотношений среда - организм исполнена драматизма. Лишь изучив прошлое
организмов, их эволюцию и адаптацию к меняющейся геохимической среде
обитания, вымирание и расцвет отдельных видов, родов и семейств растений и
животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем, решать актуальные
проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.
С этих позиций была поставлена задача создания естественной классификации
химических элементов, которая может быть решена на стыке эволюционной
геологии, генетики и медицины.
Но как ни замечательна таблица Менделеева с точки зрения физиков и
химиков, биологам ее недостаточно. Ведь место, занимаемое в ней каким-либо
элементом, еще не определяет место этого элемента в живом организме. В
настоящее время наблюдается неимоверная путаница в делении элементов по их
отношению к живым организмам - на биогенные и абиогенные, на макро-, микро-
и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, на ятрогенные (т.е. вроде бы и
нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно
эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницу усугубляет
антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или "вредность" того
или иного элемента для человека отнюдь не означает таковых свойств для
других представителей животного мира или для представителей мира
растительного.
Все перечисленные выше классификации по сути своей искусственны. В
самом деле, само деление биогенных элементов на макро- и микроэлементы
напоминает попытку подразделить всех животных на "больших" (бегемот, кит,
акула...) и "маленьких" (мышь, колибри, кузнечик...). Так, железо в
животном организме до сравнительно недавнего времени относили к
макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше 90% его связано с
гемоглобином, "перевели" его в микроэлементы.
Более того, всех химических элементов в природе чуть больше ста, из
них стабильных - всего 92. Из списка потенциальных претендентов на роль
жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо не участвующие в
метаболизме инертные газы и классические "тяжелые металлы". Этот список
становится совсем коротким. Тем не менее, несмотря на огромное количество
исследований, посвященных функциям отдельных химических элементов в
животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемого
элемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно
необходимы, а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой
и воздухом или по крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в
метаболических цепях, остается открытым. Общее число элементов,
определяемых как жизненно важные, варьирует у разных авторов в весьма
широких пределах. Например, один из класси
Механическая прочность (крепость) руд и углей характеризуется дробимостью, хрупкостью, твердостью, абразивностью, временным сопротивлением сжатию и определяет энергетические затраты при их дроблении и измельчении, а также выбор дробильно-измельчительного и обогатительного оборудования.
Плотность горных пород (ð) определяется плотностью слагающих их минералов, которые делятся на тяжелые (δ> 4-10^3 кг/м3), средние (δ = (4,0-2,5) 10^3 кг/м3) и легкие (δ < 2,5-10^3 кг/м3 ). Плотность органической массы угля зависит от его природы, стадии метаморфизма, петрографического состава и может изменяться в пределах от 1,16-10^3 до 1,53-10^3 кг/м3 . Различия в плотности минералов используют для их разделения методами гравитационного обогащения.