علوم

ما هو النحاس

18 أبريل، 2021
0 569 12 دقائق
607b509780a97 ما هو النحاس

مقالات ذات صلة

النحاس

يُعتبر النحاس (بالإنجليزية: Copper) أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الطبيعة، حيث يأتي في المرتبة الخامسة والعشرين من بين أكثر العناصر توافراً.[١] يتواجد النحاس في الطبيعة باللون الأحمر الذهبي أو قد يكون قزحي الألوان؛ أيّ أنّه يعكس ألواناً كألوان الطيف عند سقوط الضوء عليه،[٢] لذلك فهو يتميّز عن غيره من المعادن -إلى جانب معدن الذهب- بأنّه لا يتواجد باللون الفضيّ أو الرماديّ عند وجوده في الطبيعة كباقي المعادن.[٣]

يتميز عنصر النحاس بالعديد من الخصائص؛ أهمّها قدرته العالية على توصيل الحرارة والتوصيل الكهربائي، إضافةً إلى أنّه معدن لدن وقابل للطرق يسهل تشكيله دون أن ينكسر، ممّا جعله أحد المعادن الأساسية التي استفاد منها الإنسان منذ آلاف السنين،[٢] فهو يعد من أوائل المعادن التي تمّ اكتشافها واستخراجها، ولا يزال له دور كبير في تطوّر المجتمعات.[٤]

تاريخ النحاس

يُعتبر النحاس من أكثر المعادن استخراجاً واستخداماً منذ اكتشافه، فقد كان المعدن الوحيد المعروف عند الإنسان لمدّة 5000 عام، وتعود بداية اكتشافه واستخدامه إلى عام 8700 ق.م أيّ قبل حوالي 10000 عام، حيث تمّ استخدام النحاس لصنع الأسلحة في تلك الفترة. تُعتبر مصر من أوائل الدول التي اكتشفت مقاومة النحاس للتآكل، فاستفاد المصريون من هذه الخاصية في صناعة أشرطة ومسامير نحاسية يُستفاد منها في بناء السفن وصنع أنابيب لنقل المياه، وقُدِّر إجمالي إنتاج مصر للنحاس بـ 10,000 طن على مدار 1500 عام، وما زالت الكثير من الصناعات المصرية النحاسية القديمة موجودة حتّى الوقت الحالي وبحالة جيدة.[١]

شهد العصر البرونزي استخداماً كبيراً للنحاس، حيث تمّ اكتشاف سبائك مكونة من النحاس والقصدير أُطلق عليها اسم البرونز، واكتشاف سبائك مكونة من النحاس والزنك أُطلق عليها اسم النحاس الأصفر، واستُخدمت تلك السبائك في صناعة عدّة أشياء، مثل: الأواني المنزلية، والأثاث، والأسلحة، إضافةً إلى استخدام النحاس في سكّ العملات، فقد اكتُشفت أقدم عملة نحاسية رومانية تعود إلى الفترة ما بين عام 27 ق.م حتّى 14م، ومن الجدير بالذكر أنه تمّ اكتشاف مُركّبات نحاسية أُخرى قبل عام 4000 ق.م مثل مُركب كبريتات النحاس الذي استخدمه المصريون القدماء في الصباغة، ولاحقاً أصبح للنحاس دور مهم في نقل الكهرباء استمرّ حتّى الوقت الحالي.[١]

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية للنحاس

من أهم الخصائص الكيميائية التي يتميّز بها العنصر الذي يحمل الرمز الكيميائي Cu أنّ العدد الذري للنحاس هو 29، ووزنه الذري 63.55،[٣] بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الأُخرى الآتية:[٥]

  • يقع النحاس في المجموعة الحادي عشر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
  • يقع النحاس في الدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر.
  • التوزيع الإلكتروني:Ar] 4s1 3d10]
  • يتم تصنيف عنصر النحاس على أنه معدن انتقالي.
  • يوجد لعنصر النحاس 28 نظيراً.

بناءً على خصائص النحاس الكيميائية فإنّ النحاس يفقد إلكترونات عند تفاعله مع الهواء أو الماء ويُسمّى هذا التفاعل بتفاعل الأكسدة، وينتج عنه أكسيد النحاس، فيتغيّر لون النحاس الأصلي ليُصبح أخضر باهتاً،[٣] أما في غياب الهواء عن النحاس فإنّه لا يتأثّر بأيّ نوع من الأحماض غير المؤكسدة أو الأحماض غير المركبة المُخففة.[٦]

في حال وجود النحاس في الهواء فإنّه يتفاعل بسهولة في حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ممّا يتسبّب في ذوبانه، كما أنّه يذوب في كلّ من سيانيد البوتاسيوم ومحلول الأمونيا المائي في حال وجود الأكسجين، أمّا إذا تفاعل النحاس مع الأكسجين بوجود الحرارة فينتج أكسيد النحاس الثنائي CuO، وفي حال كانت درجة الحرارة عاليةً فينتج أكسيد النحاس الأحادي ذو الرمز الكيميائي Cu2O، وإذا تفاعل النحاس مع الكبريت بوجود حرارة -عن طريق التسخين- يكون الناتج كبريتيد النحاس ذي الرمز الكيميائي Cu2S.[٦]

الخصائص الفيزيائية للنحاس

أهم الخصائص الفيزيائية التي يتميّز بها النحاس هي كالآتي:[٥]

  • درجة انصهار النحاس: 1083.45 درجة مئوية.
  • درجة غليان النحاس: 2567 درجة مئوية.
  • لون النحاس: لون بني مُحمر.
  • المظهر الخارجي: ليّن، مرن -قابل للسحب والطرق-.
  • نصف القطر الذري: 128 بيكومتر.
  • الحجم الذري: 7.1 سم3/مول.
  • نصف القطر التساهمي: 117 بيكومتر.
  • نصف القطر الأيوني: 72 (2e) 96 (+1e+)
  • كثافة النحاس: 8.96 غرام/سم3.
  • الحرارة النوعية: 0.385 جول/(غرام . درجة مئوية).
  • حرارة الانصهار: 13.01كيلوجول/مول.
  • حرارة التبخر: 304.6 كيلوجول/مول.
  • درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
  • رقم باولنج السالب: أو السالبية الكهربائية: 1.90
  • طاقة التأين الاولى: 745.0 كيلوجول/مول.
  • حالات الأكسدة: 2,1.
  • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
  • الحالة في درجة حرارة الغرفة: الحالة الصلبة.[٣]

مصادر النحاس في الطبيعة

تتواجد خامات النحاس في الطبيعة في عِدّة أشكال، وهي كالآتي:[٧]

  • النحاس الخام: هو النحاس الموجود بشكل منفرد في الطبيعة كما هو دون اختلاطه بمعادن أُخرى.
  • النحاس البورفيري: يُعدّ هذا الشكل الأكثر انتشاراً في أنحاء العالم، حيث يتوزّع النحاس في الصخرة على شكل رواسب من الأكاسيد الناتجة عن تفاعل النحاس مع الأكسجين، والكبريتيدات الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكبريت، إذ تتواجد الأكاسيد في الجزء العلوي من الصخرة، وتتواجد الكبريتيدات في الأسفل.
  • رواسب النحاس الضخمة: يُشبه نوع النحاس البورفيري في تكوينه مع فارق أنّ تركيز النحاس في هذه الرواسب يكون أعلى، ومدى انتشاره يكون أقل؛ حيث تتركّز رواسب النحاس في منطقة صغيرة من الصخور.
  • النحاس المختلط مع معادن أُخرى: في هذا الشكل قد يتواجد النحاس بنسبة 0.4% إلى 12% مع كلّ من النيكل، أو الزنك، أو الرصاص، وعند استخراجها يتمّ فصل المعادن عن بعضها للاستفادة منها.
  • الصخور المُضيفة المحتوية على النحاس: (بالإنجليزية: host rock)، إذ يوجد المحتوى المعدني من النحاس في عدّة صخور مُضيفة؛ كصخور الشيست (بالإنجليزية: Schist) أو الرخام السماقي.

أماكن تواجد النحاس

يتوزّع النحاس في معظم أنحاء العالم ووتنوّع مصادره، إلا أن وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية قدرّت أنّ 50% من إجمالي النحاس مجهول المصدر يتواجد في كلّ من جنوب آسيا الوسطى، وأمريكا الجنوبية، وأمريكا الشمالية، وشبه الجزيرة الهندية الصينية، وهي موزعة بالتفصيل كالآتي:[٤]

  • أمريكا الجنوبية: يوجد فيها ما يُقارب 20% من كمية النحاس مجهول المصدر، فهي تُعتبر أكبر مورد للنحاس من رواسب البورفير، إذ تُعتبر دولتا بيرو وتشيلي من أكثر الدول التي تُنتج النحاس عالمياً.
  • أمريكا الوسطى: يمتد النحاس فيها على شكل حزام يبدأ من بنما وينتهي في جنوب غرب المكسيك، حيث يتواجد أكثر من مليوني طن من النحاس البورفيري في بنما تحديداً.
  • أمريكا الشمالية: تحتوي على أكثر من 25 طن من النحاس موزعة على ألاسكا، وغرب الولايات المتحدة، وشمال المكسيك، وغرب كندا، كما تُعدّ كلّ من أريزونا، ويوتا، ونيومكسيكو، وموناتا، ونيفادا من أكثر الولايات إنتاجاً للنحاس في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • شمال شرق آسيا: لديها نسبة كبيرة من النحاس مجهول المصدر.
  • شمال آسيا الوسطى: تتوزّع رواسب البورفير بصورة ضخمة في منغوليا وكازاخستان.
  • جنوب آسيا الوسطى وشبه الجزيرة الهندية الصينية: تمّ اكتشاف رواسب نحاسية ضخمة في هضبة التبت.
  • شرق أستراليا : تتوزّع فيها رواسب رخامية صغيرة ورواسب نحاسية عملاقة من البورفير.
  • أوروبا الشرقية وجنوب غرب آسيا: تتواجد رواسب نحاسية في أفغانستان، إضافةً إلى وجود رواسب البورفير التي تمتد على طول حزام من رومانيا عبر تركيا وإيران.
  • أوروبا الغربية: تمتلك أكبر رواسب نحاسية في العالم فيها وتحديداً في بولندا.
  • أفريقيا والشرق الأوسط: تتوزّع فيها رواسب نحاسية عملاقة على شكل حزام في وسط أفريقيا في جمهورية الكونغو الديمقراطية وزامبيا.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ أولى خطوات تعدين النحاس بتحديد مكان تواجده، فقد يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها، ففي حالة وجوده بالقرب من سطح الأرض فإنّ طريقة التعدين السطحي (بالإنجليزية: Open-Pit method) هي الأنسب لاستخراج النحاس بكميات كبيرة، بحيث تقوم آليات كبيرة بعمل حفرة وتفجير الخام، ثمّ نقل الخامات المكسورة الناتجة عن التفجير إلى مصانع خاصة عبر شاحنات كبيرة جداً يصل وزن الحمولة الواحدة فيها إلى 150 طن من الخامات.[٧]

أمّا في حال استخراج النحاس من أعماق سحيقة في الأرض، فيتمّ غرز قضبان عملاقة بشكل عمودي لأكثر من كيلومتر تحت سطح الأرض؛ وذلك لصنع أنفاق لتمرير المواد الخام من خلالها، إذ يتم حفر الأرض ورفع المواد الخام المُكسّرة عبر هذه الأنفاق إلى أعلى سطح الأرض، ثمّ نقلها إلى المصانع الخاصة لتتم معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتمّ تفجير باطن الأرض ثمّ نقل المواد الخام مُكسّرةً للأعلى.[٧]

عند الحصول على الخامات فإنه يتم استخراج النحاس منها بثلاث خطوات أساسية، وهي كالآتي:[٧]

  • معالجة المعادن: في هذه الخطوة يتمّ تحرير النحاس عن طريق إزالة المواد الأُخرى، مثل: الحجر الجيري، والسيليكا، والبيريت، وهنا ينبغي أن يحتوي الخام على 20%-30% من النحاس.
  • الصهر والترشيح: في هذه الخطوة يتمّ إزالة نسبة كبيرة من الشوائب المتعددة غير مرغوب فيها، كالحديد.
  • التكرير: في هذه الخطوة يتمّ إزالة ما تبقّى من شوائب وعناصر غير مرغوب فيها، وفي نهايتها يتمّ إنتاج النحاس بصورة نقيّة جداً تصل إلى 99.99%.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع للنحاس، وهي كالآتي:[٨]

  • النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء بحالة السخونة أو البرودة، وبالتالي يصلُح للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل: الأسلاك والكابلات، إضافةً إلى ذلك فهو يتميز بمرونة عالية ممّا يُسهل تشكيله على شكل أسلاك رفيعة مثلاً، ومن أشهر أنواعه نحاس (ETP) كما هو معروف في أميركا الشمالية أو النحاس الكهربائي (electro) كما هو معروف في غيرها من البلاد، إذ تصل موصليته من 100% إلى 101.5% وذلك حسب معيار صلابة النحاس الدولية.
  • النحاس المختزل: في هذا النوع يتمّ انتزاع الأكسجين من النحاس عن طريق إضافة نسبة من الفسفور المنصهر إليه، أو إضافة البورون في حالة السبائك، فتنتُج مادة صلبة قوية تُقاوم التآكل في حالة ملامسة الهيدروجين لها، بالتالي فهي مناسبة للكثير من الاستخدامات، مثل: إمدادات الغاز والمياه المنزلية، وأنظمة التدفئة المركزية، إضافةً إلى استخدامها في تشييد المباني وورق التسقيف، كما توسّعت استخداماته بالمباني في الوقت الحالي لتشمل الكسوة الخارجية، وألواح الجدران، وغيرها.
  • سبائك النحاس: سبائك النحاس هي سبائك غير حديدية -أي لا تحتوي على حديد-، فقد يتشكّل فيها النحاس مع مجموعة واسعة من المعادن الأُخرى، مثل: الزنك، والقصدير، والنيكل، والألومنيوم، ويتمّ الحصول على سبائك متعددة، منها ما يُبينه الجدول الآتي:
اسم السبيكة الإضافات إلى النحاس
البرونز قصدير
البرونز الفسفوري قصدير وفسفور
برونز الألومنيوم ألومنيوم
النحاس الأصفر زنك
النحاس الأحمر أو الجونميتال قصدير وزنك
النحاس النيكل نيكل
الفضة النيكل نيكل وزنك

وقد تشمل أنواع السبائك السابقة عناصر أُخرى بنسبٍ قليلة، مثل: الزرنيخ، والسيليكون، والألومنيوم، والفضة، والكادميوم، وغيرها من العناصر، بحيث تتمّ إضافتها لها بنسبٍ معيّنة حتّى تكتسب السبيكة خصائص محدّدة للاستفادة منها في العديد من الأغراض، وقد استُفيد من إضافة العناصر للسبائك منذ القِدم، ومع مرور الوقت تطوّر علم المعادن، وتم إدخال عناصر جديدة إلى السبائك، وإنتاج سبائك جديدة تصلُح في صناعة الإلكترونيات.

يوجد أنواع من السبائك شائعة الاستخدام أكثر من غيرها، ومن أشهرها ما يأتي:[٩]

  • سبيكة البرونز: تصل نسبة النحاس فيها من 88%-95%، ويُستفاد منها في صناعة العملات المعدنية، والأعمال الفنية، وفي صناعة الصَّنْج -آلة موسيقية-.
  • سبيكة البرونز والألومنيوم: تصل نسبة النحاس فيها من 74%-95%، وتمتاز بقدرتها على مقاومة التآكل؛ لذا يتمّ استخدامها في الأغراض البحرية.
  • سبيكة النحاس الأصفر: تصل نسبة النحاس فيها من 50%-90%، ويُستفاد منها في صناعة مقابض الأبواب والذخائر.
  • سبيكة النحاس والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها من 55%-90%، ويُستفاد منها في صناعة العُملات المعدنية، والآلات الموسيقية، والأغراض البحرية.
  • سبيكة الفضة والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها إلى 60%، إلّا أنّ هذا النوع لا يحتوي على الفضة كما يوحي اسمه، ولكنّه يحتوي على عنصر شبيه له في المظهر، وتُستخدم هذه السبيكة في صناعة المجوهرات والآلات الموسيقية.
  • سبيكة النحاس والبيريليوم: تصل نسبة النحاس فيها من 97%-99.5%، وتُعتبر سبائك قوية جداً وسامّة في نفس الوقت؛ لذلك يتمّ استغلالها في بيئات الغاز الخطرة.

استخدامات النحاس

بيّنت نتائج وكالة المسح الجيولوجي الأمريكي أنّ معدن النحاس هو ثالث معدن يتم استهلاكه والاستفادة منه في العالم بعد كلٍّ من الحديد والألومنيوم، وثلاثة أرباع النحاس المستهلَك يُستفاد منه في صناعة كلّ من كابيلات الاتصالات والإلكترونيات، وصناعة الأسلاك الكهربائية،[٣] ويُقدّر استهلاك الإنتاج العالمي للنحاس في كلّ قطاع كالآتي:[١٠]

  • 65% في الكهرباء.
  • 25% في البناء.
  • 7% في النقل.
  • 3% في مجالات أُخرى.

