ทองแดง

ทองแดงเกิดขึ้นตามธรรมชาติในรูปของทองแดงบริสุทธิ์หรือสินแร่ โดยรวมตัวอยู่กับหิน ทราย ดิน หรือดินเหนียว สินแร่ทองแดงแบ่งออกเป็นพวกใหญ่ๆ ๓ พวกด้วยกัน คือ

            ๑. ทองแดงบริสุทธิ์ตามธรรมชาติซึ่งมีทองแดงอยู่ถึงร้อยละ ๙๙

            ๒. แร่ซัลไฟด์ (sulfide ores) ทองแดงรวมตัวกับกำมะถันเป็นทองแดงซัลไฟด์ ในแร่บางชนิดอาจมีธาตุอื่น เช่น ดีบุก หรือเหล็กปนอยู่ด้วย สินแร่ทองแดงในรูปของซัลไฟด์ที่สำคัญๆ ได้แก่ คาลโคไพไรต์ (chalcopyrite) โคเวลไลต์ (covellite) อีนาร์ไจต์ (enargite) เททราฮีไดรต์ (tetrahedrite) และบอร์ไนต์ (bornite) เป็นต้น แร่เหล่านี้มีทองแดงอยู่ร้อยละ ๔๐-๘๐

            ๓. แร่ออกไซด์ (oxide ores) ทองแดงรวมตัวกับออกซิเจนอยู่ในรูปของออกไซด์ แร่เหล่านี้ได้แก่ คิวไพรต์ (cuprite) เทนอไรต์ (tenorite) อะซูไรต์ (azurite) บรอคาไนต์ (brochanite) ฯลฯ ซึ่งมีทองแดงอยู่ร้อยละ ๔๕-๘๙


            แหล่งแร่ทองแดงที่สำคัญๆ ของโลก ได้แก่ เทือกเขาร็อกกี (Rocky) ในประเทศสหรัฐอเมริกา แนวลาดด้านตะวันตกของภูเขาแอนดีส (Andes) ในประเทศชิลีและเปรู เทือกเขาในทวีปแอฟริกาบริเวณประเทศคองโก ตอนเหนือของประเทศโรดีเซีย และประเทศแคนาดา แหล่งแร่สำคัญเหล่านี้ มีแร่ทองแดงรวมกันประมาณร้อยละ ๙๐ ของทองแดงทั่วโลก แหล่งแร่ทองแดงที่นับว่าใหญ่ที่สุดอยู่ในประเทศชิลี นอกจากนี้ ยังมีในบางแห่งของทวีปยุโรป ประเทศออสเตรเลีย และแอฟริกาใต้

            ประเทศไทยมีแร่ทองแดงอยู่โดยทั่วไป ทั้งทางภาคกลาง ภาคเหนือ และภาคตะวันออกเฉียงเหนือ แหล่งแร่ทองแดงที่สำคัญ ได้แก่ แหล่งขนงพระและแหล่งจันทึก จังหวัดนครราชสีมา ที่อำเภองาว จังหวัดลำปาง อำเภอเมือง จังหวัดแพร่ อำเภอโคกกระเทียม จังหวัดลพบุรี อำเภอพนมสารคาม จังหวัดฉะเชิงเทรา และยังมีแหล่งอื่นๆ ที่กำลังสำรวจอยู่ ไม่ปรากฏว่ามีแหล่งใดมีปริมาณแร่มากพอที่จะตั้งโรงถลุงทองแดงได้

            การถลุงแร่ทองแดง ทำโดยเอาสินแร่ที่ขุดได้มาร่อนแยกดินทรายออกก่อนที่จะนำไปถลุงในเตาถลุงแบบนอน (reverberatory furnace) หรือเตาถลุงแบบพ่นลม และตัวเปลี่ยนทองแดง (copper converter) ตามลำดับ แร่ทองแดงชนิดซัลไฟด์จะต้องแยกไปย่างต่างหากเสียก่อน เพื่อลดปริมาณกำมะถันก่อนเอาไปเข้าเตาถลุงแบบนอน กรรมวิธีนี้เรียกว่า การย่างไฟ (roasting)

