Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1. Tổng quan về đồng
2.1.3. Đặc điểm địa hóa, khoáng vật học của đồng
Đồng ( ký hiệu hóa học là Cu) là nguyên tố ở vị trí 29 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Đồng kim loại là chất ở thể rắn có màu vàng, ánh đỏ, có độ dẫn điện (5,96x107 /Ω.m) chỉ đứng sau bạc (Ag) và có độ dẫn điện cao (401 W/m.K). Đồng tinh khiết khá mềm và dễ uốn, độ cứng từ 2,5-3 Mohs, tỷ trọng 8,93g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1084,65o, nhiệt độ sôi 2562oC. Đồng là kim loại có hoạt tính bề mặt thấp, do đó có thể tồn tại trong tự nhiên dưới dạng kim laoij nguyên chất, Cu có 2 hóa trị là 1 và 2. Đồng là một trong rất ít kim loại có khả năng tái sinh, kim loại Cu tái chế có đặc tính cơ - hóa- lý tương tự kim loại Cu mới được luyện từ quặng, người ta ước tính hiện nay vẫn đang sử dụng ít nhất 80% lượng kim loại đồng đƣợc khai thác và chế biến trên thế giới (Habashi, 1997)
Đồng có trị số Clack 4,7.10-3%, và phân bố không đều trong các đá mafic và siêu mafic (1.10-2%) (Theo A.P.Vinogradov), đá trung tính (3,5.10-3%) và acid (2.10-3%), đá trầm tích (5,7.10-3%), đặc biệt trong thiên thạch (1.10-2%). Cấu trúc điện tử của đồng có dạng [Ar]3d104S, các đặc tính hóa tinh thể và năng lƣợng của đồng đƣợc thể hiện trong bảng 3 cùng với vàng và bạc. Hiện nay đƣợc biết 2 đồng vị của đồng 63Cu (chiếm 69,09%) và 65Cu (30,91%). Đồng có nguồn gốc từ đá magma (thuộc nguyên tố ƣa bazan và ƣa granit), trong các quá trình tác dụng magma baz[ nó tạo thành các mỏ đồng dung ly và skarn (trong giai đoạn pluton) và mỏ konchedan (trong giai đoạn phun trào). Liên quan với magma acid nó vận chuyển ở dạng phức chất thiosulphat, clorua. Trong điều kiện ngoại sinh đồng tập trung trong: a-Các đới biến đổi thứ sinh quặng sulfua (với việc thành tạo các đới oxy hóa và làm giầu sulfua thứ sinh); b-trong các trầm tích lục nguyên thuộc các đầm - châu thổ và các bồn ven biển, đồng đƣợc vận chuyển ở dạng phức chất phosphhat - carbonat.
Trong quá trình biến chất các thân quặng đồng đƣợc thành tạo trong quá trình nội sinh hoặc ngoại sinh biến chất trên sẽ bị biến đổi về bản chất. Quá trình xảy ra khi áp suất và nhiệt độ tang cao tạo điều kiện hóa lý gần tương tự như điều kiện thành tạo các khoáng sản nhiệt dịch. Những kiểu và quá trình biến chất sẽ tạo nên
những dạng khoáng vật đồng mới cùng với tổ hợp khoáng vật phi quặng đi kèm mới, phân bố trong các loại đá biến chất nhƣ skarn, amphibol…
Trong điều kiện nội sinh đồng có hóa trị 0, 1 và 2. Đồng liên quan chặt chẽ với các đa xâm nhập và phun trào mafic, trung tính và axit. Đồng có trị số Clack nhỏ, nhƣng hệ số tập trung lớn nên nó có thể tạo thành mỏ có quy mô cực lớn. Nguyên tố đồng đƣợc làm giàu mạnh nhất trong các đá magma bazan và trung tính và nghèo đi trong các đá siêu mafic và các đá granit thấp Ca.
Trong điều kiện ngoại sinh, đồng tồn tại dưới dạng những dung dịch keo, dung dịch thật và hợp chất phức. Đồng có độ hòa tan cao và hoạt hóa mạnh, song nó cũng bền vững khi Cu+2 trong dung dịch bão hòa SO4-2 và Cl- của các sulfua, carbonat, photphat, vanadate, asenat, hydroxit và oxit chứa đồng. Và cũng trong điều kiện này nguyên tố đồng đƣợc làm giầu trong các đá phiến sét, đá cát kết.