الكهرباء

يُستخدم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربائية بسبب موصليته العالية للكهرباء، كما أنّه يدخل في صناعة العديد من الأجهزة والأدوات الكهربائية والإلكترونية، مثل: المحولات، ومولدات الطاقة، والتلفاز، والهواتف المحمولة، وغيرها من الأجهزة، ومن أهم استخدامات النحاس في قطاع الكهرباء استخدامه في الاتصالات السلكية، حيث يتمّ صنع أسلاك دقيقة خاصة لخطوط الإنترنت المتعلقة بالشبكات المحلية، بالإضافة إلى الاستفادة من النحاس في مجال الطاقة المتجددة، تحديداً في تصنيع توربينات الرياح، والخلايا الكهروضوئية، وغيرها من الأجهزة المرتبطة بتكنولوجيا الطاقة المتجددة.[١٠]

أعمال البناء

دخل النحاس منذ القدم في مجال البناء من خلال استخدامه في بناء القباب وتزيين الأبراج، وقد استفاد المهندسون المعماريون منه في زخرفة أدوات البناء؛ حيث تمّ استخدامه في صناعة مقابض الأبواب، والأقفال، وأدوات الإضاءة، والحنفيات، كما أنّه يُستخدم في التصميم الداخلي للمستشفيات بسبب خاصيته في تثبيط نمو البكتيريا والجراثيم، ممّا يُقلّل من احتمالية انتشار الأمراض.[١٠]

أصبح النحاس يُستخدم في أنظمة الشرب والتدفئة في معظم البلدان، وصناعة أنابيب نقل المياه بسبب مقاومته للصدأ، ومن أهم تطبيقات النحاس في هذا مجال: أنظمة الري، وخطوط تغذية مياه البحر، وصناعة الأنابيب في المصانع الكيميائية، وغيرها من التطبيقات.[١٠]

المواصلات

يُستفاد من النحاس في المواصلات بسبب كفاءته في التوصيل الحراري والكهربائي، حيث يتمّ استخدامه في صنع المكونات الأساسية لجميع المواصلات التي تضم السيارات، والطائرات، والسفن، والقوارب، والقطارات، ففي السيارات يتمّ استخدام النحاس في صناعة الخطوط الهيدروليكية، والأسلاك النحاسية المتعلقة بضبط النوافذ والمرايا، وغيرها من الأدوات، كما أنّ السيارات الحديثة الهجينة تعتمد على معدن النحاس في صناعتها؛ فهي تحتوي على 25 كغ من النحاس.[١٠]

كما يتمّ استخدام النحاس في صناعة سكك القطارات، فكلّ 1 كم في المسار يحتوي على أكثر من 10 أمتار من النحاس، أمّا في الطائرات فيكون 2% من وزن الطائرة من النحاس، وفي السفن والقوارب يتمّ استخدام سبائك النحاس المختلفة في صناعة المضخات، والصمامات، والأنابيب، إضافةً إلى استخدام النحاس في صب مراوح السفن الثقيلة؛ بسبب قدرته على مقاومة التآكل في المياه المالحة.[١٠]

استخدامات أُخرى للنحاس

من الاستخدامات الأُخرى الشائعة للنحاس ما يأتي:[١٠]

  • أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية: يدخل النحاس في صناعة الأواني، والمقالي، وغيرها من أدوات الطهي، وكذلك في التطبيقات الحرارية، مثل: وحدات التبريد والتكييف، والمصارف الحرارية.
  • ساعات اليد والحائط: يُستخدم النحاس غير المغناطيسي في صناعة الدبابيس والتروس النحاسية في الساعات، إذ إنّه لا يؤثّر على عمل الأجزاء الميكانيكية الصغيرة في الساعات.
  • الأعمال الفنية: يُستخدم النحاس في صناعة الأعمال الفنية المختلفة، ويُذكر من هذه الأعمال صناعة التماثيل.
  • العملات المعدنية: كان النحاس ولا زال يُستخدم في سك العملات المعدنية.
  • الآلات الموسيقية: يدخل النحاس الأصفر في صناعة الأبواق، والساكسفونات، وغيرها من الآلات.

إعادة تدوير النحاس

يُعتبر النحاس معدناً ذا قيمة عالية يُمكن إعادة تدويره، إذ يعتمد اقتصاد صناعة النحاس والسبائك بشكل كبير على إعادة تدوير المنتجات النحاسية، وتمرّ إعادة تدويره بالمراحل الآتية:[٨]

  • الفرز: عند الحصول على النحاس يتم فرزه؛ فقد يكون النحاس خاماً، وقد يكون مطلياً أو ملحوماً، أو قد يتواجد مع معادن أُخرى تُعتبر ملوثات ينبغي التخلّص منها، وفي حال كانت نسبة الملوثات كبيرة فيتم إعادة تدوير النحاس إلى سبائك يُستفاد منها، أما إذا قلّت نسب الملوثات فيُعاد تدويره الى نحاس عالي الموصلية.
  • الصهر: بعد فرز النحاس يتمّ وضعه في أفران خاصة ذات حرارة عالية لصهره.
  • الصّب وإعادة التشكيل: يتمّ تشكيل النحاس المنصهر والاستفادة منه؛ إمّا كسبائك أو كنحاس عالي الموصلية، وفي هذه المرحلة يُمكن صبّ النحاس على شكل أنود -قطب سالب أو مهبط- والاستفادة منه كهربائياً، مع التخلّص من نسبة كبيرة من الشوائب حتّى يكون ذا كفاءة عالية.

مركبات النحاس

من المركبات التي تشتمل على معدن النحاس ما يأتي:[٧]

  • الأكاسيد: (بالإنجليزية: Oxides)، تشمل على أكسيد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي Cu2O، وهو عبارة عن مادة بلورية لونها أحمر تُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأحمر وفي الدهانات المانعة للتعفّن، كما تشمل الأكاسيد على أكسيد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuO، وهو عبارة عن مسحوق لونه أسود يُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأخضر.
  • الهاليدات: (بالإنجليزية: Halides)، تشمل على كلوريد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي CuCl، والذي يُستخدم في تحليل الغاز، كما تشمل على كلوريد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuCl2، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأصباغ.
  • الكبريتات: (بالإنجليزية: Sulfates)، تضم كبريتات النحاس الثنائي CuSO4 ذات اللون الأزرق الساطع، والمستخدمة في صناعة الأصباغ.
  • الكربونات: (بالإنجليزية: Carbonates)، تشمل على كربونات النحاس، و قد يكون لونها أخضر أو أزرق ساطعاً، وتُستخدم في تحضير الأصباغ.
  • مركبات أُخرى: مثل نترات النحاس الثنائي ذات الرمز الكيميائي Cu (NO3) 2، وسيليكات النحاس، والمركبات التي تضم بعض أملاح النحاس مع الزرنيخ ذات اللون أخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المبيدات الحشرية لأنّها مركبات سامة.

معلومات عامة عن النحاس

من المعلومات الأُخرى المتعلقة بعنصر النحاس ما يأتي:[٩]

  • يتكوّن تمثال الحرية في معظمه من النحاس، حيث يحتوي على 28122.73 كيلو جرام من النحاس، وبسبب تعرضه للأكسجين في الهواء الجوي وتفاعله معه لأكثر من 20 عاماً فقد تحوّل لونه إلى الأخضر الباهت بسبب الباتينا أو صدأ النحاس.
  • تمّ استخراج النحاس النقي تماماً في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صُنع الأدوات المختلفة والأسلحة.
  • اشتُقت كلمة نحاس (Copper) من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) والتي تعني معدناً من قبرص، وذلك لأنّ معظم كميات النحاس كانت تُستخرج من قبرص في ذلك الوقت، وذلك وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.[٣]
  • تحتوي الصخور البركانية النارية على حوالي ثلثي النحاس في الكرة الأرضية، أمّا الصخور الرسوبية فتحتوي على حوالي الربع، وذلك وفقاً لوكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.[٣]
  • تحتوي جبال الأنديز على نسبة كبيرة جداً من النحاس، حيث تمّ استخراج النحاس منها بنسبة 45% من النحاس الموجود في العالم عام 2007م.[٤]
  • يتوافر النحاس في جميع بلدان العالم.[٤]

مزايا النُّحاس وعيوبه

إنّ الموصلية الكهربائية العالية لهذا المعدن الذي يأتي في المرتبة الثانية -بعد الفضة- في قائمة المعادن الأكثر موصلية، ووفرته في الطبيعة وانخفاض كلفته، بالإضافة إلى كونه معدناً يحمل خصائص مضادة للميكروبات، وهو الأمر الذي يقلل من العبء الجرثومي للأسطح والأجسام، كل ذلك يُعدُّ من المزايا التي رشحته لأن يكون معدناً مستخدماً في الكثير من ميادين الحياة اليومية، إلّا أنّ مما يُعاب على معدن النّحاس هو أكسدته التي تتسبب في تحويل لونه إلى الأخضر عند تعرضه للماء أو الهواء مما يؤثر على جودة مظهره.[٣]

المراجع

  1. ^ أ ب ت Robert J. Lancashire (27-10-2015), “Copper Chemistry”، wwwchem.uwimona.edu.jm, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  2. ^ أ ب TERENCE BELL (26-3-2018), “Learn About Copper”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج ح خ د Stephanie Pappas (12-9-2018), “Facts About Copper”، www.livescience.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث “Facts About Copper”, geology.com/usgs, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  5. ^ أ ب Anne Marie Helmenstine (3-7-2019), “Copper Facts: Chemical and Physical Properties”، www.thoughtco.com, Retrieved 12-9-2019. Edited.
  6. ^ أ ب “Copper”, www.britannica.com,6-9-2019، Retrieved 12-10-2019. Edited.
  7. ^ أ ب ت ث ج Albert Wilbur Schlechten, Allison Butts, John Campbell Taylor, “Copper processing”، www.britannica.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  8. ^ أ ب Vin Calcutt (8-2001), “Types of Copper”، www.copper.org, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  9. ^ أ ب RYAN WOJES (17-1-2019), “A Basic Primer on Copper, the Red Metal”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  10. ^ أ ب ت ث ج ح خ TERENCE BELL (25-6-2019), “Copper and Its Common Uses”، www.thebalance.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.

18 أبريل، 2021
0 569 12 دقائق

مقالات ذات صلة

صورة جديد مكونات الغلاف الجوي

جديد مكونات الغلاف الجوي

16 مارس، 2021
صورة جديد كيفية تشخيص صعوبات التعلم

جديد كيفية تشخيص صعوبات التعلم

1 أبريل، 2021
صورة جديد قانون التوزيع الحر لمندل

جديد قانون التوزيع الحر لمندل

3 مارس، 2021
صورة جديد أهمية الطاقة البديلة

جديد أهمية الطاقة البديلة

11 مارس، 2021

اترك تعليقاً

شاهد أيضاً
إغلاق

مقالات ذات صلة

النحاس

يُعتبر النحاس (بالإنجليزية: Copper) أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الطبيعة، حيث يأتي في المرتبة الخامسة والعشرين من بين أكثر العناصر توافراً.[١] يتواجد النحاس في الطبيعة باللون الأحمر الذهبي أو قد يكون قزحي الألوان؛ أيّ أنّه يعكس ألواناً كألوان الطيف عند سقوط الضوء عليه،[٢] لذلك فهو يتميّز عن غيره من المعادن -إلى جانب معدن الذهب- بأنّه لا يتواجد باللون الفضيّ أو الرماديّ عند وجوده في الطبيعة كباقي المعادن.[٣]

يتميز عنصر النحاس بالعديد من الخصائص؛ أهمّها قدرته العالية على توصيل الحرارة والتوصيل الكهربائي، إضافةً إلى أنّه معدن لدن وقابل للطرق يسهل تشكيله دون أن ينكسر، ممّا جعله أحد المعادن الأساسية التي استفاد منها الإنسان منذ آلاف السنين،[٢] فهو يعد من أوائل المعادن التي تمّ اكتشافها واستخراجها، ولا يزال له دور كبير في تطوّر المجتمعات.[٤]

تاريخ النحاس

يُعتبر النحاس من أكثر المعادن استخراجاً واستخداماً منذ اكتشافه، فقد كان المعدن الوحيد المعروف عند الإنسان لمدّة 5000 عام، وتعود بداية اكتشافه واستخدامه إلى عام 8700 ق.م أيّ قبل حوالي 10000 عام، حيث تمّ استخدام النحاس لصنع الأسلحة في تلك الفترة. تُعتبر مصر من أوائل الدول التي اكتشفت مقاومة النحاس للتآكل، فاستفاد المصريون من هذه الخاصية في صناعة أشرطة ومسامير نحاسية يُستفاد منها في بناء السفن وصنع أنابيب لنقل المياه، وقُدِّر إجمالي إنتاج مصر للنحاس بـ 10,000 طن على مدار 1500 عام، وما زالت الكثير من الصناعات المصرية النحاسية القديمة موجودة حتّى الوقت الحالي وبحالة جيدة.[١]

شهد العصر البرونزي استخداماً كبيراً للنحاس، حيث تمّ اكتشاف سبائك مكونة من النحاس والقصدير أُطلق عليها اسم البرونز، واكتشاف سبائك مكونة من النحاس والزنك أُطلق عليها اسم النحاس الأصفر، واستُخدمت تلك السبائك في صناعة عدّة أشياء، مثل: الأواني المنزلية، والأثاث، والأسلحة، إضافةً إلى استخدام النحاس في سكّ العملات، فقد اكتُشفت أقدم عملة نحاسية رومانية تعود إلى الفترة ما بين عام 27 ق.م حتّى 14م، ومن الجدير بالذكر أنه تمّ اكتشاف مُركّبات نحاسية أُخرى قبل عام 4000 ق.م مثل مُركب كبريتات النحاس الذي استخدمه المصريون القدماء في الصباغة، ولاحقاً أصبح للنحاس دور مهم في نقل الكهرباء استمرّ حتّى الوقت الحالي.[١]

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية للنحاس

من أهم الخصائص الكيميائية التي يتميّز بها العنصر الذي يحمل الرمز الكيميائي Cu أنّ العدد الذري للنحاس هو 29، ووزنه الذري 63.55،[٣] بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الأُخرى الآتية:[٥]

  • يقع النحاس في المجموعة الحادي عشر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
  • يقع النحاس في الدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر.
  • التوزيع الإلكتروني:Ar] 4s1 3d10]
  • يتم تصنيف عنصر النحاس على أنه معدن انتقالي.
  • يوجد لعنصر النحاس 28 نظيراً.

بناءً على خصائص النحاس الكيميائية فإنّ النحاس يفقد إلكترونات عند تفاعله مع الهواء أو الماء ويُسمّى هذا التفاعل بتفاعل الأكسدة، وينتج عنه أكسيد النحاس، فيتغيّر لون النحاس الأصلي ليُصبح أخضر باهتاً،[٣] أما في غياب الهواء عن النحاس فإنّه لا يتأثّر بأيّ نوع من الأحماض غير المؤكسدة أو الأحماض غير المركبة المُخففة.[٦]

في حال وجود النحاس في الهواء فإنّه يتفاعل بسهولة في حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ممّا يتسبّب في ذوبانه، كما أنّه يذوب في كلّ من سيانيد البوتاسيوم ومحلول الأمونيا المائي في حال وجود الأكسجين، أمّا إذا تفاعل النحاس مع الأكسجين بوجود الحرارة فينتج أكسيد النحاس الثنائي CuO، وفي حال كانت درجة الحرارة عاليةً فينتج أكسيد النحاس الأحادي ذو الرمز الكيميائي Cu2O، وإذا تفاعل النحاس مع الكبريت بوجود حرارة -عن طريق التسخين- يكون الناتج كبريتيد النحاس ذي الرمز الكيميائي Cu2S.[٦]

الخصائص الفيزيائية للنحاس

أهم الخصائص الفيزيائية التي يتميّز بها النحاس هي كالآتي:[٥]

  • درجة انصهار النحاس: 1083.45 درجة مئوية.
  • درجة غليان النحاس: 2567 درجة مئوية.
  • لون النحاس: لون بني مُحمر.
  • المظهر الخارجي: ليّن، مرن -قابل للسحب والطرق-.
  • نصف القطر الذري: 128 بيكومتر.
  • الحجم الذري: 7.1 سم3/مول.
  • نصف القطر التساهمي: 117 بيكومتر.
  • نصف القطر الأيوني: 72 (2e) 96 (+1e+)
  • كثافة النحاس: 8.96 غرام/سم3.
  • الحرارة النوعية: 0.385 جول/(غرام . درجة مئوية).
  • حرارة الانصهار: 13.01كيلوجول/مول.
  • حرارة التبخر: 304.6 كيلوجول/مول.
  • درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
  • رقم باولنج السالب: أو السالبية الكهربائية: 1.90
  • طاقة التأين الاولى: 745.0 كيلوجول/مول.
  • حالات الأكسدة: 2,1.
  • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
  • الحالة في درجة حرارة الغرفة: الحالة الصلبة.[٣]

مصادر النحاس في الطبيعة

تتواجد خامات النحاس في الطبيعة في عِدّة أشكال، وهي كالآتي:[٧]

  • النحاس الخام: هو النحاس الموجود بشكل منفرد في الطبيعة كما هو دون اختلاطه بمعادن أُخرى.
  • النحاس البورفيري: يُعدّ هذا الشكل الأكثر انتشاراً في أنحاء العالم، حيث يتوزّع النحاس في الصخرة على شكل رواسب من الأكاسيد الناتجة عن تفاعل النحاس مع الأكسجين، والكبريتيدات الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكبريت، إذ تتواجد الأكاسيد في الجزء العلوي من الصخرة، وتتواجد الكبريتيدات في الأسفل.
  • رواسب النحاس الضخمة: يُشبه نوع النحاس البورفيري في تكوينه مع فارق أنّ تركيز النحاس في هذه الرواسب يكون أعلى، ومدى انتشاره يكون أقل؛ حيث تتركّز رواسب النحاس في منطقة صغيرة من الصخور.
  • النحاس المختلط مع معادن أُخرى: في هذا الشكل قد يتواجد النحاس بنسبة 0.4% إلى 12% مع كلّ من النيكل، أو الزنك، أو الرصاص، وعند استخراجها يتمّ فصل المعادن عن بعضها للاستفادة منها.
  • الصخور المُضيفة المحتوية على النحاس: (بالإنجليزية: host rock)، إذ يوجد المحتوى المعدني من النحاس في عدّة صخور مُضيفة؛ كصخور الشيست (بالإنجليزية: Schist) أو الرخام السماقي.

