النحاس يرمز له (نح) فلزCopper يرمز له بـ (Cu) عدده الذري 29, ووزنه الذري 63,54 ، كثافته 8,95 ، ونقطة أنصهاره 1083 درجة مئوية, ونقطة غليانه 2310 درجة مئوية, وتكافؤه 1و2.

يوجد في الطبيعة بصورة منفردة اومتحدة على شكل أكاسيد, ينقى بالتحليل الكهربائي، والنحاس مادة لينة القوام قابلة للطرق تتفاعل مع الجومكونة نوع من الصدأ يعهد بأوكسيد النحاس لونها أخضر وهي مادة سامة, والنحاس عموما بطئ التفاعل مع الحوامض المخففة.

يعتبر النحاس من اقدم المعادن التي اكتشفها الانسان القديم وطوعا لاستخداماته المتنوعة.

النحاس مادة جيدة للتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي, لذا تصنع منه المبادلات الحرارية والاسلاك والتوصيلات الكهربائية, كذلك يستخدم النحاس في خلق البطاريات والعدات الكهربائية والصناعية وأوعية الطهي.

يدخل النحاس في هجريب الكثير من السبائك حيث يضاف مثلا للمضى بكميات قليلة لاعطاء المضى الصلادة الكافية في تصنيع المخشلات, وتصنع منه العملات المعدنية كعملة نحاسية أويدخل ضمن السبائك, يدخل في صناعة البرونز (سبيكة), وكذلك قي صناعة الأعتدة الحربية, وبعض الأجهزة والمعدات الموسيقية.

الوصف

معدن ذولون أصفر ضارب إلى الحمرة, وهويقع في الفصيلة IB (أوالفصيلة 11) في الجدول الدوري. وتضم هذه الفصيلة معدني الفضة والمضى إضافة إلى النحاس[الجدول الدوري]؛ تحوي ذرته في طبقتها الإلكترونية الخارجية إلكتروناً S واحداً مع إشباع المدارات d في الطبقة الداخلية، فيكون أحادي التكافؤ، مثل عناصر الفصيلة IA إلا حتى إلكتروناً من الطبقة d ما قبل الأخيرة يصبح إلكترون تكافؤ لتقارب سويات طاقة الإلكترونات d والإلكترونات الخارجية S، فيأخذ النحاس إضافة إلى درجة الأكسدة +1 درجة الأكسدة +2 وهي درجة الأكسدة الأثبت، وتصبح عندئذ الطبقة الداخلية فيه غير مكتملة، ويدخل في عداد المعادن الانتنطقية[[[ر:]] المعدن].

تاريخ إستعمال النحاس

استُحصِل النحاس منذ عصور ما قبل التاريخ، ومن المحتمل حتىقد يكون من بين أول العناصر التي استخدمها الإنسان، ويعود ذلك لعدّة أسباب:

ـ وجوده حراً ونقياً في الطبيعة.

ـ الألوان البراقة والمميزة لفلزات النحاس التي لا يمكن تجاهلها، ويسهل تعرّفها.

ـ سهولة إرجاع فلزاته إلى معدن النحاس.

ـ وجوده في بقاع كثيرة من الأرض.

ـ ليّن يمكن بسهولة تشكيله لأغراض منزلية أولصناعة الحلي.

ـ استخدم الإنسان القديم البرونز bronze وهوسبيكة (خليطة) قصدير ونحاس.