2.1.3.2. Đặc điểm khoáng vật học của đồng
Hiện nay, đã xá định đƣợc trên 240 khoáng vật đồng. Trong số đó có giá trị công nghiệp là những khoáng vật sau: (bảng 2.1)
Chalcopyrit là khoáng vật sắt-đồng sulfua kết tinh ở hệ tinh thể bốn phương, có công thức hóa học CuFeS2, có màu vàng thau đến vàng kim, độ cứng từ 3,5 đến 4 trên thang Mohs. vết vạch đƣợc xác định là màu đen nhuốm xanh lá cây. Khi tiếp xúc với không khí, chalcopyrit oxi hóa tạo thành các hợp chất oxit, hydroxit và muối Sulfat của Fe và Cu. Các khoáng vật đồng trong nhóm sulfua bao gồm bornit (Cu5FeS4), chalcocit (Cu2S), covellit (CuS), digenit (CU9S5); ngoài ra thường có các khoáng đồng carbonat đi kèm nhƣ malachit và azurit, một vài oxit nhƣ là cuprit (Cu20). Chalcopyrit hiếm khi gặp ở trạng thái liên kết với đồng kim loại.
Chalcopyrit là quặng đồng quan trọng nhất, khoáng chalcopyrit có mặt trong rất nhiều loại quặng, từ những khối quặng Cu khổng lồ nhƣ ở Timmins, Ontario, Canada, đến các mạch xâm nhập trong đá nhƣ trong quặng của mỏ đồng Porphyr ở Broken Hill, Australia, dãy Cordillera ở Hoa Kỳ và dãy Andes ở Nam Mỹ.
Chalcopyrit có mặt ở mỏ Cu-Au-U trữ lƣợng lớn Olympic Dam ở Nam úc cho đến trong vỉa than kết hạch với pyrit, hoặc rải lên bề mặt đá trầm tích carbonat.
Chalcosin (đồng (I) sulfua-Cu2S) là một loại khoáng vật quặng quan trọng
của đồng. Chalcosin có màu xám tối đến đen với ánh kim loại. Chalcosin có độ cứng từ 2,5 - 3, kết tinh theo hệ tinh thể trực thoi. Chalcosin đôi khi đƣợc tìm thấy trong các mạch nhiệt dịch ở dạng khoáng vật nguyên sinh. Tuy nhiên, hầu hết chalcosin có mặt trong môi trường có tính phong hóa trong đói ôxi hóa của các quặng đồng. Chalcocit đôi khi cũng đƣợc tìm thấy trong các đá trầm tích. Chalcosin đã đƣợc khai thác hàng thế kỷ và là một trong những quặng đồng có giá trị kinh tế do nó chứa hàm lƣợng đồng cao (67% tỷ sổ nguyên tử và gần 80% về khối lượng) và có thể dễ dàng tách lưu huỳnh ra khỏi quặng của nó. Tuy nhiên, chalcosin không đƣợc xem là nguồn quặng đồng chính do trữ lượng của nó không lớn. Các tinh thể chalcocit có kích thước lớn được ưa thích, các mỏ đã khai thác hết hiện nay ở Cornwall, Anh và Bristol, Connecticut, Hoa Kỳ đã từng có các tinh thể chalcosin có hình dạng tuyệt đẹp. Chalcosin còn đƣợc biết đến với các dạng giả hình của các khoáng vật nhƣ bomit, covellit, chalcopyrit, pyrit, enargit, millerit, galen và sphalerit.
Bảng 2.1: Các khoáng vật quặng chứa đồng chủ yếu
Khoáng vật Công thức Cu (%)
Đồng tự sinh Cu 92
Chalcopyrit CuFeS2 34,5
Bornit Cu5FeS4 63,3
Cubanit CuFe2S4 22-24
Chalcosin Cu2S 79,9
Covellit CuS 66,5
Tennantit 3Cu2SAs2S3 57,5
Tetrahedrit (Cu,Fe)]2Sb4Si3 52,3
Enacgit Cu3AsS4 48,4
Cuprit Cu2O 88,8
Domeykit Cu3As 71,1
Tenorit CuO 79,8
Malachit Cu2CO3(0H)2 57,4
Azurit Cu3(CO3)2(OH)2 55,3
Chrysocolla (Cu,Al)2H2Si2O5(OH)4.nH2O 37,9
Covellit (còn gọi là covellin) là một khoáng vật đồng sulfua hiếm với công thức CuS, thường được tìm thấy như là lớp phủ trên chalcocit, chalcopyrit, bornit, enargit, pyrit, và các sulfila khác. Covellit có ở Đức, Hoa Kỳ. Covellit cũng đã đƣợc tìm thấy trong các mạch quặng ở độ sâu 1.150 mét ở vùng Montana, Anh. Covellit hình thành các cụm trong các mạch quặng có độ dày tới một mét trên toàn vỉa tại các mỏ ở Leonard, Montana. Ngoài ra còn có mỏ Calabona, Alghero, Sardinia tại Bor Serbia; Leogang, Salzburg, Áo; tại Dillenburg, Hesse và Sangerhausen Saxony, Đức; Kedabek, dãy núi Caucasus, Nga và vùng Bou-Skour, Bou Azzer của Maroc.