أماكن تواجد النحاس

يتوزّع النحاس في معظم أنحاء العالم ووتنوّع مصادره، إلا أن وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية قدرّت أنّ 50% من إجمالي النحاس مجهول المصدر يتواجد في كلّ من جنوب آسيا الوسطى، وأمريكا الجنوبية، وأمريكا الشمالية، وشبه الجزيرة الهندية الصينية، وهي موزعة بالتفصيل كالآتي:[٤]

  • أمريكا الجنوبية: يوجد فيها ما يُقارب 20% من كمية النحاس مجهول المصدر، فهي تُعتبر أكبر مورد للنحاس من رواسب البورفير، إذ تُعتبر دولتا بيرو وتشيلي من أكثر الدول التي تُنتج النحاس عالمياً.
  • أمريكا الوسطى: يمتد النحاس فيها على شكل حزام يبدأ من بنما وينتهي في جنوب غرب المكسيك، حيث يتواجد أكثر من مليوني طن من النحاس البورفيري في بنما تحديداً.
  • أمريكا الشمالية: تحتوي على أكثر من 25 طن من النحاس موزعة على ألاسكا، وغرب الولايات المتحدة، وشمال المكسيك، وغرب كندا، كما تُعدّ كلّ من أريزونا، ويوتا، ونيومكسيكو، وموناتا، ونيفادا من أكثر الولايات إنتاجاً للنحاس في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • شمال شرق آسيا: لديها نسبة كبيرة من النحاس مجهول المصدر.
  • شمال آسيا الوسطى: تتوزّع رواسب البورفير بصورة ضخمة في منغوليا وكازاخستان.
  • جنوب آسيا الوسطى وشبه الجزيرة الهندية الصينية: تمّ اكتشاف رواسب نحاسية ضخمة في هضبة التبت.
  • شرق أستراليا : تتوزّع فيها رواسب رخامية صغيرة ورواسب نحاسية عملاقة من البورفير.
  • أوروبا الشرقية وجنوب غرب آسيا: تتواجد رواسب نحاسية في أفغانستان، إضافةً إلى وجود رواسب البورفير التي تمتد على طول حزام من رومانيا عبر تركيا وإيران.
  • أوروبا الغربية: تمتلك أكبر رواسب نحاسية في العالم فيها وتحديداً في بولندا.
  • أفريقيا والشرق الأوسط: تتوزّع فيها رواسب نحاسية عملاقة على شكل حزام في وسط أفريقيا في جمهورية الكونغو الديمقراطية وزامبيا.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ أولى خطوات تعدين النحاس بتحديد مكان تواجده، فقد يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها، ففي حالة وجوده بالقرب من سطح الأرض فإنّ طريقة التعدين السطحي (بالإنجليزية: Open-Pit method) هي الأنسب لاستخراج النحاس بكميات كبيرة، بحيث تقوم آليات كبيرة بعمل حفرة وتفجير الخام، ثمّ نقل الخامات المكسورة الناتجة عن التفجير إلى مصانع خاصة عبر شاحنات كبيرة جداً يصل وزن الحمولة الواحدة فيها إلى 150 طن من الخامات.[٧]

أمّا في حال استخراج النحاس من أعماق سحيقة في الأرض، فيتمّ غرز قضبان عملاقة بشكل عمودي لأكثر من كيلومتر تحت سطح الأرض؛ وذلك لصنع أنفاق لتمرير المواد الخام من خلالها، إذ يتم حفر الأرض ورفع المواد الخام المُكسّرة عبر هذه الأنفاق إلى أعلى سطح الأرض، ثمّ نقلها إلى المصانع الخاصة لتتم معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتمّ تفجير باطن الأرض ثمّ نقل المواد الخام مُكسّرةً للأعلى.[٧]

عند الحصول على الخامات فإنه يتم استخراج النحاس منها بثلاث خطوات أساسية، وهي كالآتي:[٧]

  • معالجة المعادن: في هذه الخطوة يتمّ تحرير النحاس عن طريق إزالة المواد الأُخرى، مثل: الحجر الجيري، والسيليكا، والبيريت، وهنا ينبغي أن يحتوي الخام على 20%-30% من النحاس.
  • الصهر والترشيح: في هذه الخطوة يتمّ إزالة نسبة كبيرة من الشوائب المتعددة غير مرغوب فيها، كالحديد.
  • التكرير: في هذه الخطوة يتمّ إزالة ما تبقّى من شوائب وعناصر غير مرغوب فيها، وفي نهايتها يتمّ إنتاج النحاس بصورة نقيّة جداً تصل إلى 99.99%.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع للنحاس، وهي كالآتي:[٨]

  • النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء بحالة السخونة أو البرودة، وبالتالي يصلُح للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل: الأسلاك والكابلات، إضافةً إلى ذلك فهو يتميز بمرونة عالية ممّا يُسهل تشكيله على شكل أسلاك رفيعة مثلاً، ومن أشهر أنواعه نحاس (ETP) كما هو معروف في أميركا الشمالية أو النحاس الكهربائي (electro) كما هو معروف في غيرها من البلاد، إذ تصل موصليته من 100% إلى 101.5% وذلك حسب معيار صلابة النحاس الدولية.
  • النحاس المختزل: في هذا النوع يتمّ انتزاع الأكسجين من النحاس عن طريق إضافة نسبة من الفسفور المنصهر إليه، أو إضافة البورون في حالة السبائك، فتنتُج مادة صلبة قوية تُقاوم التآكل في حالة ملامسة الهيدروجين لها، بالتالي فهي مناسبة للكثير من الاستخدامات، مثل: إمدادات الغاز والمياه المنزلية، وأنظمة التدفئة المركزية، إضافةً إلى استخدامها في تشييد المباني وورق التسقيف، كما توسّعت استخداماته بالمباني في الوقت الحالي لتشمل الكسوة الخارجية، وألواح الجدران، وغيرها.
  • سبائك النحاس: سبائك النحاس هي سبائك غير حديدية -أي لا تحتوي على حديد-، فقد يتشكّل فيها النحاس مع مجموعة واسعة من المعادن الأُخرى، مثل: الزنك، والقصدير، والنيكل، والألومنيوم، ويتمّ الحصول على سبائك متعددة، منها ما يُبينه الجدول الآتي:
اسم السبيكة الإضافات إلى النحاس
البرونز قصدير
البرونز الفسفوري قصدير وفسفور
برونز الألومنيوم ألومنيوم
النحاس الأصفر زنك
النحاس الأحمر أو الجونميتال قصدير وزنك
النحاس النيكل نيكل
الفضة النيكل نيكل وزنك

وقد تشمل أنواع السبائك السابقة عناصر أُخرى بنسبٍ قليلة، مثل: الزرنيخ، والسيليكون، والألومنيوم، والفضة، والكادميوم، وغيرها من العناصر، بحيث تتمّ إضافتها لها بنسبٍ معيّنة حتّى تكتسب السبيكة خصائص محدّدة للاستفادة منها في العديد من الأغراض، وقد استُفيد من إضافة العناصر للسبائك منذ القِدم، ومع مرور الوقت تطوّر علم المعادن، وتم إدخال عناصر جديدة إلى السبائك، وإنتاج سبائك جديدة تصلُح في صناعة الإلكترونيات.

يوجد أنواع من السبائك شائعة الاستخدام أكثر من غيرها، ومن أشهرها ما يأتي:[٩]

  • سبيكة البرونز: تصل نسبة النحاس فيها من 88%-95%، ويُستفاد منها في صناعة العملات المعدنية، والأعمال الفنية، وفي صناعة الصَّنْج -آلة موسيقية-.
  • سبيكة البرونز والألومنيوم: تصل نسبة النحاس فيها من 74%-95%، وتمتاز بقدرتها على مقاومة التآكل؛ لذا يتمّ استخدامها في الأغراض البحرية.
  • سبيكة النحاس الأصفر: تصل نسبة النحاس فيها من 50%-90%، ويُستفاد منها في صناعة مقابض الأبواب والذخائر.
  • سبيكة النحاس والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها من 55%-90%، ويُستفاد منها في صناعة العُملات المعدنية، والآلات الموسيقية، والأغراض البحرية.
  • سبيكة الفضة والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها إلى 60%، إلّا أنّ هذا النوع لا يحتوي على الفضة كما يوحي اسمه، ولكنّه يحتوي على عنصر شبيه له في المظهر، وتُستخدم هذه السبيكة في صناعة المجوهرات والآلات الموسيقية.
  • سبيكة النحاس والبيريليوم: تصل نسبة النحاس فيها من 97%-99.5%، وتُعتبر سبائك قوية جداً وسامّة في نفس الوقت؛ لذلك يتمّ استغلالها في بيئات الغاز الخطرة.

استخدامات النحاس

بيّنت نتائج وكالة المسح الجيولوجي الأمريكي أنّ معدن النحاس هو ثالث معدن يتم استهلاكه والاستفادة منه في العالم بعد كلٍّ من الحديد والألومنيوم، وثلاثة أرباع النحاس المستهلَك يُستفاد منه في صناعة كلّ من كابيلات الاتصالات والإلكترونيات، وصناعة الأسلاك الكهربائية،[٣] ويُقدّر استهلاك الإنتاج العالمي للنحاس في كلّ قطاع كالآتي:[١٠]

  • 65% في الكهرباء.
  • 25% في البناء.
  • 7% في النقل.
  • 3% في مجالات أُخرى.

الكهرباء

يُستخدم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربائية بسبب موصليته العالية للكهرباء، كما أنّه يدخل في صناعة العديد من الأجهزة والأدوات الكهربائية والإلكترونية، مثل: المحولات، ومولدات الطاقة، والتلفاز، والهواتف المحمولة، وغيرها من الأجهزة، ومن أهم استخدامات النحاس في قطاع الكهرباء استخدامه في الاتصالات السلكية، حيث يتمّ صنع أسلاك دقيقة خاصة لخطوط الإنترنت المتعلقة بالشبكات المحلية، بالإضافة إلى الاستفادة من النحاس في مجال الطاقة المتجددة، تحديداً في تصنيع توربينات الرياح، والخلايا الكهروضوئية، وغيرها من الأجهزة المرتبطة بتكنولوجيا الطاقة المتجددة.[١٠]

أعمال البناء

دخل النحاس منذ القدم في مجال البناء من خلال استخدامه في بناء القباب وتزيين الأبراج، وقد استفاد المهندسون المعماريون منه في زخرفة أدوات البناء؛ حيث تمّ استخدامه في صناعة مقابض الأبواب، والأقفال، وأدوات الإضاءة، والحنفيات، كما أنّه يُستخدم في التصميم الداخلي للمستشفيات بسبب خاصيته في تثبيط نمو البكتيريا والجراثيم، ممّا يُقلّل من احتمالية انتشار الأمراض.[١٠]

أصبح النحاس يُستخدم في أنظمة الشرب والتدفئة في معظم البلدان، وصناعة أنابيب نقل المياه بسبب مقاومته للصدأ، ومن أهم تطبيقات النحاس في هذا مجال: أنظمة الري، وخطوط تغذية مياه البحر، وصناعة الأنابيب في المصانع الكيميائية، وغيرها من التطبيقات.[١٠]

المواصلات

يُستفاد من النحاس في المواصلات بسبب كفاءته في التوصيل الحراري والكهربائي، حيث يتمّ استخدامه في صنع المكونات الأساسية لجميع المواصلات التي تضم السيارات، والطائرات، والسفن، والقوارب، والقطارات، ففي السيارات يتمّ استخدام النحاس في صناعة الخطوط الهيدروليكية، والأسلاك النحاسية المتعلقة بضبط النوافذ والمرايا، وغيرها من الأدوات، كما أنّ السيارات الحديثة الهجينة تعتمد على معدن النحاس في صناعتها؛ فهي تحتوي على 25 كغ من النحاس.[١٠]

كما يتمّ استخدام النحاس في صناعة سكك القطارات، فكلّ 1 كم في المسار يحتوي على أكثر من 10 أمتار من النحاس، أمّا في الطائرات فيكون 2% من وزن الطائرة من النحاس، وفي السفن والقوارب يتمّ استخدام سبائك النحاس المختلفة في صناعة المضخات، والصمامات، والأنابيب، إضافةً إلى استخدام النحاس في صب مراوح السفن الثقيلة؛ بسبب قدرته على مقاومة التآكل في المياه المالحة.[١٠]

استخدامات أُخرى للنحاس

من الاستخدامات الأُخرى الشائعة للنحاس ما يأتي:[١٠]

  • أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية: يدخل النحاس في صناعة الأواني، والمقالي، وغيرها من أدوات الطهي، وكذلك في التطبيقات الحرارية، مثل: وحدات التبريد والتكييف، والمصارف الحرارية.
  • ساعات اليد والحائط: يُستخدم النحاس غير المغناطيسي في صناعة الدبابيس والتروس النحاسية في الساعات، إذ إنّه لا يؤثّر على عمل الأجزاء الميكانيكية الصغيرة في الساعات.
  • الأعمال الفنية: يُستخدم النحاس في صناعة الأعمال الفنية المختلفة، ويُذكر من هذه الأعمال صناعة التماثيل.
  • العملات المعدنية: كان النحاس ولا زال يُستخدم في سك العملات المعدنية.
  • الآلات الموسيقية: يدخل النحاس الأصفر في صناعة الأبواق، والساكسفونات، وغيرها من الآلات.

إعادة تدوير النحاس

يُعتبر النحاس معدناً ذا قيمة عالية يُمكن إعادة تدويره، إذ يعتمد اقتصاد صناعة النحاس والسبائك بشكل كبير على إعادة تدوير المنتجات النحاسية، وتمرّ إعادة تدويره بالمراحل الآتية:[٨]

  • الفرز: عند الحصول على النحاس يتم فرزه؛ فقد يكون النحاس خاماً، وقد يكون مطلياً أو ملحوماً، أو قد يتواجد مع معادن أُخرى تُعتبر ملوثات ينبغي التخلّص منها، وفي حال كانت نسبة الملوثات كبيرة فيتم إعادة تدوير النحاس إلى سبائك يُستفاد منها، أما إذا قلّت نسب الملوثات فيُعاد تدويره الى نحاس عالي الموصلية.
  • الصهر: بعد فرز النحاس يتمّ وضعه في أفران خاصة ذات حرارة عالية لصهره.
  • الصّب وإعادة التشكيل: يتمّ تشكيل النحاس المنصهر والاستفادة منه؛ إمّا كسبائك أو كنحاس عالي الموصلية، وفي هذه المرحلة يُمكن صبّ النحاس على شكل أنود -قطب سالب أو مهبط- والاستفادة منه كهربائياً، مع التخلّص من نسبة كبيرة من الشوائب حتّى يكون ذا كفاءة عالية.

مركبات النحاس

من المركبات التي تشتمل على معدن النحاس ما يأتي:[٧]

  • الأكاسيد: (بالإنجليزية: Oxides)، تشمل على أكسيد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي Cu2O، وهو عبارة عن مادة بلورية لونها أحمر تُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأحمر وفي الدهانات المانعة للتعفّن، كما تشمل الأكاسيد على أكسيد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuO، وهو عبارة عن مسحوق لونه أسود يُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأخضر.
  • الهاليدات: (بالإنجليزية: Halides)، تشمل على كلوريد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي CuCl، والذي يُستخدم في تحليل الغاز، كما تشمل على كلوريد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuCl2، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأصباغ.
  • الكبريتات: (بالإنجليزية: Sulfates)، تضم كبريتات النحاس الثنائي CuSO4 ذات اللون الأزرق الساطع، والمستخدمة في صناعة الأصباغ.
  • الكربونات: (بالإنجليزية: Carbonates)، تشمل على كربونات النحاس، و قد يكون لونها أخضر أو أزرق ساطعاً، وتُستخدم في تحضير الأصباغ.
  • مركبات أُخرى: مثل نترات النحاس الثنائي ذات الرمز الكيميائي Cu (NO3) 2، وسيليكات النحاس، والمركبات التي تضم بعض أملاح النحاس مع الزرنيخ ذات اللون أخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المبيدات الحشرية لأنّها مركبات سامة.