وكان النحاس أول معدن يلين لإستخدام الإنسان فيما نفهم ؛ فنجده في مسكن من مساكن البحيرة عند روبتهاوزن في سويسره ، ويرجع ذلك إلى سنة 6000 ق.م تقريباً. ونجده أيضاً في أرض الجزيرة بين دجلة والفرات من عهد ما قبل التاريخ ، ويرجع إلى سنة 4500 ق.م تقريبا ؛ ثم نجده في مقابر البداري في مصر ، ويرجع عهده إلى ما يقرب من سنة 4000 ق.م ، ونجده كذلك في آثار أور التي ترجع إلى سنة 3100 قبل الميلاد تقريباً ، وفي آثار بناة الجبال في أمريكا الشمالية ، التي ترجع إلى عصر لا نستطيع تحديده. وليست تقع بداية عصر المعادن عند تأريخ إكتشافها بل يبدأ ذلك العصر بتحوير المعادن بواسطة النار والطَّرق بحيث تلائم غايات الإنسان ؛ ويعتقد فهماء المعادن حتى أول إستعدان للنحاس من مناجمه الحجرية اتى بعمل المصادفة حين أذابت نارُ أوقدها الناس ليستدفئوا، نحاساً كان لاصقا بالأحجار التي أحاطوا بها النار ؛ ولقد لوحظت أمثال هذه المصادفة مراراً في اجتماعات البدائيين حول نارهم في عصرنا هذا؛ ومن الجائز حتى تكون هذه الحادثة العابرة هي التي أدت بالإنسان الأول في نهاية الأمر- بعد تكرارها مرات كثيرة- ذلك الإنسان الذي لبث أمداً طويلا لا يساوره القلق في إستعمال الحجر الأصم الصليب ، حتى يجعل من هذه المادة المرنة عنصراً يتخذ منه آلاته وأسلحته ، لأنها أيسر من الحجر صياغة وأدوم بقاء ؛ والأغلب حتىقد يكون المعدن قد أستعمل بادئ ذي بدء بالصورة التي قدمته عليها يد الطبيعة ، وإنها لَيَدٌ فيها سخاء وبها إهمال في آن واحد؛ فكان نقيا حينا، مشوبا في معظم الأحيان ثم وقع بعد ذلك بزمن طويل- وربما كان ذلك حول سنة 3500 ق.م- في المنطقة التي تحيط بالطرف الشرقي من البحر الأبيض المتوسط ، حتى سقط الناس على فن صهر المعادن وإستخراجها من مناجمها؛ ثم بدءوا في صبهّا نحوسنة 1500 ق.م "كما تدل على ذلك النقوش البارزة في مقبرة رخ- مارا في مصر)؛ فكانوا يصبّون النحاس المصهور في إناء من الطين أوالرمل ، ثم يهجرونه يبرد على صورة يريدونها ، مثل رأس الرمح أوالفأس ؛ فلما حتى كشف الإنسان عن هذه العملية في النحاس ، استخدمها في مجموعة منوَّعة من المعادن الأخرى ؛ وبهذا توفر للإنسان من العناصر القوية ما إستطاع به حتى يبني أعظم ما يعهد من ضروب الصناعة ، وتهيأ له الطريق إلى غزوالأرض والبحر والهواء؛ ومن الجائز حتى تكون كثرة النحاس في شرقي البحر الأبيض المتوسط هي التي سبَّبَت قيام ثقافات جديدة قوية في الألف الرابع من السنين قبل الميلاد ، في عيلام وما بين النهرين ومصر ، ثم إمتدت من هاتيك الأصقاع إلى سائر أجزاء المعمورة فبدّلتها حالا بعد حال.

اتى العصر البرونزي بعد العصر الحجري. واستخدم المصريون القدماء مركّبات النحاس لتلوين الزجاج منذ 15000 عام قبل الميلاد، ومن المعتقد أنهم أول من استخلص النحاس منذ خمسة آلاف سنة على الأقل. فقد عثر بالتحليل حتى الآنية القديمة التي صنعوها كانت من النحاس الخالص، وليس من سبائكه. وفي عام 400 ق.م انتقلت هذه المعلومات إلى أوربا وخاصة في منطقة سوانزي جنوب مقاطعة ويلز بالمملكة المتحدة.

