النحاس ( Copper )
☰ جدول المحتويات
النّحاسظل لأكثر من 7,000 عام واحدًا من أكثر الفلزات فائدة. واليوم تتفاوت استخدامات هذا الفلز ذي اللون البرتقالي المحمر، من عمليات الصرف الصحي بالمنازل إلى نظم التوجيه الإلكتروني الكهربائي لصواريخ الفضاء. ورمزه الكيميائي Cu.
والنحاس أفضل موصل كهربائي قليل التكلفة مما جعل صناعة الكهرباء تستخدم ستة أعشاٍر المنتج من النحاس تقريباً أساساً في شكل أسلاك. وتحمل أسلاك النحاس أغلب التيار الكهربائي إلى البيوت والمصانع والمكاتب. وتستخدم كميات كبيرة من أسلاك النحاس في الهواتف، ونظم البرق، وكذلك في الأجهزة التلفازية، والسيارات، والمولدات وفي أنواع أخرى من المعدات الكهربائية والآلات.
ويكون النحاس سبائك مثل سبيكة البرونز والصُّفْر (النحاس الأصفر) عند خلطه مع فلزات أخرى. ★ تَصَفح: الصفر. وبالإمكان تصنيع النحاس وسبائكه لآلاف من الأصناف والمواد الزخرفية المفيدة. وفي المنازل، نجد النحاس مستخدماً مادة مثبتة للضوء، وفي الأقفال، والمواسير، وتثبيت الرصاص وفي مقابض الأبواب وأيادي الأدراج، والشمعدانات، والساعات. والمنتجات النحاسية الأخرى الشائعة الاستعمال هي المصابيح، وصناديق البريد، والقدور، والأوعية المعدنية والمجوهرات.
وتساعد مركبات النحاس الكيميائية في تحسين التربة والقضاء على الحشرات الضارة.كما تستخدم هذه المركبات في الدهانات وتساعد على حماية المواد ضد التآكل. كما أن للكميات القليلة من النحاس أهمية حيوية لحياة كل النباتات والحيوانات.
كانت جزيرة قبرص في الزمن القديم المصدر الرئيسي للنحاس للسكان قرب البحر الأبيض المتوسط، ولذلك أصبح يعرف الفلز باسم الفلز القبرصي.
خواص النحاس
خواص النحاس الطبيعية تجعل منه فلزًا ذا قيمة في الصناعة. هذه الخواص تشمل: 1- التوصيل 2- قابلية الطرق 3- اللدونة، أي القابلية للسحب و4- مقاومة التآكل.
التوصيل:
أفضل ماعرف عن النحاس مقدرته على توصيل الكهرباء. ويفوقه في ذلك الفضة فقط، إلا أنّ غلاء الفضة يحد من استعمالها على نطاق واسع. وسبائك النحاس أقل مقدرة في التوصيل من النحاس النقي.كما تقلل الشوائب في النحاس المنقى كثيراً من مقدرة التوصيل الكهربائي. فوجود ما قدره 0,05% من الخارصين، مثلاً، يقلل التوصيل الكهربائي للنحاس بنسبة 15%. والنحاس موصّل ممتاز للحرارة، وهي خاصية تجعله مفيداً في أدوات الطبخ، وشبكات الأنابيب والثلاجات.قابلية الطرق:
للنحاس النقي قابلية عالية للطرق (سهولة التشكيل). فهو لايتشقق عند الطرق أو الختم أو الحدادة أو الضغط أو التشكيل لأشكال غير معهودة. ويمكن تشكيل النحاس على البارد أو الساخن، ويمكن لفّه في شكل ألواح بِسُمْك أقل من 0,05 ملم. واللف على البارد يغير من خواص النحاس الطبيعية، ويزيد من قوته.اللدونة (القابلية للسحب):
للنحاس لدونة عالية، وهي قابليته للسحب لأسلاك رفيعة دون أن ينكسر. فمثلاً، يمكن تسخين قضيب من النحاس قطره 1 سم، ولفه وسحبه إلى أسلاك دائرية أدق في السمك من شعرة الإنسان.مقاومة التآكل:
للنحاس مقاومة عالية للتآكل ،وهو لا يصدأ ويتغير في الهواء الرطب من اللون البرتقالي المحمر إلى البني المحمر. وبعد التعرض الطويل، يغطى النحاس بغشاء أخضر يسمى الزنجار يحميه من مزيد من التآكل.خواص أخرى:
العدد الذري للنحاس 29، والوزن الذري 63,546، وهو ينصهر عند درجة حرارة 1083,4°م ويغلي عند درجة حرارة 2,576°م وكثافته 8,96 جم لكل سم§ وذلك عند درجة الحرارة 20°م. ★ تَصَفح: الكثافة. وهو أثقل من الحديد بنسبة 14%. وللنحاس الملفوف على البارد مقاومة للشد، تتراوح بين 3,500 و4,900كجم لكل سم². ويحتفظ النحاس بقوته ومتانته حتى درجة الحرارة 204°م تقريباً.خامات النحاس
يأتي أغلب النحاس من حوالي سبعة أنواع من الخامات. وقد تحتوي هذه الخامات على فلزات أخرى أيضاً مثل الرصاص والزنك، والذهب، والكوبالت، والبلاتين، والنيكل. وعادة ما تحتوي الخامات على نسبه أقل من 4% من النحاس، وبعضها ينتج 0,2% من النحاس.