معلومات عامة عن النحاس

من المعلومات الأُخرى المتعلقة بعنصر النحاس ما يأتي:[٩]

  • يتكوّن تمثال الحرية في معظمه من النحاس، حيث يحتوي على 28122.73 كيلو جرام من النحاس، وبسبب تعرضه للأكسجين في الهواء الجوي وتفاعله معه لأكثر من 20 عاماً فقد تحوّل لونه إلى الأخضر الباهت بسبب الباتينا أو صدأ النحاس.
  • تمّ استخراج النحاس النقي تماماً في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صُنع الأدوات المختلفة والأسلحة.
  • اشتُقت كلمة نحاس (Copper) من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) والتي تعني معدناً من قبرص، وذلك لأنّ معظم كميات النحاس كانت تُستخرج من قبرص في ذلك الوقت، وذلك وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.[٣]
  • تحتوي الصخور البركانية النارية على حوالي ثلثي النحاس في الكرة الأرضية، أمّا الصخور الرسوبية فتحتوي على حوالي الربع، وذلك وفقاً لوكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.[٣]
  • تحتوي جبال الأنديز على نسبة كبيرة جداً من النحاس، حيث تمّ استخراج النحاس منها بنسبة 45% من النحاس الموجود في العالم عام 2007م.[٤]
  • يتوافر النحاس في جميع بلدان العالم.[٤]

مزايا النُّحاس وعيوبه

إنّ الموصلية الكهربائية العالية لهذا المعدن الذي يأتي في المرتبة الثانية -بعد الفضة- في قائمة المعادن الأكثر موصلية، ووفرته في الطبيعة وانخفاض كلفته، بالإضافة إلى كونه معدناً يحمل خصائص مضادة للميكروبات، وهو الأمر الذي يقلل من العبء الجرثومي للأسطح والأجسام، كل ذلك يُعدُّ من المزايا التي رشحته لأن يكون معدناً مستخدماً في الكثير من ميادين الحياة اليومية، إلّا أنّ مما يُعاب على معدن النّحاس هو أكسدته التي تتسبب في تحويل لونه إلى الأخضر عند تعرضه للماء أو الهواء مما يؤثر على جودة مظهره.[٣]

المراجع

  1. ^ أ ب ت Robert J. Lancashire (27-10-2015), “Copper Chemistry”، wwwchem.uwimona.edu.jm, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  2. ^ أ ب TERENCE BELL (26-3-2018), “Learn About Copper”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج ح خ د Stephanie Pappas (12-9-2018), “Facts About Copper”، www.livescience.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث “Facts About Copper”, geology.com/usgs, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  5. ^ أ ب Anne Marie Helmenstine (3-7-2019), “Copper Facts: Chemical and Physical Properties”، www.thoughtco.com, Retrieved 12-9-2019. Edited.
  6. ^ أ ب “Copper”, www.britannica.com,6-9-2019، Retrieved 12-10-2019. Edited.
  7. ^ أ ب ت ث ج Albert Wilbur Schlechten, Allison Butts, John Campbell Taylor, “Copper processing”، www.britannica.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  8. ^ أ ب Vin Calcutt (8-2001), “Types of Copper”، www.copper.org, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  9. ^ أ ب RYAN WOJES (17-1-2019), “A Basic Primer on Copper, the Red Metal”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  10. ^ أ ب ت ث ج ح خ TERENCE BELL (25-6-2019), “Copper and Its Common Uses”، www.thebalance.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.

1 أبريل، 2021
0 0 12 دقائق

مقالات ذات صلة

صورة بحث عن حول المغناطيس وأشكاله واستخداماته

بحث عن حول المغناطيس وأشكاله واستخداماته

25 أبريل، 2021
صورة جديد ما هي ظاهرة الألبيدو

جديد ما هي ظاهرة الألبيدو

8 مارس، 2021
صورة جديد معلومات عن خصائص الكائنات الحية

جديد معلومات عن خصائص الكائنات الحية

20 فبراير، 2021
صورة جديد أين يوجد غاز الأوزون في الغلاف الجوي

جديد أين يوجد غاز الأوزون في الغلاف الجوي

5 أبريل، 2021

اترك تعليقاً

شاهد أيضاً
إغلاق

مقالات ذات صلة

النحاس

يُعتبر النحاس (بالإنجليزية: Copper) أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الطبيعة، حيث يأتي في المرتبة الخامسة والعشرين من بين أكثر العناصر توافراً.[١] يتواجد النحاس في الطبيعة باللون الأحمر الذهبي أو قد يكون قزحي الألوان؛ أيّ أنّه يعكس ألواناً كألوان الطيف عند سقوط الضوء عليه،[٢] لذلك فهو يتميّز عن غيره من المعادن -إلى جانب معدن الذهب- بأنّه لا يتواجد باللون الفضيّ أو الرماديّ عند وجوده في الطبيعة كباقي المعادن.[٣]

يتميز عنصر النحاس بالعديد من الخصائص؛ أهمّها قدرته العالية على توصيل الحرارة والتوصيل الكهربائي، إضافةً إلى أنّه معدن لدن وقابل للطرق يسهل تشكيله دون أن ينكسر، ممّا جعله أحد المعادن الأساسية التي استفاد منها الإنسان منذ آلاف السنين،[٢] فهو يعد من أوائل المعادن التي تمّ اكتشافها واستخراجها، ولا يزال له دور كبير في تطوّر المجتمعات.[٤]

تاريخ النحاس

يُعتبر النحاس من أكثر المعادن استخراجاً واستخداماً منذ اكتشافه، فقد كان المعدن الوحيد المعروف عند الإنسان لمدّة 5000 عام، وتعود بداية اكتشافه واستخدامه إلى عام 8700 ق.م أيّ قبل حوالي 10000 عام، حيث تمّ استخدام النحاس لصنع الأسلحة في تلك الفترة. تُعتبر مصر من أوائل الدول التي اكتشفت مقاومة النحاس للتآكل، فاستفاد المصريون من هذه الخاصية في صناعة أشرطة ومسامير نحاسية يُستفاد منها في بناء السفن وصنع أنابيب لنقل المياه، وقُدِّر إجمالي إنتاج مصر للنحاس بـ 10,000 طن على مدار 1500 عام، وما زالت الكثير من الصناعات المصرية النحاسية القديمة موجودة حتّى الوقت الحالي وبحالة جيدة.[١]

شهد العصر البرونزي استخداماً كبيراً للنحاس، حيث تمّ اكتشاف سبائك مكونة من النحاس والقصدير أُطلق عليها اسم البرونز، واكتشاف سبائك مكونة من النحاس والزنك أُطلق عليها اسم النحاس الأصفر، واستُخدمت تلك السبائك في صناعة عدّة أشياء، مثل: الأواني المنزلية، والأثاث، والأسلحة، إضافةً إلى استخدام النحاس في سكّ العملات، فقد اكتُشفت أقدم عملة نحاسية رومانية تعود إلى الفترة ما بين عام 27 ق.م حتّى 14م، ومن الجدير بالذكر أنه تمّ اكتشاف مُركّبات نحاسية أُخرى قبل عام 4000 ق.م مثل مُركب كبريتات النحاس الذي استخدمه المصريون القدماء في الصباغة، ولاحقاً أصبح للنحاس دور مهم في نقل الكهرباء استمرّ حتّى الوقت الحالي.[١]

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية للنحاس

من أهم الخصائص الكيميائية التي يتميّز بها العنصر الذي يحمل الرمز الكيميائي Cu أنّ العدد الذري للنحاس هو 29، ووزنه الذري 63.55،[٣] بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الأُخرى الآتية:[٥]

  • يقع النحاس في المجموعة الحادي عشر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
  • يقع النحاس في الدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر.
  • التوزيع الإلكتروني:Ar] 4s1 3d10]
  • يتم تصنيف عنصر النحاس على أنه معدن انتقالي.
  • يوجد لعنصر النحاس 28 نظيراً.

بناءً على خصائص النحاس الكيميائية فإنّ النحاس يفقد إلكترونات عند تفاعله مع الهواء أو الماء ويُسمّى هذا التفاعل بتفاعل الأكسدة، وينتج عنه أكسيد النحاس، فيتغيّر لون النحاس الأصلي ليُصبح أخضر باهتاً،[٣] أما في غياب الهواء عن النحاس فإنّه لا يتأثّر بأيّ نوع من الأحماض غير المؤكسدة أو الأحماض غير المركبة المُخففة.[٦]

في حال وجود النحاس في الهواء فإنّه يتفاعل بسهولة في حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ممّا يتسبّب في ذوبانه، كما أنّه يذوب في كلّ من سيانيد البوتاسيوم ومحلول الأمونيا المائي في حال وجود الأكسجين، أمّا إذا تفاعل النحاس مع الأكسجين بوجود الحرارة فينتج أكسيد النحاس الثنائي CuO، وفي حال كانت درجة الحرارة عاليةً فينتج أكسيد النحاس الأحادي ذو الرمز الكيميائي Cu2O، وإذا تفاعل النحاس مع الكبريت بوجود حرارة -عن طريق التسخين- يكون الناتج كبريتيد النحاس ذي الرمز الكيميائي Cu2S.[٦]

الخصائص الفيزيائية للنحاس

أهم الخصائص الفيزيائية التي يتميّز بها النحاس هي كالآتي:[٥]

  • درجة انصهار النحاس: 1083.45 درجة مئوية.
  • درجة غليان النحاس: 2567 درجة مئوية.
  • لون النحاس: لون بني مُحمر.
  • المظهر الخارجي: ليّن، مرن -قابل للسحب والطرق-.
  • نصف القطر الذري: 128 بيكومتر.
  • الحجم الذري: 7.1 سم3/مول.
  • نصف القطر التساهمي: 117 بيكومتر.
  • نصف القطر الأيوني: 72 (2e) 96 (+1e+)
  • كثافة النحاس: 8.96 غرام/سم3.
  • الحرارة النوعية: 0.385 جول/(غرام . درجة مئوية).
  • حرارة الانصهار: 13.01كيلوجول/مول.
  • حرارة التبخر: 304.6 كيلوجول/مول.
  • درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
  • رقم باولنج السالب: أو السالبية الكهربائية: 1.90
  • طاقة التأين الاولى: 745.0 كيلوجول/مول.
  • حالات الأكسدة: 2,1.
  • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
  • الحالة في درجة حرارة الغرفة: الحالة الصلبة.[٣]

مصادر النحاس في الطبيعة

تتواجد خامات النحاس في الطبيعة في عِدّة أشكال، وهي كالآتي:[٧]

  • النحاس الخام: هو النحاس الموجود بشكل منفرد في الطبيعة كما هو دون اختلاطه بمعادن أُخرى.
  • النحاس البورفيري: يُعدّ هذا الشكل الأكثر انتشاراً في أنحاء العالم، حيث يتوزّع النحاس في الصخرة على شكل رواسب من الأكاسيد الناتجة عن تفاعل النحاس مع الأكسجين، والكبريتيدات الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكبريت، إذ تتواجد الأكاسيد في الجزء العلوي من الصخرة، وتتواجد الكبريتيدات في الأسفل.
  • رواسب النحاس الضخمة: يُشبه نوع النحاس البورفيري في تكوينه مع فارق أنّ تركيز النحاس في هذه الرواسب يكون أعلى، ومدى انتشاره يكون أقل؛ حيث تتركّز رواسب النحاس في منطقة صغيرة من الصخور.
  • النحاس المختلط مع معادن أُخرى: في هذا الشكل قد يتواجد النحاس بنسبة 0.4% إلى 12% مع كلّ من النيكل، أو الزنك، أو الرصاص، وعند استخراجها يتمّ فصل المعادن عن بعضها للاستفادة منها.
  • الصخور المُضيفة المحتوية على النحاس: (بالإنجليزية: host rock)، إذ يوجد المحتوى المعدني من النحاس في عدّة صخور مُضيفة؛ كصخور الشيست (بالإنجليزية: Schist) أو الرخام السماقي.

أماكن تواجد النحاس

يتوزّع النحاس في معظم أنحاء العالم ووتنوّع مصادره، إلا أن وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية قدرّت أنّ 50% من إجمالي النحاس مجهول المصدر يتواجد في كلّ من جنوب آسيا الوسطى، وأمريكا الجنوبية، وأمريكا الشمالية، وشبه الجزيرة الهندية الصينية، وهي موزعة بالتفصيل كالآتي:[٤]

  • أمريكا الجنوبية: يوجد فيها ما يُقارب 20% من كمية النحاس مجهول المصدر، فهي تُعتبر أكبر مورد للنحاس من رواسب البورفير، إذ تُعتبر دولتا بيرو وتشيلي من أكثر الدول التي تُنتج النحاس عالمياً.
  • أمريكا الوسطى: يمتد النحاس فيها على شكل حزام يبدأ من بنما وينتهي في جنوب غرب المكسيك، حيث يتواجد أكثر من مليوني طن من النحاس البورفيري في بنما تحديداً.
  • أمريكا الشمالية: تحتوي على أكثر من 25 طن من النحاس موزعة على ألاسكا، وغرب الولايات المتحدة، وشمال المكسيك، وغرب كندا، كما تُعدّ كلّ من أريزونا، ويوتا، ونيومكسيكو، وموناتا، ونيفادا من أكثر الولايات إنتاجاً للنحاس في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • شمال شرق آسيا: لديها نسبة كبيرة من النحاس مجهول المصدر.
  • شمال آسيا الوسطى: تتوزّع رواسب البورفير بصورة ضخمة في منغوليا وكازاخستان.
  • جنوب آسيا الوسطى وشبه الجزيرة الهندية الصينية: تمّ اكتشاف رواسب نحاسية ضخمة في هضبة التبت.
  • شرق أستراليا : تتوزّع فيها رواسب رخامية صغيرة ورواسب نحاسية عملاقة من البورفير.
  • أوروبا الشرقية وجنوب غرب آسيا: تتواجد رواسب نحاسية في أفغانستان، إضافةً إلى وجود رواسب البورفير التي تمتد على طول حزام من رومانيا عبر تركيا وإيران.
  • أوروبا الغربية: تمتلك أكبر رواسب نحاسية في العالم فيها وتحديداً في بولندا.
  • أفريقيا والشرق الأوسط: تتوزّع فيها رواسب نحاسية عملاقة على شكل حزام في وسط أفريقيا في جمهورية الكونغو الديمقراطية وزامبيا.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ أولى خطوات تعدين النحاس بتحديد مكان تواجده، فقد يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها، ففي حالة وجوده بالقرب من سطح الأرض فإنّ طريقة التعدين السطحي (بالإنجليزية: Open-Pit method) هي الأنسب لاستخراج النحاس بكميات كبيرة، بحيث تقوم آليات كبيرة بعمل حفرة وتفجير الخام، ثمّ نقل الخامات المكسورة الناتجة عن التفجير إلى مصانع خاصة عبر شاحنات كبيرة جداً يصل وزن الحمولة الواحدة فيها إلى 150 طن من الخامات.[٧]

أمّا في حال استخراج النحاس من أعماق سحيقة في الأرض، فيتمّ غرز قضبان عملاقة بشكل عمودي لأكثر من كيلومتر تحت سطح الأرض؛ وذلك لصنع أنفاق لتمرير المواد الخام من خلالها، إذ يتم حفر الأرض ورفع المواد الخام المُكسّرة عبر هذه الأنفاق إلى أعلى سطح الأرض، ثمّ نقلها إلى المصانع الخاصة لتتم معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتمّ تفجير باطن الأرض ثمّ نقل المواد الخام مُكسّرةً للأعلى.[٧]

عند الحصول على الخامات فإنه يتم استخراج النحاس منها بثلاث خطوات أساسية، وهي كالآتي:[٧]

  • معالجة المعادن: في هذه الخطوة يتمّ تحرير النحاس عن طريق إزالة المواد الأُخرى، مثل: الحجر الجيري، والسيليكا، والبيريت، وهنا ينبغي أن يحتوي الخام على 20%-30% من النحاس.
  • الصهر والترشيح: في هذه الخطوة يتمّ إزالة نسبة كبيرة من الشوائب المتعددة غير مرغوب فيها، كالحديد.
  • التكرير: في هذه الخطوة يتمّ إزالة ما تبقّى من شوائب وعناصر غير مرغوب فيها، وفي نهايتها يتمّ إنتاج النحاس بصورة نقيّة جداً تصل إلى 99.99%.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع للنحاس، وهي كالآتي:[٨]

  • النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء بحالة السخونة أو البرودة، وبالتالي يصلُح للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل: الأسلاك والكابلات، إضافةً إلى ذلك فهو يتميز بمرونة عالية ممّا يُسهل تشكيله على شكل أسلاك رفيعة مثلاً، ومن أشهر أنواعه نحاس (ETP) كما هو معروف في أميركا الشمالية أو النحاس الكهربائي (electro) كما هو معروف في غيرها من البلاد، إذ تصل موصليته من 100% إلى 101.5% وذلك حسب معيار صلابة النحاس الدولية.
  • النحاس المختزل: في هذا النوع يتمّ انتزاع الأكسجين من النحاس عن طريق إضافة نسبة من الفسفور المنصهر إليه، أو إضافة البورون في حالة السبائك، فتنتُج مادة صلبة قوية تُقاوم التآكل في حالة ملامسة الهيدروجين لها، بالتالي فهي مناسبة للكثير من الاستخدامات، مثل: إمدادات الغاز والمياه المنزلية، وأنظمة التدفئة المركزية، إضافةً إلى استخدامها في تشييد المباني وورق التسقيف، كما توسّعت استخداماته بالمباني في الوقت الحالي لتشمل الكسوة الخارجية، وألواح الجدران، وغيرها.
  • سبائك النحاس: سبائك النحاس هي سبائك غير حديدية -أي لا تحتوي على حديد-، فقد يتشكّل فيها النحاس مع مجموعة واسعة من المعادن الأُخرى، مثل: الزنك، والقصدير، والنيكل، والألومنيوم، ويتمّ الحصول على سبائك متعددة، منها ما يُبينه الجدول الآتي:
اسم السبيكة الإضافات إلى النحاس
البرونز قصدير
البرونز الفسفوري قصدير وفسفور
برونز الألومنيوم ألومنيوم
النحاس الأصفر زنك
النحاس الأحمر أو الجونميتال قصدير وزنك
النحاس النيكل نيكل
الفضة النيكل نيكل وزنك

وقد تشمل أنواع السبائك السابقة عناصر أُخرى بنسبٍ قليلة، مثل: الزرنيخ، والسيليكون، والألومنيوم، والفضة، والكادميوم، وغيرها من العناصر، بحيث تتمّ إضافتها لها بنسبٍ معيّنة حتّى تكتسب السبيكة خصائص محدّدة للاستفادة منها في العديد من الأغراض، وقد استُفيد من إضافة العناصر للسبائك منذ القِدم، ومع مرور الوقت تطوّر علم المعادن، وتم إدخال عناصر جديدة إلى السبائك، وإنتاج سبائك جديدة تصلُح في صناعة الإلكترونيات.