غير حتى النحاس وحده ليّن ، فهوعلى الرغم من شدة صلاحيته للتشكيل مما ينفع في تحقيق طائفة من أغراضنا "ماذا كان يصنع عصرنا الكهربائي بغير نحاس؟" إلا أنه أضعف من حتى يحتمل مهام السلم والحرب التي تتطلب معدنا أقوى ؛ لهذا كان لابد من عنصر آخر يضاف إلى النحاس ليشدّ من صلابته ؛ ورغم حتى الطبيعة قد أشارت إلى الإنسان بما عسى حتى يضيفه إلى النحاس لهذه الغاية من مواد كثيرة الأنواع ، بل إذا الطبيعة كثيراً ما قدمت له نحاسا تم بالعمل خلطه وإشتدت صلابته بما فيه من قصدير وزنك ، مكونّةً بذلك برونزاً طبيعيا أونحاسا أصفر ، على رغم هذه المعونة من الطبيعة ، فقد لبث الإنسان- فيما نظن- قرونا قبل حتى يخطوالمستوى الثانية في هذا الصدد ؛ وأعني بها خلط معدن بمعدن خلطا مدبرَّا مقصودا للحصول على مركبات أصلح لأغراضه.

الأهمية الغذائية للنحاس

يحتوي الجسم على كمية من النحاس لا تقل عن 100 ملجم؛ تساعد في الوقاية من فقر الدم المعروف بالأنيميا ، كما يدخل في هجريب بعض الأنزيمات ، ونقصه يؤدي إلى اضطراب النمو، وفقر الدم ويمكن الحصول عليه من اللحوم وصفار البيض والفواكه والخضار.

الاستخدامات الصناعية للنحاس ومركباته

من استخدامات النحاس المهمة صناعة أسلاك الكهرباء إذ يستهلك حوالي 40% من النحاس المنتج في العالم سنوياً في هذا المجال ، ونظراً لارتفاع الحرارة النوعية للنحاس فإنه يستعمل كوسيط لنقل الحرارة في عمليات التسخين والتبريد.

سبائك النحاس

الصفر (النحاس الأصفر)

يدخل النحاس في صناعة أنواع متعددة جداً من السبائك منها ما يلي:

• النحاس الأصفر (Brass): وهوسبيكة من النحاس والخارصين أو يسمى الزنك ، والنحاس الأصفر مقاوم للعوامل الجوية والمواد الكميائية ويمكن صبه وتلميعه، كما حتى له ألواناً تتراوح من الأحمر إلى الأصفر إلى الأبيض حسب نسبة الخارصين فيه ، ويستخدم في التوصيلات الكهربائية وفي خلق السخانات والغلايات.
• البرونز ( Bronze ): وهوسبيكة من النحاس والقصدير ، ويتميز بأنه مقاوم للمواد الكميائية وشديد الصلابة، وتتكون بإضافة القصدير بنسبة 40% مما يجعلها تتصف بالمرونة.

هناك سبائك نحاسية كثيرة يختلف هجريبها باختلاف الوظائف التي تصنع لتأديتها والتي تختلف خصائصها حسب العناصر المكونة للسبيكة.

الانتاج

يتم تنقيبعشرة ملايين طن متري من النحاس تقريبًا كّل عام في جميع أنحاء العالم. وفي جميع قارة مناجم (ترسبات) نحاس. وأغلب النحاس العالمي يأتي من سلسلة الجبال الممتدة من ألاسكا إلى طرف أمريكا الجنوبية. وفي بعض الأماكن، يستخرج عمال المناجم خام النحاس من مناجم بعيدة عن سطح الأرض، وفي أماكن أخرى، يزيحونه من حفر كبيرة مكشوفة على السطح. وفي التعدين المكشوف تزيح الجرافات الضخمة أوآلات أخرى الخام من "درجات" واسعة، ترتفع إلى 12 أو21 مترًا. وتعدُّ تشيلي أكبر دولة منتجة للنحاس في العالم، حيث المناجم الضخمة بالقرب من سانتياجووفي صحراء أتاكاما، تمثل المصدر لأغلب الناتج الوطني الإجمالي. وتنتج تشيلي نحوربع إنتاج العالم من النحاس. وتأتي الولايات المتحدة في المرتبة الثانية حيث تنتج نحوخمس إنتاج العالم من النحاس. ويأتي ثلثا الناتج للولايات المتحدة من أريزونا. وتستورد الولايات المتحدة النحاس إذ إنها تستهلك من النحاس أكثر مما تنتجه. وتأتي كندا في المرتبة الثالثة من حيث الإنتاج، حيث تنتج أقل من عُشْر إنتاج العالم من النحاس. ويأتي أغلب نحاسها من كولومبيا البريطانية، وأونتاريو.