الخام الرئيسي للنحاس هو الكبريتيدات (مركبات كبريتية) وتضم البورنيت، والكلكوسيت والكلكوبيريت أو كبريتيد النحاس. كما أن الخامات المؤكسدة مثل الأزوريت (نيلة) والكيوبريت، والملكيت، تنتج كميات كثيرة من النحاس. والنحاس النقي المسمى النحاس الطبيعي، من النادر وجوده في الطبيعة، ويمدنا بنسبة مئوية قليلة من الإنتاج الكُلي للنحاس العالمي.
مصادر النحاس
 |
الدول الرائدة في إنتاج النحاس |
وتعتبر بيرو وبولندا وزامبيا من أهم منتجي النحاس. وتوجد ترسبات هائلة من خام النحاس في أستراليا والصين والمكسيك والكونغو الديمقراطية (زائير سابقًا).
الحصول على النحاس من الخام
 |
 كيف ينتج فلز النحاس |
الطحن:
يـبدأ الطحن في الكسارة حيث يجرش الخام إلى قطع صغيرة، ثم يضاف الماء إلى الخام المجروش ليكون خليطاً شبيهاً بالحساء يسمى رزغة. وتمرر الرزغة في مطاحن الكرات وهي أسطوانات في شكل براميل دوارة ممتلئة إلى نصف سعتها بكرات حديدية. وأثناء دوران الأسطوانات، فإن الكرات تجرش الخام إلى جسيمات بحجم صغير كاف لتمريرها من خلال غربال به 1,600 فتحة لكل سم². وتعرض الرزغة بعد ذلك لعملية التعويم التي تقوم بتركيز الجسيمات الحاملة للمادة المعدنية. وتمر الرزغة أولاً في حاويات تسمى خلايا التعويم وهناك تضاف الكيميائيات والزيت ويحرك الخليط كله بوساطة مجاديف أو بالهواء المنبثق من خراطيم ضيقة لتجعله مثيراً للفقاقيع. وأحد الكيميائيات يثبت الفقاقيع، بينما تغطي مادة كيميائية أخرى جسيمات المعدن، بحيث تمكنها من الالتصاق بالفقاقيع. وتطفو الفقاقيع مع جسيمات المعدن إلى سطح الخلية مكونة رغوة. ثم تقشط هذه الرغوة، وتجفف ويسمى الناتج بركازة النحاس، وربما تحتوي ما بين 15 و33% من وزنها نحاسًا. أما النفايات، وتسمى بقايا، فلا تلتصق بالفقاقيع وتفرغ من الجزء الأسفل للخلية.الصهر:
يزيل الصهر أغلب الشوائب المتبقية بعيداً عن النحاس. في عملية الصهر، تذهب ركازة النحاس (في وجود الهواء والأكسجين النقي) أولاً خلال فرن عاكس. وهذا النوع من الأفران قد يعالج ما مقداره 2700 طن متري من خلاصة النحاس في اليوم. وتسلط حجرة وقود في طرف الفرن اللهب على الخلاصة لتحولها إلى كتلة تغلي. وتساعد الحرارة في التخلص من بعض الشوائب في شكل غاز ثاني أكسيد الكبريت وتترسب المادة المنصهرة في قاع الفرن. أما الشوائب الأخرى فترتفع إلى أعلى هذه الكتلة المنصهرة، مكونة خبثاً يتألف أساساً من أكسيد الحديد والسليكا ثم يقشط الخبث ويتخلص منه. أما الخليط الجديد المسمى المت فيحتوي على 50 إلى 75% نحاسًا. ويظل محتوياً على شوائب في شكل كبريتيد الحديد وفلزات أخرى.ويؤخذ المت في المرحلة الثانية إلى محول، حيث تعمل مضخات على ضغط الهواء خلال المت المنصهر، وتضاف السليكا التي تأتلف مع الشوائب لتكوّن خبثاً. هذا الخبث يقشط من الطبقة العليا، ويسمى الخليط الجديد نحاسًا منفطًا، وذلك بسبب أن سطح النحاس يتنفط أثناء تبريده. ويحتوي هذا النحاس على 97 إلى 99,5% من النحاس النقي.