يوجد أنواع من السبائك شائعة الاستخدام أكثر من غيرها، ومن أشهرها ما يأتي:[٩]

  • سبيكة البرونز: تصل نسبة النحاس فيها من 88%-95%، ويُستفاد منها في صناعة العملات المعدنية، والأعمال الفنية، وفي صناعة الصَّنْج -آلة موسيقية-.
  • سبيكة البرونز والألومنيوم: تصل نسبة النحاس فيها من 74%-95%، وتمتاز بقدرتها على مقاومة التآكل؛ لذا يتمّ استخدامها في الأغراض البحرية.
  • سبيكة النحاس الأصفر: تصل نسبة النحاس فيها من 50%-90%، ويُستفاد منها في صناعة مقابض الأبواب والذخائر.
  • سبيكة النحاس والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها من 55%-90%، ويُستفاد منها في صناعة العُملات المعدنية، والآلات الموسيقية، والأغراض البحرية.
  • سبيكة الفضة والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها إلى 60%، إلّا أنّ هذا النوع لا يحتوي على الفضة كما يوحي اسمه، ولكنّه يحتوي على عنصر شبيه له في المظهر، وتُستخدم هذه السبيكة في صناعة المجوهرات والآلات الموسيقية.
  • سبيكة النحاس والبيريليوم: تصل نسبة النحاس فيها من 97%-99.5%، وتُعتبر سبائك قوية جداً وسامّة في نفس الوقت؛ لذلك يتمّ استغلالها في بيئات الغاز الخطرة.

استخدامات النحاس

بيّنت نتائج وكالة المسح الجيولوجي الأمريكي أنّ معدن النحاس هو ثالث معدن يتم استهلاكه والاستفادة منه في العالم بعد كلٍّ من الحديد والألومنيوم، وثلاثة أرباع النحاس المستهلَك يُستفاد منه في صناعة كلّ من كابيلات الاتصالات والإلكترونيات، وصناعة الأسلاك الكهربائية،[٣] ويُقدّر استهلاك الإنتاج العالمي للنحاس في كلّ قطاع كالآتي:[١٠]

  • 65% في الكهرباء.
  • 25% في البناء.
  • 7% في النقل.
  • 3% في مجالات أُخرى.

الكهرباء

يُستخدم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربائية بسبب موصليته العالية للكهرباء، كما أنّه يدخل في صناعة العديد من الأجهزة والأدوات الكهربائية والإلكترونية، مثل: المحولات، ومولدات الطاقة، والتلفاز، والهواتف المحمولة، وغيرها من الأجهزة، ومن أهم استخدامات النحاس في قطاع الكهرباء استخدامه في الاتصالات السلكية، حيث يتمّ صنع أسلاك دقيقة خاصة لخطوط الإنترنت المتعلقة بالشبكات المحلية، بالإضافة إلى الاستفادة من النحاس في مجال الطاقة المتجددة، تحديداً في تصنيع توربينات الرياح، والخلايا الكهروضوئية، وغيرها من الأجهزة المرتبطة بتكنولوجيا الطاقة المتجددة.[١٠]

أعمال البناء

دخل النحاس منذ القدم في مجال البناء من خلال استخدامه في بناء القباب وتزيين الأبراج، وقد استفاد المهندسون المعماريون منه في زخرفة أدوات البناء؛ حيث تمّ استخدامه في صناعة مقابض الأبواب، والأقفال، وأدوات الإضاءة، والحنفيات، كما أنّه يُستخدم في التصميم الداخلي للمستشفيات بسبب خاصيته في تثبيط نمو البكتيريا والجراثيم، ممّا يُقلّل من احتمالية انتشار الأمراض.[١٠]

أصبح النحاس يُستخدم في أنظمة الشرب والتدفئة في معظم البلدان، وصناعة أنابيب نقل المياه بسبب مقاومته للصدأ، ومن أهم تطبيقات النحاس في هذا مجال: أنظمة الري، وخطوط تغذية مياه البحر، وصناعة الأنابيب في المصانع الكيميائية، وغيرها من التطبيقات.[١٠]

المواصلات

يُستفاد من النحاس في المواصلات بسبب كفاءته في التوصيل الحراري والكهربائي، حيث يتمّ استخدامه في صنع المكونات الأساسية لجميع المواصلات التي تضم السيارات، والطائرات، والسفن، والقوارب، والقطارات، ففي السيارات يتمّ استخدام النحاس في صناعة الخطوط الهيدروليكية، والأسلاك النحاسية المتعلقة بضبط النوافذ والمرايا، وغيرها من الأدوات، كما أنّ السيارات الحديثة الهجينة تعتمد على معدن النحاس في صناعتها؛ فهي تحتوي على 25 كغ من النحاس.[١٠]

كما يتمّ استخدام النحاس في صناعة سكك القطارات، فكلّ 1 كم في المسار يحتوي على أكثر من 10 أمتار من النحاس، أمّا في الطائرات فيكون 2% من وزن الطائرة من النحاس، وفي السفن والقوارب يتمّ استخدام سبائك النحاس المختلفة في صناعة المضخات، والصمامات، والأنابيب، إضافةً إلى استخدام النحاس في صب مراوح السفن الثقيلة؛ بسبب قدرته على مقاومة التآكل في المياه المالحة.[١٠]

استخدامات أُخرى للنحاس

من الاستخدامات الأُخرى الشائعة للنحاس ما يأتي:[١٠]

  • أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية: يدخل النحاس في صناعة الأواني، والمقالي، وغيرها من أدوات الطهي، وكذلك في التطبيقات الحرارية، مثل: وحدات التبريد والتكييف، والمصارف الحرارية.
  • ساعات اليد والحائط: يُستخدم النحاس غير المغناطيسي في صناعة الدبابيس والتروس النحاسية في الساعات، إذ إنّه لا يؤثّر على عمل الأجزاء الميكانيكية الصغيرة في الساعات.
  • الأعمال الفنية: يُستخدم النحاس في صناعة الأعمال الفنية المختلفة، ويُذكر من هذه الأعمال صناعة التماثيل.
  • العملات المعدنية: كان النحاس ولا زال يُستخدم في سك العملات المعدنية.
  • الآلات الموسيقية: يدخل النحاس الأصفر في صناعة الأبواق، والساكسفونات، وغيرها من الآلات.

إعادة تدوير النحاس

يُعتبر النحاس معدناً ذا قيمة عالية يُمكن إعادة تدويره، إذ يعتمد اقتصاد صناعة النحاس والسبائك بشكل كبير على إعادة تدوير المنتجات النحاسية، وتمرّ إعادة تدويره بالمراحل الآتية:[٨]

  • الفرز: عند الحصول على النحاس يتم فرزه؛ فقد يكون النحاس خاماً، وقد يكون مطلياً أو ملحوماً، أو قد يتواجد مع معادن أُخرى تُعتبر ملوثات ينبغي التخلّص منها، وفي حال كانت نسبة الملوثات كبيرة فيتم إعادة تدوير النحاس إلى سبائك يُستفاد منها، أما إذا قلّت نسب الملوثات فيُعاد تدويره الى نحاس عالي الموصلية.
  • الصهر: بعد فرز النحاس يتمّ وضعه في أفران خاصة ذات حرارة عالية لصهره.
  • الصّب وإعادة التشكيل: يتمّ تشكيل النحاس المنصهر والاستفادة منه؛ إمّا كسبائك أو كنحاس عالي الموصلية، وفي هذه المرحلة يُمكن صبّ النحاس على شكل أنود -قطب سالب أو مهبط- والاستفادة منه كهربائياً، مع التخلّص من نسبة كبيرة من الشوائب حتّى يكون ذا كفاءة عالية.

مركبات النحاس

من المركبات التي تشتمل على معدن النحاس ما يأتي:[٧]

  • الأكاسيد: (بالإنجليزية: Oxides)، تشمل على أكسيد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي Cu2O، وهو عبارة عن مادة بلورية لونها أحمر تُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأحمر وفي الدهانات المانعة للتعفّن، كما تشمل الأكاسيد على أكسيد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuO، وهو عبارة عن مسحوق لونه أسود يُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأخضر.
  • الهاليدات: (بالإنجليزية: Halides)، تشمل على كلوريد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي CuCl، والذي يُستخدم في تحليل الغاز، كما تشمل على كلوريد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuCl2، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأصباغ.
  • الكبريتات: (بالإنجليزية: Sulfates)، تضم كبريتات النحاس الثنائي CuSO4 ذات اللون الأزرق الساطع، والمستخدمة في صناعة الأصباغ.
  • الكربونات: (بالإنجليزية: Carbonates)، تشمل على كربونات النحاس، و قد يكون لونها أخضر أو أزرق ساطعاً، وتُستخدم في تحضير الأصباغ.
  • مركبات أُخرى: مثل نترات النحاس الثنائي ذات الرمز الكيميائي Cu (NO3) 2، وسيليكات النحاس، والمركبات التي تضم بعض أملاح النحاس مع الزرنيخ ذات اللون أخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المبيدات الحشرية لأنّها مركبات سامة.

معلومات عامة عن النحاس

من المعلومات الأُخرى المتعلقة بعنصر النحاس ما يأتي:[٩]

  • يتكوّن تمثال الحرية في معظمه من النحاس، حيث يحتوي على 28122.73 كيلو جرام من النحاس، وبسبب تعرضه للأكسجين في الهواء الجوي وتفاعله معه لأكثر من 20 عاماً فقد تحوّل لونه إلى الأخضر الباهت بسبب الباتينا أو صدأ النحاس.
  • تمّ استخراج النحاس النقي تماماً في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صُنع الأدوات المختلفة والأسلحة.
  • اشتُقت كلمة نحاس (Copper) من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) والتي تعني معدناً من قبرص، وذلك لأنّ معظم كميات النحاس كانت تُستخرج من قبرص في ذلك الوقت، وذلك وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.[٣]
  • تحتوي الصخور البركانية النارية على حوالي ثلثي النحاس في الكرة الأرضية، أمّا الصخور الرسوبية فتحتوي على حوالي الربع، وذلك وفقاً لوكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.[٣]
  • تحتوي جبال الأنديز على نسبة كبيرة جداً من النحاس، حيث تمّ استخراج النحاس منها بنسبة 45% من النحاس الموجود في العالم عام 2007م.[٤]
  • يتوافر النحاس في جميع بلدان العالم.[٤]

مزايا النُّحاس وعيوبه

إنّ الموصلية الكهربائية العالية لهذا المعدن الذي يأتي في المرتبة الثانية -بعد الفضة- في قائمة المعادن الأكثر موصلية، ووفرته في الطبيعة وانخفاض كلفته، بالإضافة إلى كونه معدناً يحمل خصائص مضادة للميكروبات، وهو الأمر الذي يقلل من العبء الجرثومي للأسطح والأجسام، كل ذلك يُعدُّ من المزايا التي رشحته لأن يكون معدناً مستخدماً في الكثير من ميادين الحياة اليومية، إلّا أنّ مما يُعاب على معدن النّحاس هو أكسدته التي تتسبب في تحويل لونه إلى الأخضر عند تعرضه للماء أو الهواء مما يؤثر على جودة مظهره.[٣]

المراجع

  1. ^ أ ب ت Robert J. Lancashire (27-10-2015), “Copper Chemistry”، wwwchem.uwimona.edu.jm, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  2. ^ أ ب TERENCE BELL (26-3-2018), “Learn About Copper”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج ح خ د Stephanie Pappas (12-9-2018), “Facts About Copper”، www.livescience.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث “Facts About Copper”, geology.com/usgs, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  5. ^ أ ب Anne Marie Helmenstine (3-7-2019), “Copper Facts: Chemical and Physical Properties”، www.thoughtco.com, Retrieved 12-9-2019. Edited.
  6. ^ أ ب “Copper”, www.britannica.com,6-9-2019، Retrieved 12-10-2019. Edited.
  7. ^ أ ب ت ث ج Albert Wilbur Schlechten, Allison Butts, John Campbell Taylor, “Copper processing”، www.britannica.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  8. ^ أ ب Vin Calcutt (8-2001), “Types of Copper”، www.copper.org, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  9. ^ أ ب RYAN WOJES (17-1-2019), “A Basic Primer on Copper, the Red Metal”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  10. ^ أ ب ت ث ج ح خ TERENCE BELL (25-6-2019), “Copper and Its Common Uses”، www.thebalance.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.

13 مارس، 2021
0 3 12 دقائق

مقالات ذات صلة

صورة جديد عالم الفضاء

جديد عالم الفضاء

18 مارس، 2021
صورة جديد أثر الطلائعيات في الحياة

جديد أثر الطلائعيات في الحياة

16 مارس، 2021
صورة جديد كيف تعمل الثلاجة

جديد كيف تعمل الثلاجة

17 مارس، 2021
صورة جديد دوائر التيار المتردد

جديد دوائر التيار المتردد

1 مارس، 2021

اترك تعليقاً

شاهد أيضاً
إغلاق

مقالات ذات صلة

النحاس

يُعتبر النحاس (بالإنجليزية: Copper) أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الطبيعة، حيث يأتي في المرتبة الخامسة والعشرين من بين أكثر العناصر توافراً.[١] يتواجد النحاس في الطبيعة باللون الأحمر الذهبي أو قد يكون قزحي الألوان؛ أيّ أنّه يعكس ألواناً كألوان الطيف عند سقوط الضوء عليه،[٢] لذلك فهو يتميّز عن غيره من المعادن -إلى جانب معدن الذهب- بأنّه لا يتواجد باللون الفضيّ أو الرماديّ عند وجوده في الطبيعة كباقي المعادن.[٣]

يتميز عنصر النحاس بالعديد من الخصائص؛ أهمّها قدرته العالية على توصيل الحرارة والتوصيل الكهربائي، إضافةً إلى أنّه معدن لدن وقابل للطرق يسهل تشكيله دون أن ينكسر، ممّا جعله أحد المعادن الأساسية التي استفاد منها الإنسان منذ آلاف السنين،[٢] فهو يعد من أوائل المعادن التي تمّ اكتشافها واستخراجها، ولا يزال له دور كبير في تطوّر المجتمعات.[٤]

تاريخ النحاس

يُعتبر النحاس من أكثر المعادن استخراجاً واستخداماً منذ اكتشافه، فقد كان المعدن الوحيد المعروف عند الإنسان لمدّة 5000 عام، وتعود بداية اكتشافه واستخدامه إلى عام 8700 ق.م أيّ قبل حوالي 10000 عام، حيث تمّ استخدام النحاس لصنع الأسلحة في تلك الفترة. تُعتبر مصر من أوائل الدول التي اكتشفت مقاومة النحاس للتآكل، فاستفاد المصريون من هذه الخاصية في صناعة أشرطة ومسامير نحاسية يُستفاد منها في بناء السفن وصنع أنابيب لنقل المياه، وقُدِّر إجمالي إنتاج مصر للنحاس بـ 10,000 طن على مدار 1500 عام، وما زالت الكثير من الصناعات المصرية النحاسية القديمة موجودة حتّى الوقت الحالي وبحالة جيدة.[١]

شهد العصر البرونزي استخداماً كبيراً للنحاس، حيث تمّ اكتشاف سبائك مكونة من النحاس والقصدير أُطلق عليها اسم البرونز، واكتشاف سبائك مكونة من النحاس والزنك أُطلق عليها اسم النحاس الأصفر، واستُخدمت تلك السبائك في صناعة عدّة أشياء، مثل: الأواني المنزلية، والأثاث، والأسلحة، إضافةً إلى استخدام النحاس في سكّ العملات، فقد اكتُشفت أقدم عملة نحاسية رومانية تعود إلى الفترة ما بين عام 27 ق.م حتّى 14م، ومن الجدير بالذكر أنه تمّ اكتشاف مُركّبات نحاسية أُخرى قبل عام 4000 ق.م مثل مُركب كبريتات النحاس الذي استخدمه المصريون القدماء في الصباغة، ولاحقاً أصبح للنحاس دور مهم في نقل الكهرباء استمرّ حتّى الوقت الحالي.[١]

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية للنحاس

من أهم الخصائص الكيميائية التي يتميّز بها العنصر الذي يحمل الرمز الكيميائي Cu أنّ العدد الذري للنحاس هو 29، ووزنه الذري 63.55،[٣] بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الأُخرى الآتية:[٥]

  • يقع النحاس في المجموعة الحادي عشر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
  • يقع النحاس في الدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر.
  • التوزيع الإلكتروني:Ar] 4s1 3d10]
  • يتم تصنيف عنصر النحاس على أنه معدن انتقالي.
  • يوجد لعنصر النحاس 28 نظيراً.