وتعتبر بيرووبولندا وزامبيا من أبرز منتجي النحاس. وتوجد ترسبات هائلة من خام النحاس في أستراليا والصين والمكسيك والكونغوالديمقراطية (زائير سابقًا).

In 2005, Chile was the top mine producer of copper with at least one-third world share followed by the USA, Indonesia and Peru, reports the British Geological Survey.

الحصول على النحاس من الخام

يتم استخلاص النحاس من خاماته بالطرق الحرارية كما هومشروح في شكل 12، ويتم ذلك على مراحل: هجريز معادن النحاس الموجودة في الخامة، والتحميص إذا كانت له ضرورة، والصهارة (الصهر) إلى مخلوط كبريتيدى، ثم تحويل المخلوط الكبريتيدى إلى نحاس مُبَثَّر. وينقى النحاس المبثر زيادة على ذلك لإنتاج الرُتَب التجارية. وقد استدعت معدلات الإنتاج المتزايدة استخدام درجات حرارة تشغيل أعلى، وصاحب ذلك ازدياد في فاعلية التفاعلات الكيميائية، وكبر أحجام الفلز والخبث والغازات الناتجة.

في مسقط المنجم، تحمل الجرافات خام النحاس غالبا في شكل صخور جلمودية كبيرة في الشاحنات، وعربات السكة الحديدية. وتحمل هذه الناقلات الخام إلى المطاحن، أوالمصاهر. ولايعامل جميع الخام بالطرق نفسها؛ فهناك اختلافات تعتمد على نوعية الخام. وعلى جميع حال، فإن طرق استخلاص النحاس قد صممت لفصل مواد المعادن النفيسة من الخام، ونفايات الصخور، ولاستخلاص النحاس، وأي فلزات أخرى قد توجد في الخليط الناتج، وكذلك لتنقية الفلزات المنتجة. والطريقة المتبعة حتى يرسل الخام إلى المطحنة، حيث تفتت وتزال النفايات الصخرية، وترسل المواد الناتجة إلى المصهر، حيث يفصل النحاس الفلزي الذي قد يحتوي على فلزات أخرى، مثل المضى، والفضة والنيكل التي يجب حتى تزال بالتنقية.

الطحن

يـبدأ الطحن في الكسارة حيث يجرش الخام إلى بتر 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 بهجريز الجسيمات الحاملة للمادة المعدنية. وتمر الرزغة أولاً في حاويات تسمى خلايا التعويم وهناك تضاف الكيميائيات والزيت ويحرك الخليط كله بوساطة مجاديف أوبالهواء المنبثق من خراطيم ضيقة لتجعله مثيراً للفقاقيع. وأحد الكيميائيات يثبت الفقاقيع، بينما تغطي مادة كيميائية أخرى جسيمات المعدن، بحيث تمكنها من الالتصاق بالفقاقيع. وتطفوالفقاقيع 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، تمضى 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 الفترة 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 حتى 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 أوالإرجاع، 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%.