แผนภาพแสดงการทำงาน (ถลุงทองแดง) ของเตาถลุงแบบนอน

            อุณหภูมิในเตาถลุงแบบนอน อยู่ในช่วง ๘๐๐-๑,๐๐๐ องศาเซลเซียส ซึ่งตำกว่าที่ใช้ถลุงเหล็กแร่ทองแดงจะเปลี่ยนรูปไปเป็นออกไซด์ของทองแดง และหลอมรวมตัวกัน เรียกว่า แมตที (matte) นำแมตทีหลอมเหลวไปเข้าตัวเปลี่ยน พ่นลมนาน ๔-๒๐ ชั่วโมง (นานกว่าการถลุงเหล็ก) ต่อน้ำหนักของแมตที ๑๒-๒๐๐ ตัน การที่พ่นลมเข้าไปในตัวเปลี่ยน เพื่อให้ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับเหล็กและกำมะถัน ซึ่งเป็นสารเจือปนกลายเป็นกาก หรือตะกรัน และเพื่อให้ออกไซด์ของทองแดงทำปฏิกิริยากับทองแดงซัลไฟด์เหลือเป็นทองแดงอย่างเดียว


ทองแดงที่ได้จากตัวเปลี่ยนยังไม่บริสุทธิ์นัก คือ มีเนื้อทองแดงประมาณร้อยละ ๙๗-๙๘ เนื่องจากยังมีซัลไฟด์ และออกไซด์ของทองแดงปนอยู่บ้าง ทองแดงที่ได้จากตัวเปลี่ยนนี้เรียกว่า ทองแดงบลิสเตอร์ (blister copper) ขบวนการต่อไปก็คือต้องนำทองแดงบลิสเตอร์ไปทำให้บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นอีก ดังนี้

            ๑. นำทองแดงบลิสเตอร์ไปหลอมใหม่ในเตาถลุงแอโนด ใช้ลมพ่นเข้าไปเพื่อให้ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับทองแดงซัลไฟด์ที่ยังเหลือ จนกลายเป็นทองแดงออกไซด์

            ๒. เมื่อทองแดงซัลไฟด์เปลี่ยนรูปเป็นออกไซด์หมดแล้ว โรยถ่านไม้ หรือผงถ่านหินลงบนผิวทองแดงที่กำลังหลอมเหลวอยู่ ใช้ไม้สดๆ กวน วิธีนี้เรียกว่า โพลิง (poling) หลังจากนั้นเอาทองแดงไปหล่อเป็นแท่ง

ทองแดงที่ได้จะมีความบริสุทธิ์ประมาณร้อยละ ๙๙ ยังมีเงิน และทองเจือปนอยู่นำไปทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกด้วยไฟฟ้า จะได้ทองแดงบริสุทธิ์ถึงร้อยละ ๙๙.๙๕

            ทองแดงเป็นโลหะที่ใช้ประโยชน์และมีความสำคัญในด้านอุตสาหกรรมเป็นที่สองรองจากเหล็ก เนื่องจากเป็นวัสดุที่เป็นตัวนำความร้อนที่ดี จึงใช้ทำอุปกรณ์เครื่องถ่ายเทความร้อน เช่น ทำเครื่องควบแน่น (condenser) หอกลั่น นอกจากนี้ ทองแดงมีสภาพต้านทาน (resistivity) ต่ำเป็นที่สองรองจากเงิน จึงเป็นสื่อไฟฟ้าอย่างดี ปริมาณทองแดงจำนวนมากกว่าครึ่งหนึ่งที่ผลิตได้ในโลกใช้ในกิจการอุตสาหกรรมไฟฟ้า เช่น ทำสายไฟฟ้า ลวดที่ใช้ในกิจการไฟฟ้าและใช้เป็นสื่อนำความร้อน ทองแดงเป็นโลหะที่ทนต่อการสึกกร่อนตามธรรมชาติได้ดีมาก คุณสมบัติทางกายภาพของทองแดงมีดังนี้ คือ

น้ำหนักอะตอม ๖๓.๕๗

ความถ่วงจำเพาะ ๘.๙๔

จุดหลอมเหลว ๑,๐๘๓.๐๐ องศาเซลเซียส

จุดกลายเป็นไอ ๒,๓๒๕,๐๐ องศาเซลเซียส

การแยกสลายทองแดงให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้า