وتتم تنقية النحاس المنفط في فرن تنقية. وهذا الفرن يزيل أغلب الشوائب المتبقية وخاصة الأكسجين. وفي العملية المسماة بالتنقية بالصُّعد أو الإرجاع، فإن غازات طبيعية تدفع إلى داخل الفرن المحتوي على النحاس المنصهر. وعندما تحترق الغازات الطبيعية ينزع الأكسجين والغازات الأخرى من النحاس الناتج عن هذه العملية فيكون بنقاوة 99,9%.
الاستخلاص بالإذابة:
(النض أو التصويل). تستخدم هذه الطريقة لاستخلاص الفلز من خامه بوساطة مذيب كيميائي. فيتم استخلاص النحاس من الخامات التي لا تتفاعل مع الكيميائيات المستخدمة في عملية الطفو. وفي عملية الاستخلاص بالإذابة هذه، فإن الماء المحتوي على حمض الكبريتيك، أو الكيميائيات الأخرى، ينتشر خلال الخام، ويذيب النحاس. يُمزج المحلول بمذيب من الكيروسين يحتوي بعض المواد الكيميائية التي تستخلص النحاس. ينفصل المزيج ويسيل النحاس مع المواد الكيميائية في محلول حمض الكبريتيك. يتم وضع المحلول في صهريج لإجراء عملية الاستخلاص الكهروكيميائي التي تشبه عملية التنقية الكهربائية. النحاس الناتج من هذه العملية يكون بنقاوة 99,9%.التنقية الكهربائية:
يجب أن يُنقى النحاس المستخدم في الموصلات الكهربائيه إلى درجة نقاء أعلى من 99,9%. ومن أجل ذلك، يصب ويسبك النحاس النفطة في قوالب بمساحة 90سم² وسمك 8سم لقطع كعكية، وتؤدي هذه القطع دور المصعد (القطب الموجب) في العملية الإلكتروليتية. ولمزيد من القواعد الكيميائية الداخلة في هذه العملية، ★ تَصَفح: التحليل الكهربائي.توضع الأقطاب الموجبة داخل أحواض محتوية على محلول كبريتات النحاس، وحمض الكبريتيك، وتفصل تبادلياً بأقطاب سالبة (مهابط)، وهي ألواح رفيعة من النحاس النقي تسمى الألواح البادئة. وعندما يمر التيار الكهربائي من خلال الحوض تذوب المصاعد تدريجياً، مرسبة نحاساً بنقاوة 99,9% على المهابط. وأغلب الشوائب المتبقية في الأقطاب الموجبة تستقر في قاع الحوض مكونة راسباً طينياً. ويستخدم العاملون في تعدين النحاس طرقاً عدة لاستخلاص كميات ضئيلة من الذهب والفضة والبلاتين وفلزات أخرى من الراسب الطيني. وبعد عملية التحليل الكهربائي، تصهر المهابط النحاسية في فرن كهربائي، وتسبك في أشكال وأحجام متعددة مثل، القضبان، والكعكات والقطع والكتل.
تصنيع المنتجات النحاسية
تنتج المنشآت الصناعية، مثل مصانع النحاس الأصفر (الصفر) والأسلاك، أشكالاً نصف مصنعة منها الألواح والأنابيب، والأسلاك، والقضبان. وتصنع هذه الأشكال من القضبان والكعكات، والكتل والقطع النحاسية، ويشتريها مصنعو منتجات النحاس.