أما الأفران العاكسة المستخدمة في صهارة خامات النحاس فيصل طولها ~ 30 م وتتفاوت في عرضها من 7,5 إلى 10,5 م. وتتكون شحنتها في العموم من رُكُزات محمصة أوغير محمصة، ويضاف إليها على فترات خبث منصهر من المحول ويضاف أيضاً صهور مناسب. والوقود المستخدم قد يحدث غاز طبيعى أوزيت أوفحم مسحوق حسب المتاح والتكلفة. تتراوح درجة الحرارة ما بين 1480 و1650 ْم في منطقة الصهر، وعلى الأقل ما بين 1090 و1260 ْم في موضع القشد. والناتج من الفرن هومخلوط النحاس الكبريتيدى، الذى يتكون في أكثره من كبريتيد نحاسوز به نسب كبيرة من كبريتيد الحديدوز، وبه نسب أقل من كبريتيدات أخرى. وفى وقت من الأوقات استخدم طوب السليكا للتبطين، واستبعدت تقريباً جميع الحراريات الأخرى في البناء بأكمله، شاملاً سقوف العَقْد الكَتِفِى للفرن. وقد أدت معدلات الإنتاج العالية إلى تزايد الظروف القاسية على الحراريات، وأدى ذلك إلى الاستخدام المتزايد للطوب القاعدى لكامل بناء الفرن.

ويستخدم أسلوب العُقَد المعلقة للسقوف المبنية من الطوب القاعدى. وفى درجة حرارة تشغيل الفرن، يتأكسد الفلز عند النهايات المتعرضة للهواء، ويتحد مع المغنسيا الموجودة في الطوب مكوناً رابطة مغنسية فرايتية. وعندما تشحن رُكَازات رطبة إلى داخل الفرن فإنها تسبب تصدع أوتَمَيُّه للطوب القاعدى حول الفجوات والعيوب، فإن ذلك يستدعى استخدام طوب حرارى لا يتميه بسبب الرطوبة مثل الطوب عالى الألومينا. وتبنى جدران الفرن الأعلى من خط الخبث كاملة من طوب المغنسيا. أما الجدران تحت خط الخبث فتبنى من طوب قاعدى محروق (مُكَلّس)، مُدعَّم من الخلف بطوب طين حرارى. وتتكون بطانة قاع الفرن عادة من خليط دَّك من المغنسيا، مدعم من الخلف بطوب طين حرارى أوطوب قاعدى.

وفى المحول يتم تحويل المخلوط الكبريتيدى الخارج من الفرن العاكس، الذى يحتوى على 20-50% نحاس، إلى نحاس مَُبَثَّر نقاوته من 96 إلى 99%. تتكون شحنة المحول من المخلوط الكبريتيدى، وصهور سليكى أوأى صهور آخر حسب الحاجة، وتشحن في بعض الأحيان رُكازات خام أوخردة نحاس. وأثناء عملية التحويل يدفع هواء من خلال فتحات في المحول تسمى القصبات فيمر مباشرة خلال الشحنة المنصهرة. والخبث المتكون خلال هذه العملية يتكون من أكسيد حديد وسليكا بالإضافة إلى نسبة قليلة من النحاس. يعاد هذا الخبث مرة أخرى إلى الفرن العاكس. تترواح درجة الحرارة في المحول ما بين 1150 و1315 ْم، ويبطن قاعه ومنطقة القصبات، وهى المنطقة المعرضة للبِلَى، بطوب من مغنسيا-كروم تُصب مصهورة.

أما أفران التخزين التى يحفظ ساخناً فيها النحاس المبثر الناتج من المحول قبل سبكه إلى بلاطات أوكتل، فإنها إما حتى تكون أفران برميلية يمكن إمالتها أوأفران عاكسة ثابتة. ويتسعمل طوب قاعدى محروق (مكلس) لتبطين كلا النوعين من الأفران.