بناءً على خصائص النحاس الكيميائية فإنّ النحاس يفقد إلكترونات عند تفاعله مع الهواء أو الماء ويُسمّى هذا التفاعل بتفاعل الأكسدة، وينتج عنه أكسيد النحاس، فيتغيّر لون النحاس الأصلي ليُصبح أخضر باهتاً،[٣] أما في غياب الهواء عن النحاس فإنّه لا يتأثّر بأيّ نوع من الأحماض غير المؤكسدة أو الأحماض غير المركبة المُخففة.[٦]

في حال وجود النحاس في الهواء فإنّه يتفاعل بسهولة في حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ممّا يتسبّب في ذوبانه، كما أنّه يذوب في كلّ من سيانيد البوتاسيوم ومحلول الأمونيا المائي في حال وجود الأكسجين، أمّا إذا تفاعل النحاس مع الأكسجين بوجود الحرارة فينتج أكسيد النحاس الثنائي CuO، وفي حال كانت درجة الحرارة عاليةً فينتج أكسيد النحاس الأحادي ذو الرمز الكيميائي Cu2O، وإذا تفاعل النحاس مع الكبريت بوجود حرارة -عن طريق التسخين- يكون الناتج كبريتيد النحاس ذي الرمز الكيميائي Cu2S.[٦]

الخصائص الفيزيائية للنحاس

أهم الخصائص الفيزيائية التي يتميّز بها النحاس هي كالآتي:[٥]

  • درجة انصهار النحاس: 1083.45 درجة مئوية.
  • درجة غليان النحاس: 2567 درجة مئوية.
  • لون النحاس: لون بني مُحمر.
  • المظهر الخارجي: ليّن، مرن -قابل للسحب والطرق-.
  • نصف القطر الذري: 128 بيكومتر.
  • الحجم الذري: 7.1 سم3/مول.
  • نصف القطر التساهمي: 117 بيكومتر.
  • نصف القطر الأيوني: 72 (2e) 96 (+1e+)
  • كثافة النحاس: 8.96 غرام/سم3.
  • الحرارة النوعية: 0.385 جول/(غرام . درجة مئوية).
  • حرارة الانصهار: 13.01كيلوجول/مول.
  • حرارة التبخر: 304.6 كيلوجول/مول.
  • درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
  • رقم باولنج السالب: أو السالبية الكهربائية: 1.90
  • طاقة التأين الاولى: 745.0 كيلوجول/مول.
  • حالات الأكسدة: 2,1.
  • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
  • الحالة في درجة حرارة الغرفة: الحالة الصلبة.[٣]

مصادر النحاس في الطبيعة

تتواجد خامات النحاس في الطبيعة في عِدّة أشكال، وهي كالآتي:[٧]

  • النحاس الخام: هو النحاس الموجود بشكل منفرد في الطبيعة كما هو دون اختلاطه بمعادن أُخرى.
  • النحاس البورفيري: يُعدّ هذا الشكل الأكثر انتشاراً في أنحاء العالم، حيث يتوزّع النحاس في الصخرة على شكل رواسب من الأكاسيد الناتجة عن تفاعل النحاس مع الأكسجين، والكبريتيدات الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكبريت، إذ تتواجد الأكاسيد في الجزء العلوي من الصخرة، وتتواجد الكبريتيدات في الأسفل.
  • رواسب النحاس الضخمة: يُشبه نوع النحاس البورفيري في تكوينه مع فارق أنّ تركيز النحاس في هذه الرواسب يكون أعلى، ومدى انتشاره يكون أقل؛ حيث تتركّز رواسب النحاس في منطقة صغيرة من الصخور.
  • النحاس المختلط مع معادن أُخرى: في هذا الشكل قد يتواجد النحاس بنسبة 0.4% إلى 12% مع كلّ من النيكل، أو الزنك، أو الرصاص، وعند استخراجها يتمّ فصل المعادن عن بعضها للاستفادة منها.
  • الصخور المُضيفة المحتوية على النحاس: (بالإنجليزية: host rock)، إذ يوجد المحتوى المعدني من النحاس في عدّة صخور مُضيفة؛ كصخور الشيست (بالإنجليزية: Schist) أو الرخام السماقي.

أماكن تواجد النحاس

يتوزّع النحاس في معظم أنحاء العالم ووتنوّع مصادره، إلا أن وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية قدرّت أنّ 50% من إجمالي النحاس مجهول المصدر يتواجد في كلّ من جنوب آسيا الوسطى، وأمريكا الجنوبية، وأمريكا الشمالية، وشبه الجزيرة الهندية الصينية، وهي موزعة بالتفصيل كالآتي:[٤]

  • أمريكا الجنوبية: يوجد فيها ما يُقارب 20% من كمية النحاس مجهول المصدر، فهي تُعتبر أكبر مورد للنحاس من رواسب البورفير، إذ تُعتبر دولتا بيرو وتشيلي من أكثر الدول التي تُنتج النحاس عالمياً.
  • أمريكا الوسطى: يمتد النحاس فيها على شكل حزام يبدأ من بنما وينتهي في جنوب غرب المكسيك، حيث يتواجد أكثر من مليوني طن من النحاس البورفيري في بنما تحديداً.
  • أمريكا الشمالية: تحتوي على أكثر من 25 طن من النحاس موزعة على ألاسكا، وغرب الولايات المتحدة، وشمال المكسيك، وغرب كندا، كما تُعدّ كلّ من أريزونا، ويوتا، ونيومكسيكو، وموناتا، ونيفادا من أكثر الولايات إنتاجاً للنحاس في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • شمال شرق آسيا: لديها نسبة كبيرة من النحاس مجهول المصدر.
  • شمال آسيا الوسطى: تتوزّع رواسب البورفير بصورة ضخمة في منغوليا وكازاخستان.
  • جنوب آسيا الوسطى وشبه الجزيرة الهندية الصينية: تمّ اكتشاف رواسب نحاسية ضخمة في هضبة التبت.
  • شرق أستراليا : تتوزّع فيها رواسب رخامية صغيرة ورواسب نحاسية عملاقة من البورفير.
  • أوروبا الشرقية وجنوب غرب آسيا: تتواجد رواسب نحاسية في أفغانستان، إضافةً إلى وجود رواسب البورفير التي تمتد على طول حزام من رومانيا عبر تركيا وإيران.
  • أوروبا الغربية: تمتلك أكبر رواسب نحاسية في العالم فيها وتحديداً في بولندا.
  • أفريقيا والشرق الأوسط: تتوزّع فيها رواسب نحاسية عملاقة على شكل حزام في وسط أفريقيا في جمهورية الكونغو الديمقراطية وزامبيا.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ أولى خطوات تعدين النحاس بتحديد مكان تواجده، فقد يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها، ففي حالة وجوده بالقرب من سطح الأرض فإنّ طريقة التعدين السطحي (بالإنجليزية: Open-Pit method) هي الأنسب لاستخراج النحاس بكميات كبيرة، بحيث تقوم آليات كبيرة بعمل حفرة وتفجير الخام، ثمّ نقل الخامات المكسورة الناتجة عن التفجير إلى مصانع خاصة عبر شاحنات كبيرة جداً يصل وزن الحمولة الواحدة فيها إلى 150 طن من الخامات.[٧]

أمّا في حال استخراج النحاس من أعماق سحيقة في الأرض، فيتمّ غرز قضبان عملاقة بشكل عمودي لأكثر من كيلومتر تحت سطح الأرض؛ وذلك لصنع أنفاق لتمرير المواد الخام من خلالها، إذ يتم حفر الأرض ورفع المواد الخام المُكسّرة عبر هذه الأنفاق إلى أعلى سطح الأرض، ثمّ نقلها إلى المصانع الخاصة لتتم معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتمّ تفجير باطن الأرض ثمّ نقل المواد الخام مُكسّرةً للأعلى.[٧]

عند الحصول على الخامات فإنه يتم استخراج النحاس منها بثلاث خطوات أساسية، وهي كالآتي:[٧]

  • معالجة المعادن: في هذه الخطوة يتمّ تحرير النحاس عن طريق إزالة المواد الأُخرى، مثل: الحجر الجيري، والسيليكا، والبيريت، وهنا ينبغي أن يحتوي الخام على 20%-30% من النحاس.
  • الصهر والترشيح: في هذه الخطوة يتمّ إزالة نسبة كبيرة من الشوائب المتعددة غير مرغوب فيها، كالحديد.
  • التكرير: في هذه الخطوة يتمّ إزالة ما تبقّى من شوائب وعناصر غير مرغوب فيها، وفي نهايتها يتمّ إنتاج النحاس بصورة نقيّة جداً تصل إلى 99.99%.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع للنحاس، وهي كالآتي:[٨]

  • النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء بحالة السخونة أو البرودة، وبالتالي يصلُح للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل: الأسلاك والكابلات، إضافةً إلى ذلك فهو يتميز بمرونة عالية ممّا يُسهل تشكيله على شكل أسلاك رفيعة مثلاً، ومن أشهر أنواعه نحاس (ETP) كما هو معروف في أميركا الشمالية أو النحاس الكهربائي (electro) كما هو معروف في غيرها من البلاد، إذ تصل موصليته من 100% إلى 101.5% وذلك حسب معيار صلابة النحاس الدولية.
  • النحاس المختزل: في هذا النوع يتمّ انتزاع الأكسجين من النحاس عن طريق إضافة نسبة من الفسفور المنصهر إليه، أو إضافة البورون في حالة السبائك، فتنتُج مادة صلبة قوية تُقاوم التآكل في حالة ملامسة الهيدروجين لها، بالتالي فهي مناسبة للكثير من الاستخدامات، مثل: إمدادات الغاز والمياه المنزلية، وأنظمة التدفئة المركزية، إضافةً إلى استخدامها في تشييد المباني وورق التسقيف، كما توسّعت استخداماته بالمباني في الوقت الحالي لتشمل الكسوة الخارجية، وألواح الجدران، وغيرها.
  • سبائك النحاس: سبائك النحاس هي سبائك غير حديدية -أي لا تحتوي على حديد-، فقد يتشكّل فيها النحاس مع مجموعة واسعة من المعادن الأُخرى، مثل: الزنك، والقصدير، والنيكل، والألومنيوم، ويتمّ الحصول على سبائك متعددة، منها ما يُبينه الجدول الآتي:
اسم السبيكة الإضافات إلى النحاس
البرونز قصدير
البرونز الفسفوري قصدير وفسفور
برونز الألومنيوم ألومنيوم
النحاس الأصفر زنك
النحاس الأحمر أو الجونميتال قصدير وزنك
النحاس النيكل نيكل
الفضة النيكل نيكل وزنك

وقد تشمل أنواع السبائك السابقة عناصر أُخرى بنسبٍ قليلة، مثل: الزرنيخ، والسيليكون، والألومنيوم، والفضة، والكادميوم، وغيرها من العناصر، بحيث تتمّ إضافتها لها بنسبٍ معيّنة حتّى تكتسب السبيكة خصائص محدّدة للاستفادة منها في العديد من الأغراض، وقد استُفيد من إضافة العناصر للسبائك منذ القِدم، ومع مرور الوقت تطوّر علم المعادن، وتم إدخال عناصر جديدة إلى السبائك، وإنتاج سبائك جديدة تصلُح في صناعة الإلكترونيات.

يوجد أنواع من السبائك شائعة الاستخدام أكثر من غيرها، ومن أشهرها ما يأتي:[٩]

  • سبيكة البرونز: تصل نسبة النحاس فيها من 88%-95%، ويُستفاد منها في صناعة العملات المعدنية، والأعمال الفنية، وفي صناعة الصَّنْج -آلة موسيقية-.
  • سبيكة البرونز والألومنيوم: تصل نسبة النحاس فيها من 74%-95%، وتمتاز بقدرتها على مقاومة التآكل؛ لذا يتمّ استخدامها في الأغراض البحرية.
  • سبيكة النحاس الأصفر: تصل نسبة النحاس فيها من 50%-90%، ويُستفاد منها في صناعة مقابض الأبواب والذخائر.
  • سبيكة النحاس والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها من 55%-90%، ويُستفاد منها في صناعة العُملات المعدنية، والآلات الموسيقية، والأغراض البحرية.
  • سبيكة الفضة والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها إلى 60%، إلّا أنّ هذا النوع لا يحتوي على الفضة كما يوحي اسمه، ولكنّه يحتوي على عنصر شبيه له في المظهر، وتُستخدم هذه السبيكة في صناعة المجوهرات والآلات الموسيقية.
  • سبيكة النحاس والبيريليوم: تصل نسبة النحاس فيها من 97%-99.5%، وتُعتبر سبائك قوية جداً وسامّة في نفس الوقت؛ لذلك يتمّ استغلالها في بيئات الغاز الخطرة.

استخدامات النحاس

بيّنت نتائج وكالة المسح الجيولوجي الأمريكي أنّ معدن النحاس هو ثالث معدن يتم استهلاكه والاستفادة منه في العالم بعد كلٍّ من الحديد والألومنيوم، وثلاثة أرباع النحاس المستهلَك يُستفاد منه في صناعة كلّ من كابيلات الاتصالات والإلكترونيات، وصناعة الأسلاك الكهربائية،[٣] ويُقدّر استهلاك الإنتاج العالمي للنحاس في كلّ قطاع كالآتي:[١٠]

  • 65% في الكهرباء.
  • 25% في البناء.
  • 7% في النقل.
  • 3% في مجالات أُخرى.

الكهرباء

يُستخدم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربائية بسبب موصليته العالية للكهرباء، كما أنّه يدخل في صناعة العديد من الأجهزة والأدوات الكهربائية والإلكترونية، مثل: المحولات، ومولدات الطاقة، والتلفاز، والهواتف المحمولة، وغيرها من الأجهزة، ومن أهم استخدامات النحاس في قطاع الكهرباء استخدامه في الاتصالات السلكية، حيث يتمّ صنع أسلاك دقيقة خاصة لخطوط الإنترنت المتعلقة بالشبكات المحلية، بالإضافة إلى الاستفادة من النحاس في مجال الطاقة المتجددة، تحديداً في تصنيع توربينات الرياح، والخلايا الكهروضوئية، وغيرها من الأجهزة المرتبطة بتكنولوجيا الطاقة المتجددة.[١٠]

أعمال البناء

دخل النحاس منذ القدم في مجال البناء من خلال استخدامه في بناء القباب وتزيين الأبراج، وقد استفاد المهندسون المعماريون منه في زخرفة أدوات البناء؛ حيث تمّ استخدامه في صناعة مقابض الأبواب، والأقفال، وأدوات الإضاءة، والحنفيات، كما أنّه يُستخدم في التصميم الداخلي للمستشفيات بسبب خاصيته في تثبيط نمو البكتيريا والجراثيم، ممّا يُقلّل من احتمالية انتشار الأمراض.[١٠]

أصبح النحاس يُستخدم في أنظمة الشرب والتدفئة في معظم البلدان، وصناعة أنابيب نقل المياه بسبب مقاومته للصدأ، ومن أهم تطبيقات النحاس في هذا مجال: أنظمة الري، وخطوط تغذية مياه البحر، وصناعة الأنابيب في المصانع الكيميائية، وغيرها من التطبيقات.[١٠]

المواصلات

يُستفاد من النحاس في المواصلات بسبب كفاءته في التوصيل الحراري والكهربائي، حيث يتمّ استخدامه في صنع المكونات الأساسية لجميع المواصلات التي تضم السيارات، والطائرات، والسفن، والقوارب، والقطارات، ففي السيارات يتمّ استخدام النحاس في صناعة الخطوط الهيدروليكية، والأسلاك النحاسية المتعلقة بضبط النوافذ والمرايا، وغيرها من الأدوات، كما أنّ السيارات الحديثة الهجينة تعتمد على معدن النحاس في صناعتها؛ فهي تحتوي على 25 كغ من النحاس.[١٠]

كما يتمّ استخدام النحاس في صناعة سكك القطارات، فكلّ 1 كم في المسار يحتوي على أكثر من 10 أمتار من النحاس، أمّا في الطائرات فيكون 2% من وزن الطائرة من النحاس، وفي السفن والقوارب يتمّ استخدام سبائك النحاس المختلفة في صناعة المضخات، والصمامات، والأنابيب، إضافةً إلى استخدام النحاس في صب مراوح السفن الثقيلة؛ بسبب قدرته على مقاومة التآكل في المياه المالحة.[١٠]

استخدامات أُخرى للنحاس

من الاستخدامات الأُخرى الشائعة للنحاس ما يأتي:[١٠]

  • أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية: يدخل النحاس في صناعة الأواني، والمقالي، وغيرها من أدوات الطهي، وكذلك في التطبيقات الحرارية، مثل: وحدات التبريد والتكييف، والمصارف الحرارية.
  • ساعات اليد والحائط: يُستخدم النحاس غير المغناطيسي في صناعة الدبابيس والتروس النحاسية في الساعات، إذ إنّه لا يؤثّر على عمل الأجزاء الميكانيكية الصغيرة في الساعات.
  • الأعمال الفنية: يُستخدم النحاس في صناعة الأعمال الفنية المختلفة، ويُذكر من هذه الأعمال صناعة التماثيل.
  • العملات المعدنية: كان النحاس ولا زال يُستخدم في سك العملات المعدنية.
  • الآلات الموسيقية: يدخل النحاس الأصفر في صناعة الأبواق، والساكسفونات، وغيرها من الآلات.