ألواح النحاس:
تصنع من كعكات النحاس ذات المقاسات 64 سم عرضًا و20 سم سمكًا و183 سم طولاً. وتسخن هذه الكعكات في فرن عند درجة حرارة 926°م ثم تلف على آلة دوارة على درجة عالية من الحرارة في شكل ألواح بسمك 13ملم، وتقوم آلات بتسوية الألواح للسمك المطلوب. ثم تقطع الألواح قطعًا بالأحجام المطلوبة لصنع منتجات مثل ألواح السقف وأواني الطبخ، وألواح الحفر الضوئي (حفر الكليشيهات). ★ تَصَفح: الحفر. |
أواني المطبخ المصنوعة من النحاس تستخدم على نطاق واسع، فالنحاس موصل جيد للحرارة، ويتحمل درجات حرارة عالية. |
أنابيب النحاس:
تصنع من كتل النحاس التي تتفاوت في نصف قطرها من ثمانية إلى 23سم، أما طولها فقد يبلغ 132سم. يسخن العمال الكتل في فرن ويثقبونها لتعطي أنبوباً خشناً، وتضغط هياكل الأنابيب خلال قوالب وأجهزة أخرى لصنع أنابيب الحجم المطلوب. وتستخدم هذه الأنابيب لصنع أنابيب الصرف الصحي، وخطوط الغاز بالمنازل والقنوات والأنابيب الكهربائية.الأسلاك النحاسية:
تصنع بعد صب المهابط النحاسية المنصهرة على هيئة قضبان عرضها 10سم وسمكها 7,5سم، تسوى القضبان في آلة دوارة لتكون بسمك 6ملم وتسحب بعد ذلك من خلال قوالب آلات سحب الأسلاك، وتشكل هذه القوالب القضبان إلى الأحجام المطلوبة. وتستخدم أغلب الأسلاك النحاسية لأغراض نقل التيار الكهربائي.النحاس المنكبس:
يكبس (ينبثق) النحاس أحياناً من خلال فتحة في قالب ليكون أشكالاً معينة، ويمكن أن ينبثق أيضاً في شكل قضبان وأنابيب، وأشكال أخرى خاصة، ويصنع منها المفصلات ومقابض الأبواب وأدوات معدنية أخرى.نبذة تاريخية
النحاس واحد من أوائل الفلزات التي عرفتها البشرية. وقد دخل في الاستخدام لأن أوائل البشر وجدوه في حالته النقية، وتمكنوا من طرقه بسهولة لصناعة الأدوات والأسلحة والحُلي.
الحضارات القديمة:
من المحتمل أن أول استخدام للنحاس كان عام 8000ق.م. بوساطة السكان على ضفاف نهري الفرات ودجلة، حيث يقع العراق اليوم. وقد عرفت شعوب الشرق الأوسط منذ سنة 5000 ق.م. كيف تطرُق النحاس النقي، وتحوله لألواح تصنع منها الأدوات، والحُلي. واستخدم كثير من الشعوب النحاس لاحقاً من بينهم الصينيّون، والهنود الأمريكيون.وبحلول عام 3500 ق.م. تقريباً، اكتشف الناس كيف يصهر النحاس ويسبك مع الزرنيخ، لصنع البرونز. وتعلموا في الفترة الزمنية نفسها تقريباً كيف ينقون النحاس من الخام بالصهر. ومنذ عام 3000ق.م تقريباً إلى القرن الثاني عشر قبل الميلاد، أصبح البرونز المصنوع من القصدير بدلاً من الزرنيخ مهمًا. ★ تَصَفح: العصر البرونزي. أما عملية خلط الزنك مع النحاس لصنع النحاس الأصفر (الصفر) فقد يكون اكتشافه قد تم مابين القرنين الحادي عشر والسابع قبل الميلاد. واستخدم الرومان النحاس الأصفر في سك العملة في القرن الثاني قبل الميلاد.
التطورات الصناعية:
منذ أزمان ممعنة في القدم وحتّى القرن التاسع عشر الميلادي، توفرت خامات نحاس من نوعية ممتازة وبكميات وافرة. ولم تتغير طرق معالجة واستخدام النحاس إلا قليلاً. وفي أواخر القرن التاسع عشر الميلادي، أدى النمو المطرد في نظم الإضاءة الكهربائية والهاتف والبرق إلى زيادة كبيرة في الطلب على النحاس، الشيء الذي لم تؤمنه المصادر المتضائلة من الخامات عالية الجودة.كما أن أغلب مصادر النحاس النقي قد استهلكت.حدد الجيولوجيون مواقع شاسعة للخام في الولايات المتحدة وتشيلي، إلا أن محتوياته من النحاس كانت ضئيلة، بحيث لم تكن معالجته ذات عائد اقتصادي. وفي حوالي عام 1900م، أدرك مهندس التنقيب الأمريكي دانيال س. جاكلينغ أن الخامات ذات الجودة المتدنية، يمكن معالجتها بتكلفة قليلة، وذلك باستخدام طرق الإنتاج بالجملة. وكانت طريقته تشمل استخدام جرافات بخارية لتعرية سطح الصخر. وقد استخدمت أجهزة أخرى خاصة بالإنتاج بالجملة في عمليتي الصهر والتنقية. وقد أدت التقنيات الجديدة لفصل النحاس عن الخام إلى إزدياد في العرض للنحاس المتوفر.