يحتوى النحاس المبثر على كميات كافية من الفلزات الثمينة تجعل عملية استعادتها عملية مجدية. وتتم عملية تنقية النحاس المبثر أولاً في فرن عاكس، ويسمى هذا الفرن بفرن الأنودات، لأن النحاس يصب في شكل أنودات. توضع الأنودات بعد ذلك في خلايا إلكتروليتية، حيث يترسب النحاس النقى على الكاثودات (المهابط). وتتجمع الفلزات الثمينة من المضى والفضة والبلاتين والبلاديوم وغيرها في قاع الخلية، مكونة حمأة أوطَثْرَة. تسترد هذه المواد وتفصل منها الفلزات المتنوعة. تصهر الكاثودات الناتجة عن عملية التنقية في أفران تسمى أفران الأعواد، ثم تصب في شكل صبات، أم يمكن معالجتها بعد ذلك في فرن كهربائى للحصول على نحاس خالى من الأكسجين أوعلى نحاس فسفورى.

أما الأفران المستخدمة لصهر النحاس الثانوى فهى أفران عاكسة تشبه في التصميم أفران الأنودات وأفران الأعواد السابقة الذكر، ولكنها أصغر أحجاماً. تستخدم حراريات كربيد السليكون على نطاق واسع في مسابك النحاس وسبائكه. أما المصاهر الومضية فتستخدم الحرارة الناتجة من أكسدة الكبريت الموجود في خامة النحاس لتوفير الطاقة اللازمة للصهارة. الغازات العادمة المنبعثة من هذه العملية غنية بالكبريت مما يسهل عملية استرداده في صورة عنصرية (حرة) أوفي صورة حمض كبريتيك. وتوجد عدة أساليب للصهارة الومضية، تتغير بتغير الحاجات إلى الوقود والأكسجين الإضافيين.

يوجد الكثير من الأساليب المستمرة الحديثة لإنتاج النحاس المبثر مباشرة من الرُكازات المعدنية. وتتميز هذه الأساليب بتوفير الطاقة وسهولة مناولة المواد أثناء العمليات وانخفاض التكلفة الرأسمالية. وفى هذه العمليات المستمرة يتم اختيار الحراريات وفقاً لنفس الأسس المستخدمة في عمليات الصهارة المعتادة. ومن هذه الأساليب الحديثة أسلوب نورندا، ويستخدم فيه محول عادى طويل يدفع فيه بهواء غنى بالأكسجين إلى طبقة المخلوط الكبريتيدى من خلال 50 قصبة أوأكثر من أحد جوانب المحول.تبقى هذه القصبات مغمورة في المصهور طوال العملية ولا تُخرَج منه إلا في حالات الطوارئ.

أسلوب وركرا لا يختلف كثيراً عن أسلوب نورندا إلا أنه تستخدم فيه مفاعل مكون من فرن ذومجمرة يشبه إلى حد كبير الفرن العاكس. والعملية التقليدية من هذا الأسلوب تدفع بالأكسجين إلى المخلوط الكبريتيدى المنصهر خلال مواسير ممتدة من السقف أومن الجدران الجانبية، مكونة منطقة استقرار داخل الفرن تنفصل فيها المكونات السائلة غير الممتزجة عن بعضها البعض، بحيث يمكن تفريغ الخبث مباشرة. وأسلوب متسوبيشى أسلوب آخر مستمر لإنتاج النحاس ولكنه مرحلى: حيث توصل ثلاثة أفران توصيلاً متعاقباً، بحيث يتدفق المخلوط الكبريتيدى والخبث وفى النهاية النحاس المبثر بالجاذبية من فرن إلى آخر خلال مجموعة الأفران. والأفران الثلاثة هى فرن الصهارة وفرن كهربائى للترسيب وفرن التحويل.

الاستخلاص بالإذابة (النض أوالتصويل)

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، أوالكيميائيات 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 العمليةقد يكون بنقاوة 99,9%.

التنقية الكهربائية

يجب حتى 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 لبتر كعكية، وتؤدي هذه البتر دور المصعد (القطب الموجب) في العملية الإلكتروليتية. ولمزيد من القواعد الكيميائية الداخلة في هذه العملية،

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 المضى 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 والبتر والكتل.