إعادة تدوير النحاس

يُعتبر النحاس معدناً ذا قيمة عالية يُمكن إعادة تدويره، إذ يعتمد اقتصاد صناعة النحاس والسبائك بشكل كبير على إعادة تدوير المنتجات النحاسية، وتمرّ إعادة تدويره بالمراحل الآتية:[٨]

  • الفرز: عند الحصول على النحاس يتم فرزه؛ فقد يكون النحاس خاماً، وقد يكون مطلياً أو ملحوماً، أو قد يتواجد مع معادن أُخرى تُعتبر ملوثات ينبغي التخلّص منها، وفي حال كانت نسبة الملوثات كبيرة فيتم إعادة تدوير النحاس إلى سبائك يُستفاد منها، أما إذا قلّت نسب الملوثات فيُعاد تدويره الى نحاس عالي الموصلية.
  • الصهر: بعد فرز النحاس يتمّ وضعه في أفران خاصة ذات حرارة عالية لصهره.
  • الصّب وإعادة التشكيل: يتمّ تشكيل النحاس المنصهر والاستفادة منه؛ إمّا كسبائك أو كنحاس عالي الموصلية، وفي هذه المرحلة يُمكن صبّ النحاس على شكل أنود -قطب سالب أو مهبط- والاستفادة منه كهربائياً، مع التخلّص من نسبة كبيرة من الشوائب حتّى يكون ذا كفاءة عالية.

مركبات النحاس

من المركبات التي تشتمل على معدن النحاس ما يأتي:[٧]

  • الأكاسيد: (بالإنجليزية: Oxides)، تشمل على أكسيد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي Cu2O، وهو عبارة عن مادة بلورية لونها أحمر تُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأحمر وفي الدهانات المانعة للتعفّن، كما تشمل الأكاسيد على أكسيد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuO، وهو عبارة عن مسحوق لونه أسود يُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأخضر.
  • الهاليدات: (بالإنجليزية: Halides)، تشمل على كلوريد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي CuCl، والذي يُستخدم في تحليل الغاز، كما تشمل على كلوريد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuCl2، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأصباغ.
  • الكبريتات: (بالإنجليزية: Sulfates)، تضم كبريتات النحاس الثنائي CuSO4 ذات اللون الأزرق الساطع، والمستخدمة في صناعة الأصباغ.
  • الكربونات: (بالإنجليزية: Carbonates)، تشمل على كربونات النحاس، و قد يكون لونها أخضر أو أزرق ساطعاً، وتُستخدم في تحضير الأصباغ.
  • مركبات أُخرى: مثل نترات النحاس الثنائي ذات الرمز الكيميائي Cu (NO3) 2، وسيليكات النحاس، والمركبات التي تضم بعض أملاح النحاس مع الزرنيخ ذات اللون أخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المبيدات الحشرية لأنّها مركبات سامة.

معلومات عامة عن النحاس

من المعلومات الأُخرى المتعلقة بعنصر النحاس ما يأتي:[٩]

  • يتكوّن تمثال الحرية في معظمه من النحاس، حيث يحتوي على 28122.73 كيلو جرام من النحاس، وبسبب تعرضه للأكسجين في الهواء الجوي وتفاعله معه لأكثر من 20 عاماً فقد تحوّل لونه إلى الأخضر الباهت بسبب الباتينا أو صدأ النحاس.
  • تمّ استخراج النحاس النقي تماماً في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صُنع الأدوات المختلفة والأسلحة.
  • اشتُقت كلمة نحاس (Copper) من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) والتي تعني معدناً من قبرص، وذلك لأنّ معظم كميات النحاس كانت تُستخرج من قبرص في ذلك الوقت، وذلك وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.[٣]
  • تحتوي الصخور البركانية النارية على حوالي ثلثي النحاس في الكرة الأرضية، أمّا الصخور الرسوبية فتحتوي على حوالي الربع، وذلك وفقاً لوكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.[٣]
  • تحتوي جبال الأنديز على نسبة كبيرة جداً من النحاس، حيث تمّ استخراج النحاس منها بنسبة 45% من النحاس الموجود في العالم عام 2007م.[٤]
  • يتوافر النحاس في جميع بلدان العالم.[٤]

مزايا النُّحاس وعيوبه

إنّ الموصلية الكهربائية العالية لهذا المعدن الذي يأتي في المرتبة الثانية -بعد الفضة- في قائمة المعادن الأكثر موصلية، ووفرته في الطبيعة وانخفاض كلفته، بالإضافة إلى كونه معدناً يحمل خصائص مضادة للميكروبات، وهو الأمر الذي يقلل من العبء الجرثومي للأسطح والأجسام، كل ذلك يُعدُّ من المزايا التي رشحته لأن يكون معدناً مستخدماً في الكثير من ميادين الحياة اليومية، إلّا أنّ مما يُعاب على معدن النّحاس هو أكسدته التي تتسبب في تحويل لونه إلى الأخضر عند تعرضه للماء أو الهواء مما يؤثر على جودة مظهره.[٣]

المراجع

  1. ^ أ ب ت Robert J. Lancashire (27-10-2015), “Copper Chemistry”، wwwchem.uwimona.edu.jm, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  2. ^ أ ب TERENCE BELL (26-3-2018), “Learn About Copper”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج ح خ د Stephanie Pappas (12-9-2018), “Facts About Copper”، www.livescience.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث “Facts About Copper”, geology.com/usgs, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  5. ^ أ ب Anne Marie Helmenstine (3-7-2019), “Copper Facts: Chemical and Physical Properties”، www.thoughtco.com, Retrieved 12-9-2019. Edited.
  6. ^ أ ب “Copper”, www.britannica.com,6-9-2019، Retrieved 12-10-2019. Edited.
  7. ^ أ ب ت ث ج Albert Wilbur Schlechten, Allison Butts, John Campbell Taylor, “Copper processing”، www.britannica.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  8. ^ أ ب Vin Calcutt (8-2001), “Types of Copper”، www.copper.org, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  9. ^ أ ب RYAN WOJES (17-1-2019), “A Basic Primer on Copper, the Red Metal”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  10. ^ أ ب ت ث ج ح خ TERENCE BELL (25-6-2019), “Copper and Its Common Uses”، www.thebalance.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.

13 مارس، 2021
0 0 12 دقائق

مقالات ذات صلة

صورة جديد أهمية تصنيف الكائنات الحية

جديد أهمية تصنيف الكائنات الحية

1 مارس، 2021
صورة جديد جهاز قياس سرعة الرياح

جديد جهاز قياس سرعة الرياح

23 فبراير، 2021
صورة جديد بحث عن الكوكب بلوتو

جديد بحث عن الكوكب بلوتو

11 مارس، 2021
صورة جديد كيف يتكون الضباب

جديد كيف يتكون الضباب

6 أبريل، 2021

اترك تعليقاً

مقالات ذات صلة

النحاس

يُعتبر النحاس (بالإنجليزية: Copper) أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الطبيعة، حيث يأتي في المرتبة الخامسة والعشرين من بين أكثر العناصر توافراً.[١] يتواجد النحاس في الطبيعة باللون الأحمر الذهبي أو قد يكون قزحي الألوان؛ أيّ أنّه يعكس ألواناً كألوان الطيف عند سقوط الضوء عليه،[٢] لذلك فهو يتميّز عن غيره من المعادن -إلى جانب معدن الذهب- بأنّه لا يتواجد باللون الفضيّ أو الرماديّ عند وجوده في الطبيعة كباقي المعادن.[٣]

يتميز عنصر النحاس بالعديد من الخصائص؛ أهمّها قدرته العالية على توصيل الحرارة والتوصيل الكهربائي، إضافةً إلى أنّه معدن لدن وقابل للطرق يسهل تشكيله دون أن ينكسر، ممّا جعله أحد المعادن الأساسية التي استفاد منها الإنسان منذ آلاف السنين،[٢] فهو يعد من أوائل المعادن التي تمّ اكتشافها واستخراجها، ولا يزال له دور كبير في تطوّر المجتمعات.[٤]

تاريخ النحاس

يُعتبر النحاس من أكثر المعادن استخراجاً واستخداماً منذ اكتشافه، فقد كان المعدن الوحيد المعروف عند الإنسان لمدّة 5000 عام، وتعود بداية اكتشافه واستخدامه إلى عام 8700 ق.م أيّ قبل حوالي 10000 عام، حيث تمّ استخدام النحاس لصنع الأسلحة في تلك الفترة. تُعتبر مصر من أوائل الدول التي اكتشفت مقاومة النحاس للتآكل، فاستفاد المصريون من هذه الخاصية في صناعة أشرطة ومسامير نحاسية يُستفاد منها في بناء السفن وصنع أنابيب لنقل المياه، وقُدِّر إجمالي إنتاج مصر للنحاس بـ 10,000 طن على مدار 1500 عام، وما زالت الكثير من الصناعات المصرية النحاسية القديمة موجودة حتّى الوقت الحالي وبحالة جيدة.[١]

شهد العصر البرونزي استخداماً كبيراً للنحاس، حيث تمّ اكتشاف سبائك مكونة من النحاس والقصدير أُطلق عليها اسم البرونز، واكتشاف سبائك مكونة من النحاس والزنك أُطلق عليها اسم النحاس الأصفر، واستُخدمت تلك السبائك في صناعة عدّة أشياء، مثل: الأواني المنزلية، والأثاث، والأسلحة، إضافةً إلى استخدام النحاس في سكّ العملات، فقد اكتُشفت أقدم عملة نحاسية رومانية تعود إلى الفترة ما بين عام 27 ق.م حتّى 14م، ومن الجدير بالذكر أنه تمّ اكتشاف مُركّبات نحاسية أُخرى قبل عام 4000 ق.م مثل مُركب كبريتات النحاس الذي استخدمه المصريون القدماء في الصباغة، ولاحقاً أصبح للنحاس دور مهم في نقل الكهرباء استمرّ حتّى الوقت الحالي.[١]

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية للنحاس

من أهم الخصائص الكيميائية التي يتميّز بها العنصر الذي يحمل الرمز الكيميائي Cu أنّ العدد الذري للنحاس هو 29، ووزنه الذري 63.55،[٣] بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية الأُخرى الآتية:[٥]

  • يقع النحاس في المجموعة الحادي عشر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
  • يقع النحاس في الدورة الرابعة في الجدول الدوري للعناصر.
  • التوزيع الإلكتروني:Ar] 4s1 3d10]
  • يتم تصنيف عنصر النحاس على أنه معدن انتقالي.
  • يوجد لعنصر النحاس 28 نظيراً.

بناءً على خصائص النحاس الكيميائية فإنّ النحاس يفقد إلكترونات عند تفاعله مع الهواء أو الماء ويُسمّى هذا التفاعل بتفاعل الأكسدة، وينتج عنه أكسيد النحاس، فيتغيّر لون النحاس الأصلي ليُصبح أخضر باهتاً،[٣] أما في غياب الهواء عن النحاس فإنّه لا يتأثّر بأيّ نوع من الأحماض غير المؤكسدة أو الأحماض غير المركبة المُخففة.[٦]

في حال وجود النحاس في الهواء فإنّه يتفاعل بسهولة في حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ممّا يتسبّب في ذوبانه، كما أنّه يذوب في كلّ من سيانيد البوتاسيوم ومحلول الأمونيا المائي في حال وجود الأكسجين، أمّا إذا تفاعل النحاس مع الأكسجين بوجود الحرارة فينتج أكسيد النحاس الثنائي CuO، وفي حال كانت درجة الحرارة عاليةً فينتج أكسيد النحاس الأحادي ذو الرمز الكيميائي Cu2O، وإذا تفاعل النحاس مع الكبريت بوجود حرارة -عن طريق التسخين- يكون الناتج كبريتيد النحاس ذي الرمز الكيميائي Cu2S.[٦]

الخصائص الفيزيائية للنحاس

أهم الخصائص الفيزيائية التي يتميّز بها النحاس هي كالآتي:[٥]

  • درجة انصهار النحاس: 1083.45 درجة مئوية.
  • درجة غليان النحاس: 2567 درجة مئوية.
  • لون النحاس: لون بني مُحمر.
  • المظهر الخارجي: ليّن، مرن -قابل للسحب والطرق-.
  • نصف القطر الذري: 128 بيكومتر.
  • الحجم الذري: 7.1 سم3/مول.
  • نصف القطر التساهمي: 117 بيكومتر.
  • نصف القطر الأيوني: 72 (2e) 96 (+1e+)
  • كثافة النحاس: 8.96 غرام/سم3.
  • الحرارة النوعية: 0.385 جول/(غرام . درجة مئوية).
  • حرارة الانصهار: 13.01كيلوجول/مول.
  • حرارة التبخر: 304.6 كيلوجول/مول.
  • درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
  • رقم باولنج السالب: أو السالبية الكهربائية: 1.90
  • طاقة التأين الاولى: 745.0 كيلوجول/مول.
  • حالات الأكسدة: 2,1.
  • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
  • الحالة في درجة حرارة الغرفة: الحالة الصلبة.[٣]

مصادر النحاس في الطبيعة

تتواجد خامات النحاس في الطبيعة في عِدّة أشكال، وهي كالآتي:[٧]

  • النحاس الخام: هو النحاس الموجود بشكل منفرد في الطبيعة كما هو دون اختلاطه بمعادن أُخرى.
  • النحاس البورفيري: يُعدّ هذا الشكل الأكثر انتشاراً في أنحاء العالم، حيث يتوزّع النحاس في الصخرة على شكل رواسب من الأكاسيد الناتجة عن تفاعل النحاس مع الأكسجين، والكبريتيدات الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكبريت، إذ تتواجد الأكاسيد في الجزء العلوي من الصخرة، وتتواجد الكبريتيدات في الأسفل.
  • رواسب النحاس الضخمة: يُشبه نوع النحاس البورفيري في تكوينه مع فارق أنّ تركيز النحاس في هذه الرواسب يكون أعلى، ومدى انتشاره يكون أقل؛ حيث تتركّز رواسب النحاس في منطقة صغيرة من الصخور.
  • النحاس المختلط مع معادن أُخرى: في هذا الشكل قد يتواجد النحاس بنسبة 0.4% إلى 12% مع كلّ من النيكل، أو الزنك، أو الرصاص، وعند استخراجها يتمّ فصل المعادن عن بعضها للاستفادة منها.
  • الصخور المُضيفة المحتوية على النحاس: (بالإنجليزية: host rock)، إذ يوجد المحتوى المعدني من النحاس في عدّة صخور مُضيفة؛ كصخور الشيست (بالإنجليزية: Schist) أو الرخام السماقي.

أماكن تواجد النحاس

يتوزّع النحاس في معظم أنحاء العالم ووتنوّع مصادره، إلا أن وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية قدرّت أنّ 50% من إجمالي النحاس مجهول المصدر يتواجد في كلّ من جنوب آسيا الوسطى، وأمريكا الجنوبية، وأمريكا الشمالية، وشبه الجزيرة الهندية الصينية، وهي موزعة بالتفصيل كالآتي:[٤]

  • أمريكا الجنوبية: يوجد فيها ما يُقارب 20% من كمية النحاس مجهول المصدر، فهي تُعتبر أكبر مورد للنحاس من رواسب البورفير، إذ تُعتبر دولتا بيرو وتشيلي من أكثر الدول التي تُنتج النحاس عالمياً.
  • أمريكا الوسطى: يمتد النحاس فيها على شكل حزام يبدأ من بنما وينتهي في جنوب غرب المكسيك، حيث يتواجد أكثر من مليوني طن من النحاس البورفيري في بنما تحديداً.
  • أمريكا الشمالية: تحتوي على أكثر من 25 طن من النحاس موزعة على ألاسكا، وغرب الولايات المتحدة، وشمال المكسيك، وغرب كندا، كما تُعدّ كلّ من أريزونا، ويوتا، ونيومكسيكو، وموناتا، ونيفادا من أكثر الولايات إنتاجاً للنحاس في الولايات المتحدة الأمريكية.
  • شمال شرق آسيا: لديها نسبة كبيرة من النحاس مجهول المصدر.
  • شمال آسيا الوسطى: تتوزّع رواسب البورفير بصورة ضخمة في منغوليا وكازاخستان.
  • جنوب آسيا الوسطى وشبه الجزيرة الهندية الصينية: تمّ اكتشاف رواسب نحاسية ضخمة في هضبة التبت.
  • شرق أستراليا : تتوزّع فيها رواسب رخامية صغيرة ورواسب نحاسية عملاقة من البورفير.
  • أوروبا الشرقية وجنوب غرب آسيا: تتواجد رواسب نحاسية في أفغانستان، إضافةً إلى وجود رواسب البورفير التي تمتد على طول حزام من رومانيا عبر تركيا وإيران.
  • أوروبا الغربية: تمتلك أكبر رواسب نحاسية في العالم فيها وتحديداً في بولندا.
  • أفريقيا والشرق الأوسط: تتوزّع فيها رواسب نحاسية عملاقة على شكل حزام في وسط أفريقيا في جمهورية الكونغو الديمقراطية وزامبيا.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ أولى خطوات تعدين النحاس بتحديد مكان تواجده، فقد يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها، ففي حالة وجوده بالقرب من سطح الأرض فإنّ طريقة التعدين السطحي (بالإنجليزية: Open-Pit method) هي الأنسب لاستخراج النحاس بكميات كبيرة، بحيث تقوم آليات كبيرة بعمل حفرة وتفجير الخام، ثمّ نقل الخامات المكسورة الناتجة عن التفجير إلى مصانع خاصة عبر شاحنات كبيرة جداً يصل وزن الحمولة الواحدة فيها إلى 150 طن من الخامات.[٧]