Bornit là một khoáng chất sulfua với thành phần hóa học Cu5FeS4, tinh hệ hệ trục thoi, có màu nâu đến màu đồng đỏ tươi, trên các bề mặt bị xỉn màu xuất hiện ánh xanh tím. Bomit là một khoáng vật chứa Cu quan trọng, nó phổ biến nhƣ chalcopyrit. Bomit có trong các mỏ ở Arizona, Hoa Kỳ; Butte và Montana, Anh; và Mexico.
Tetrahedrit là một khoáng đồng antimon muối sulfua với công thức (Cu,Fe)]2Sb4Si3 Tetrahedrit đƣợc đặt tên theo tứ diện hình khối tinh thể. Khoáng này thường xuất hiện ở dạng khối lớn, có màu xám thép với ánh kim loại màu đen, độ cứng 3,5-4 Mohs và tỷ trọng 4,6-5,2. Tetrahedrit đƣợc tìm thấy ở Freiberg, Saxony, Đức.
Malachit là khoáng vật đồng carbonat với công thức Cu2C03(0H)2, có màu xanh, hệ tinh thể đơn nghiêng, phổ biến nhất là các hình thức tinh đám, sợi, hoặc tập hợp kết tụ. Malachit là kết quả của quá trình phong hóa quặng đồng, đƣợc tìm thấy cùng với azurit [Cu3(C03)2(0H)2], goethit, và calcit. Malachit phổ biến hơn azurit và thường liên kết cùng đá vôi. Malachit đã được khai thác ở Urals, Nga, Congo, Zambia, Namibia, Mexico, Lyon - Pháp, và ở Tây Nam Hoa Kỳ, đáng chú ý là ở Arizona. Tại Israel, malachit đƣợc khai thác rộng rãi ở thung lũng Timna.
Tennantit là khoáng chứa đồng và muối arsen, công thức hóa học là Cu]2As4Si3. Tennantit có màu xám đen, xám thép, xám sắt hoặc màu đen. Trong thành phần khoáng tetrahedrit thường có antimon thay thế đồng hình cho arsen.
Khoáng đƣợc phát hiện và mô tả lần đầu tại Cornwall, Anh vào năm 1819 và đặt theo tên nhà hóa học Smithson Tennant (1761-1815). Nó thường được thấy trong
các mạch nhiệt dịch và biến chất đi kèm với các muối sulfua và sulfo Cu-Pb- Zn- Ag, pyrit, calci dolomit, siderit, barit, fluorit và thạch anh.
Azurit là khoáng vật đồng có cấu trúc tinh thể đơn tà, ở kích thước lớn hơn chúng xuất hiện dưới dạng lăng trụ tinh thể màu xanh lam. Azurit là khoáng mềm với độ cứng 3,5-4 Mohs. Azurit bị phá hủy bởi nhiệt, quá trình gia nhiệt làm giải phóng C02 và nước để tạo thành bột đồng oxit (II) màu đen. Mỏ Cu chứa khoáng azurit khá lớn đã được tìm thấy gần Lyons, Pháp. Azurit thường được tìm thấy trong liên kết cộng sinh với malachit.
Cuprit là một khoáng vật oxit đồng (I) Cu20, và là một dạng quặng chứa đồng. Tinh thể cuprit có màu tối ánh đỏ, có cấu trúc khối tám mặt, hoặc các khối kết hợp. Mặc dù có màu sắc đẹp, nhƣng do có độ cứng thấp (3,5-4 Mohs) nên nó ít đƣợc dùng làm đồ trang sức. Cuprit thành tạo cùng với azurit, chrysocolla, malachit, tenorit và một loạt các khoáng oxit sắt. Cuprit còn đƣợc gọi là đồng ruby do nó có màu đỏ đặc trƣng.
Hình 2.1. Tổ hợp các khoáng vật của đồng trong hệ Cu-Fe-S-O (Theo IAKOVLEV. G.F, 1986)
Chrysocolla (Cu,Al)2H2Si2O5(OH)4.nH2O có màu xanh lá cây hấp dẫn và là
một khoáng vật đồng không phổ biến, có độ cứng 2,5 - 3,5. Chrysocolla có nguồn gốc thứ sinh và là sản phẩm của quá trình phong hóa quặng đồng gổc. Đi kèm khoáng chứa Cu này là thạch anh, limonit, azurit, malachit và các khoáng chứa đồng thứ cấp. Nó thường được tìm thấy dưới dạng tinh đám, khối tròn, dạng vảy,hay mạch xuyên cắt. Các nguồn quặng chứa chrysocolla đáng chú ý có ở Israel, Cộng hòa Dân chủ Congo, Chile, Anh, và Hoa Kỳ.
Ngoài ra, đặc điểm của các khoáng vật này dưới kính khoáng tướng được mô tả chi tiết trong Cameron (1961); Galopin & Henry (1972); Ramdohr (1981); và Robert& Paul (1998).
Tổ hợp các khoáng vật của đồng trong hệ Cu - Fe - S- O đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 2.1.