الطرق

وجوده في الطبيعة واستحصاله

يعدّ النحاس من المعادن متوسطة الانتشار في الطبيعة إذ لا تتجاوز نسبته في القشرة الأرضية 0.012% وزناً. ولخموله الكيمياوي يصادف في الطبيعة أحياناً بالحالة الحرة، ويصادف بصورة رئيسية على شكل مركّبات كبريتية، مثل CuS والشالكوسيت Cu2S والشالكوبريت CuFeS2 ومركّبات أكسجينية، مثل الكوبريت Cu2O وCuO والمالاكيت CuCO3Cu(OH)2، وCuSiO3.2H2O، وCu4(OH)6SO4. ويحصل على النحاس من مركّباته الأكسجينية بإرجاعه بالكربون. ولاستحصاله من مركّباته الحديدية الكبريتيه تحرق هذه المركّبات جزئياً، فيتأكسد الحديد بتمامه متحولاً إلى FeO ويفصل بشكل سيليكات الحديد بتفاعله مع أكسيد السيليكون SiO2، ويتحول جزء من Cu2S إلى Cu2O الذي يتفاعل مع Cu2S المتبقّي، فينفصل النحاس، وينطلق غاز ثنائي أكسيد الكبريت:

تبلغ نقاوة النحاس المحضر بهذه الطريقة 98%، وللحصول عليه نقياً جداً تستخدم إحدى الطريقتين الآتيتين:

1- الأكسدة بالهواء الساخن: تتم أكسدة جزء من النحاس (بنقاوة 98%) بأكسجين الهواء متحولاً إلى Cu2O الذي ينحل في النحاس المصهور الذي لم يتأكسد بعد. يتخلى Cu2O عن أكسجينه في هذا المزيج للمعادن المرافقة للنحاس على شكل شوائب سهلة الأكسدة، ويختزل ما تظل من الأكسيد Cu2O بالفحم. تبلغ نقاوة النحاس الناتج بهذه الطريقة 99.5%.

2- التحليل الكهربائي: تجري هذه العملية في خلية كهربائية التحليل الكهركيمياويقد يكون فيها الأنود من النحاس المشوب (98%)؛ والكاتود من النحاس النقي. يغمس الإلكترودان في محلول حمضي (مثل H2SO4) لكبريتات النحاس CuSO4، فينتقل النحاس في أثناء هذه العملية من الأنود إلى الكاتود. أما الشوائب فمنها ما يبقى عالقاً بالأنود (خاصة الحديد)، ومنها ما يترسب على شكل كبريتات عديمة الانحلال. تبلغ نقاوة النحاس المحضّر بهذه الطريقة 99.99%.

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 والبتر النحاسية، ويشتريها مصنعومنتجات 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 تبتر الألواح بترًا بالأحجام المطلوبة لصنع منتجات مثل ألواح السقف وأواني الطبخ، وألواح الحفر الضوئي (حفر الكليشيهات). انظر: الحفر.

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 نطقب ليكون أشكالاً معينة، ويمكن حتى ينبثق أيضاً في شكل قضبان وأنابيب، وأشكال أخرى خاصة، ويصنع منها المفصلات ومقابض الأبواب وأدوات معدنية أخرى.

خواصه الفيزيائية واستعمالاته

النحاس معدن ذولون أصفر، عدده الذري 29، وزنه الذري 63.54، درجة انصهاره 1083.4 ْ، ودرجة غليانه 2595 ْس، القساوة (للألماس = 10) تساوي 3.0، نصف قطر ذرته 1.28 أنغستروم، المقاومة الحجمية الكهربائية (أي مقاومة مكعب من النحاس طول ضلعه 1سم) هي 1.6730 × 10-6 أوم. سم عند درجة حرارة 20 ْس، وتزداد مقاومة النحاس بارتفاع درجة الحرارة. له نظيران موجودان في الطبيعة هما 63Cu (نواته تحوي 29 بروتوناً و34 نتروناً)، و65Cu (نواته تحوي 29 بروتوناً و36 نتروناً). وله تسعة نظائر مشعة لها الأعداد الكتلية : 58، 59، 60، 61، 62، 64، 66، 67، 68.