أمّا في حال استخراج النحاس من أعماق سحيقة في الأرض، فيتمّ غرز قضبان عملاقة بشكل عمودي لأكثر من كيلومتر تحت سطح الأرض؛ وذلك لصنع أنفاق لتمرير المواد الخام من خلالها، إذ يتم حفر الأرض ورفع المواد الخام المُكسّرة عبر هذه الأنفاق إلى أعلى سطح الأرض، ثمّ نقلها إلى المصانع الخاصة لتتم معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتمّ تفجير باطن الأرض ثمّ نقل المواد الخام مُكسّرةً للأعلى.[٧]

عند الحصول على الخامات فإنه يتم استخراج النحاس منها بثلاث خطوات أساسية، وهي كالآتي:[٧]

  • معالجة المعادن: في هذه الخطوة يتمّ تحرير النحاس عن طريق إزالة المواد الأُخرى، مثل: الحجر الجيري، والسيليكا، والبيريت، وهنا ينبغي أن يحتوي الخام على 20%-30% من النحاس.
  • الصهر والترشيح: في هذه الخطوة يتمّ إزالة نسبة كبيرة من الشوائب المتعددة غير مرغوب فيها، كالحديد.
  • التكرير: في هذه الخطوة يتمّ إزالة ما تبقّى من شوائب وعناصر غير مرغوب فيها، وفي نهايتها يتمّ إنتاج النحاس بصورة نقيّة جداً تصل إلى 99.99%.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع للنحاس، وهي كالآتي:[٨]

  • النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء بحالة السخونة أو البرودة، وبالتالي يصلُح للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل: الأسلاك والكابلات، إضافةً إلى ذلك فهو يتميز بمرونة عالية ممّا يُسهل تشكيله على شكل أسلاك رفيعة مثلاً، ومن أشهر أنواعه نحاس (ETP) كما هو معروف في أميركا الشمالية أو النحاس الكهربائي (electro) كما هو معروف في غيرها من البلاد، إذ تصل موصليته من 100% إلى 101.5% وذلك حسب معيار صلابة النحاس الدولية.
  • النحاس المختزل: في هذا النوع يتمّ انتزاع الأكسجين من النحاس عن طريق إضافة نسبة من الفسفور المنصهر إليه، أو إضافة البورون في حالة السبائك، فتنتُج مادة صلبة قوية تُقاوم التآكل في حالة ملامسة الهيدروجين لها، بالتالي فهي مناسبة للكثير من الاستخدامات، مثل: إمدادات الغاز والمياه المنزلية، وأنظمة التدفئة المركزية، إضافةً إلى استخدامها في تشييد المباني وورق التسقيف، كما توسّعت استخداماته بالمباني في الوقت الحالي لتشمل الكسوة الخارجية، وألواح الجدران، وغيرها.
  • سبائك النحاس: سبائك النحاس هي سبائك غير حديدية -أي لا تحتوي على حديد-، فقد يتشكّل فيها النحاس مع مجموعة واسعة من المعادن الأُخرى، مثل: الزنك، والقصدير، والنيكل، والألومنيوم، ويتمّ الحصول على سبائك متعددة، منها ما يُبينه الجدول الآتي:
اسم السبيكة الإضافات إلى النحاس
البرونز قصدير
البرونز الفسفوري قصدير وفسفور
برونز الألومنيوم ألومنيوم
النحاس الأصفر زنك
النحاس الأحمر أو الجونميتال قصدير وزنك
النحاس النيكل نيكل
الفضة النيكل نيكل وزنك

وقد تشمل أنواع السبائك السابقة عناصر أُخرى بنسبٍ قليلة، مثل: الزرنيخ، والسيليكون، والألومنيوم، والفضة، والكادميوم، وغيرها من العناصر، بحيث تتمّ إضافتها لها بنسبٍ معيّنة حتّى تكتسب السبيكة خصائص محدّدة للاستفادة منها في العديد من الأغراض، وقد استُفيد من إضافة العناصر للسبائك منذ القِدم، ومع مرور الوقت تطوّر علم المعادن، وتم إدخال عناصر جديدة إلى السبائك، وإنتاج سبائك جديدة تصلُح في صناعة الإلكترونيات.

يوجد أنواع من السبائك شائعة الاستخدام أكثر من غيرها، ومن أشهرها ما يأتي:[٩]

  • سبيكة البرونز: تصل نسبة النحاس فيها من 88%-95%، ويُستفاد منها في صناعة العملات المعدنية، والأعمال الفنية، وفي صناعة الصَّنْج -آلة موسيقية-.
  • سبيكة البرونز والألومنيوم: تصل نسبة النحاس فيها من 74%-95%، وتمتاز بقدرتها على مقاومة التآكل؛ لذا يتمّ استخدامها في الأغراض البحرية.
  • سبيكة النحاس الأصفر: تصل نسبة النحاس فيها من 50%-90%، ويُستفاد منها في صناعة مقابض الأبواب والذخائر.
  • سبيكة النحاس والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها من 55%-90%، ويُستفاد منها في صناعة العُملات المعدنية، والآلات الموسيقية، والأغراض البحرية.
  • سبيكة الفضة والنيكل: تصل نسبة النحاس فيها إلى 60%، إلّا أنّ هذا النوع لا يحتوي على الفضة كما يوحي اسمه، ولكنّه يحتوي على عنصر شبيه له في المظهر، وتُستخدم هذه السبيكة في صناعة المجوهرات والآلات الموسيقية.
  • سبيكة النحاس والبيريليوم: تصل نسبة النحاس فيها من 97%-99.5%، وتُعتبر سبائك قوية جداً وسامّة في نفس الوقت؛ لذلك يتمّ استغلالها في بيئات الغاز الخطرة.

استخدامات النحاس

بيّنت نتائج وكالة المسح الجيولوجي الأمريكي أنّ معدن النحاس هو ثالث معدن يتم استهلاكه والاستفادة منه في العالم بعد كلٍّ من الحديد والألومنيوم، وثلاثة أرباع النحاس المستهلَك يُستفاد منه في صناعة كلّ من كابيلات الاتصالات والإلكترونيات، وصناعة الأسلاك الكهربائية،[٣] ويُقدّر استهلاك الإنتاج العالمي للنحاس في كلّ قطاع كالآتي:[١٠]

  • 65% في الكهرباء.
  • 25% في البناء.
  • 7% في النقل.
  • 3% في مجالات أُخرى.

الكهرباء

يُستخدم النحاس في صناعة الأسلاك الكهربائية بسبب موصليته العالية للكهرباء، كما أنّه يدخل في صناعة العديد من الأجهزة والأدوات الكهربائية والإلكترونية، مثل: المحولات، ومولدات الطاقة، والتلفاز، والهواتف المحمولة، وغيرها من الأجهزة، ومن أهم استخدامات النحاس في قطاع الكهرباء استخدامه في الاتصالات السلكية، حيث يتمّ صنع أسلاك دقيقة خاصة لخطوط الإنترنت المتعلقة بالشبكات المحلية، بالإضافة إلى الاستفادة من النحاس في مجال الطاقة المتجددة، تحديداً في تصنيع توربينات الرياح، والخلايا الكهروضوئية، وغيرها من الأجهزة المرتبطة بتكنولوجيا الطاقة المتجددة.[١٠]

أعمال البناء

دخل النحاس منذ القدم في مجال البناء من خلال استخدامه في بناء القباب وتزيين الأبراج، وقد استفاد المهندسون المعماريون منه في زخرفة أدوات البناء؛ حيث تمّ استخدامه في صناعة مقابض الأبواب، والأقفال، وأدوات الإضاءة، والحنفيات، كما أنّه يُستخدم في التصميم الداخلي للمستشفيات بسبب خاصيته في تثبيط نمو البكتيريا والجراثيم، ممّا يُقلّل من احتمالية انتشار الأمراض.[١٠]

أصبح النحاس يُستخدم في أنظمة الشرب والتدفئة في معظم البلدان، وصناعة أنابيب نقل المياه بسبب مقاومته للصدأ، ومن أهم تطبيقات النحاس في هذا مجال: أنظمة الري، وخطوط تغذية مياه البحر، وصناعة الأنابيب في المصانع الكيميائية، وغيرها من التطبيقات.[١٠]

المواصلات

يُستفاد من النحاس في المواصلات بسبب كفاءته في التوصيل الحراري والكهربائي، حيث يتمّ استخدامه في صنع المكونات الأساسية لجميع المواصلات التي تضم السيارات، والطائرات، والسفن، والقوارب، والقطارات، ففي السيارات يتمّ استخدام النحاس في صناعة الخطوط الهيدروليكية، والأسلاك النحاسية المتعلقة بضبط النوافذ والمرايا، وغيرها من الأدوات، كما أنّ السيارات الحديثة الهجينة تعتمد على معدن النحاس في صناعتها؛ فهي تحتوي على 25 كغ من النحاس.[١٠]

كما يتمّ استخدام النحاس في صناعة سكك القطارات، فكلّ 1 كم في المسار يحتوي على أكثر من 10 أمتار من النحاس، أمّا في الطائرات فيكون 2% من وزن الطائرة من النحاس، وفي السفن والقوارب يتمّ استخدام سبائك النحاس المختلفة في صناعة المضخات، والصمامات، والأنابيب، إضافةً إلى استخدام النحاس في صب مراوح السفن الثقيلة؛ بسبب قدرته على مقاومة التآكل في المياه المالحة.[١٠]

استخدامات أُخرى للنحاس

من الاستخدامات الأُخرى الشائعة للنحاس ما يأتي:[١٠]

  • أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية: يدخل النحاس في صناعة الأواني، والمقالي، وغيرها من أدوات الطهي، وكذلك في التطبيقات الحرارية، مثل: وحدات التبريد والتكييف، والمصارف الحرارية.
  • ساعات اليد والحائط: يُستخدم النحاس غير المغناطيسي في صناعة الدبابيس والتروس النحاسية في الساعات، إذ إنّه لا يؤثّر على عمل الأجزاء الميكانيكية الصغيرة في الساعات.
  • الأعمال الفنية: يُستخدم النحاس في صناعة الأعمال الفنية المختلفة، ويُذكر من هذه الأعمال صناعة التماثيل.
  • العملات المعدنية: كان النحاس ولا زال يُستخدم في سك العملات المعدنية.
  • الآلات الموسيقية: يدخل النحاس الأصفر في صناعة الأبواق، والساكسفونات، وغيرها من الآلات.

إعادة تدوير النحاس

يُعتبر النحاس معدناً ذا قيمة عالية يُمكن إعادة تدويره، إذ يعتمد اقتصاد صناعة النحاس والسبائك بشكل كبير على إعادة تدوير المنتجات النحاسية، وتمرّ إعادة تدويره بالمراحل الآتية:[٨]

  • الفرز: عند الحصول على النحاس يتم فرزه؛ فقد يكون النحاس خاماً، وقد يكون مطلياً أو ملحوماً، أو قد يتواجد مع معادن أُخرى تُعتبر ملوثات ينبغي التخلّص منها، وفي حال كانت نسبة الملوثات كبيرة فيتم إعادة تدوير النحاس إلى سبائك يُستفاد منها، أما إذا قلّت نسب الملوثات فيُعاد تدويره الى نحاس عالي الموصلية.
  • الصهر: بعد فرز النحاس يتمّ وضعه في أفران خاصة ذات حرارة عالية لصهره.
  • الصّب وإعادة التشكيل: يتمّ تشكيل النحاس المنصهر والاستفادة منه؛ إمّا كسبائك أو كنحاس عالي الموصلية، وفي هذه المرحلة يُمكن صبّ النحاس على شكل أنود -قطب سالب أو مهبط- والاستفادة منه كهربائياً، مع التخلّص من نسبة كبيرة من الشوائب حتّى يكون ذا كفاءة عالية.

مركبات النحاس

من المركبات التي تشتمل على معدن النحاس ما يأتي:[٧]

  • الأكاسيد: (بالإنجليزية: Oxides)، تشمل على أكسيد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي Cu2O، وهو عبارة عن مادة بلورية لونها أحمر تُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأحمر وفي الدهانات المانعة للتعفّن، كما تشمل الأكاسيد على أكسيد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuO، وهو عبارة عن مسحوق لونه أسود يُستخدم في تلوين الزجاج باللون الأخضر.
  • الهاليدات: (بالإنجليزية: Halides)، تشمل على كلوريد النحاس الأحادي ورمزه الكيميائي CuCl، والذي يُستخدم في تحليل الغاز، كما تشمل على كلوريد النحاس الثنائي ورمزه الكيميائي CuCl2، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الأصباغ.
  • الكبريتات: (بالإنجليزية: Sulfates)، تضم كبريتات النحاس الثنائي CuSO4 ذات اللون الأزرق الساطع، والمستخدمة في صناعة الأصباغ.
  • الكربونات: (بالإنجليزية: Carbonates)، تشمل على كربونات النحاس، و قد يكون لونها أخضر أو أزرق ساطعاً، وتُستخدم في تحضير الأصباغ.
  • مركبات أُخرى: مثل نترات النحاس الثنائي ذات الرمز الكيميائي Cu (NO3) 2، وسيليكات النحاس، والمركبات التي تضم بعض أملاح النحاس مع الزرنيخ ذات اللون أخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المبيدات الحشرية لأنّها مركبات سامة.

معلومات عامة عن النحاس

من المعلومات الأُخرى المتعلقة بعنصر النحاس ما يأتي:[٩]

  • يتكوّن تمثال الحرية في معظمه من النحاس، حيث يحتوي على 28122.73 كيلو جرام من النحاس، وبسبب تعرضه للأكسجين في الهواء الجوي وتفاعله معه لأكثر من 20 عاماً فقد تحوّل لونه إلى الأخضر الباهت بسبب الباتينا أو صدأ النحاس.
  • تمّ استخراج النحاس النقي تماماً في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صُنع الأدوات المختلفة والأسلحة.
  • اشتُقت كلمة نحاس (Copper) من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) والتي تعني معدناً من قبرص، وذلك لأنّ معظم كميات النحاس كانت تُستخرج من قبرص في ذلك الوقت، وذلك وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.[٣]
  • تحتوي الصخور البركانية النارية على حوالي ثلثي النحاس في الكرة الأرضية، أمّا الصخور الرسوبية فتحتوي على حوالي الربع، وذلك وفقاً لوكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.[٣]
  • تحتوي جبال الأنديز على نسبة كبيرة جداً من النحاس، حيث تمّ استخراج النحاس منها بنسبة 45% من النحاس الموجود في العالم عام 2007م.[٤]
  • يتوافر النحاس في جميع بلدان العالم.[٤]

مزايا النُّحاس وعيوبه

إنّ الموصلية الكهربائية العالية لهذا المعدن الذي يأتي في المرتبة الثانية -بعد الفضة- في قائمة المعادن الأكثر موصلية، ووفرته في الطبيعة وانخفاض كلفته، بالإضافة إلى كونه معدناً يحمل خصائص مضادة للميكروبات، وهو الأمر الذي يقلل من العبء الجرثومي للأسطح والأجسام، كل ذلك يُعدُّ من المزايا التي رشحته لأن يكون معدناً مستخدماً في الكثير من ميادين الحياة اليومية، إلّا أنّ مما يُعاب على معدن النّحاس هو أكسدته التي تتسبب في تحويل لونه إلى الأخضر عند تعرضه للماء أو الهواء مما يؤثر على جودة مظهره.[٣]

المراجع

  1. ^ أ ب ت Robert J. Lancashire (27-10-2015), “Copper Chemistry”، wwwchem.uwimona.edu.jm, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  2. ^ أ ب TERENCE BELL (26-3-2018), “Learn About Copper”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  3. ^ أ ب ت ث ج ح خ د Stephanie Pappas (12-9-2018), “Facts About Copper”، www.livescience.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث “Facts About Copper”, geology.com/usgs, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  5. ^ أ ب Anne Marie Helmenstine (3-7-2019), “Copper Facts: Chemical and Physical Properties”، www.thoughtco.com, Retrieved 12-9-2019. Edited.
  6. ^ أ ب “Copper”, www.britannica.com,6-9-2019، Retrieved 12-10-2019. Edited.
  7. ^ أ ب ت ث ج Albert Wilbur Schlechten, Allison Butts, John Campbell Taylor, “Copper processing”، www.britannica.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  8. ^ أ ب Vin Calcutt (8-2001), “Types of Copper”، www.copper.org, Retrieved 13-10-2019. Edited.
  9. ^ أ ب RYAN WOJES (17-1-2019), “A Basic Primer on Copper, the Red Metal”، www.thebalance.com, Retrieved 12-10-2019. Edited.
  10. ^ أ ب ت ث ج ح خ TERENCE BELL (25-6-2019), “Copper and Its Common Uses”، www.thebalance.com, Retrieved 13-10-2019. Edited.

20 فبراير، 2021
0 3 12 دقائق

مقالات ذات صلة

صورة جديد بحث عن طرق انتقال الحرارة

جديد بحث عن طرق انتقال الحرارة

23 فبراير، 2021
صورة جديد لماذا ندرس علم الأحياء

جديد لماذا ندرس علم الأحياء

27 مارس، 2021
صورة لماذا سمي مذنب هالي بهذا الاسم

لماذا سمي مذنب هالي بهذا الاسم

24 أبريل، 2021
صورة ما هي عناصر المناخ

ما هي عناصر المناخ

19 فبراير، 2021

اترك تعليقاً

© حقوق النشر 2024، جميع الحقوق محفوظة   |   DMCA.com Protection Status
زر الذهاب إلى الأعلى