• (الناقلية النسبية على أساس النحاس 100).

كمون نصف التفاعل (Cu2+/Cu) يساوي 0.34 فولت؛ أي إنه يقع فوق الهدروجين بالترتيب الكهرحركي.

يعدّ النحاس من المعادن القليلة التي تستعمل بشكلها النقي (يعدّ المعدن نقياً إذا كان يحوي 0.5% من عنصر أوعناصر أخرى)؛ ويعود ذلك إلى ناقليته العالية للكهرباء وللحرارة. ويبيّن الجدول (1) الناقلية الكهربائية والحرارية النسبية لعدد من المعادن النقية مقارنة بالنحاس عند درجة الحرارة20 ْس.

وتقلّل الشوائب الموجودة في معدن النحاس كثيراً من ناقليته الكهربائية. والكبريت أشد العناصر ضرراً بالنحاس. وفي الواقع اشتق اسم الكبريت من الحدثة اليونانية Sulvari؛ ومعناها «عدوالنحاس».

للنحاس النقي استعمالات كثيرة لما يتميّزبه من ناقلية عالية للحرارة والكهرباء، ومقاومته للتآكل، وقابليته للسحب والطرق، وألوانه الجميلة، ويمكن التحكم بخواصه بالتلدين، وتوصيله ولحامه سهلان. ويستعمل النحاس وبعض مركّباته في تفاعلات الوساطة خاصة تفاعلات الأكسدة. وتدخل بعض مركّباته في هجريب كثير من الأصبغة المعدنية ومبيدات الحشرات والآفات الزراعية. ويأتي النحاس بعد الحديد والألمنيوم في الأهمية الصناعية.

يستعمل منه في التطبيقات الكهربائية 55% من الناتج الكلي و15% في البناء، و12% في صناعة السيارات و9% في خلق «المكنات» والمعدات الصناعية. وتستعمل سبائكه في مختلف الصناعات والانشاءات الهندسية. يراوح عدد سبائكه ما بين 150 و200. وهي ذات استعمالات واسعة، منها البرونز (90% نحاس + 10% قصدير)، والشبه (النحاس الأصفر) brass ت(60% نحاس +40% زنك)، والمنغانين (85% نحاس +12% منغنيز+3% نيكل)، والكونستانتان (59% نحاس +40% نيكل +1% منغنيز).

خواصه الكيمياوية

للنحاس البنية الإلكترونية: s1s2s22p63s23p64s13d10d؛ أي إنه يحوي إلكتروناً واحداً في المدار الخارجي s، مثل المعادن القلوية[ر: القلويات]. فالبوتاسيوم ذوالعدد الذري 19 والذي يقع في الدور نفسه الذي يوجد به النحاس له البنية الإلكترونية s1s22s22p63s23p64s1s. لكن الفرق شاسع بين نشاط البوتاسيوم والنحاس؛ فالنحاس لا يستطيع إزاحة الهدروجين من الحموض، وهولا يتأثر بأكسجين الهواء.

يتأكسد أيون النحاس الأحادي بسهولة إلى أيون نحاس +2. ويمكن تثبيت النحاس +1 بتكوين مركّبات قليلة الانحلال، مثل CuCl أومركّبات معقدة [المعقّد] مثل NaCuCl2.

أيون النحاس Cu2+ اللامائي لا لون له، ولكن الأيون المميّه أزرق. يترسب Cu(OH)2 بإضافة هدروكسيد الأمونيوم NH4OH إلى محلول Cu2+، ويعود هذا الراسب فينحل لتشكل معقد نشادري:

لا ينحل هدروكسيد النحاس بزيادة من أساس قوي لأنه ليس أمفوتيرياً (مذبذباً).

أهم أملاح النحاس كبريتات النحاس خماسية الماء CuSO4.5H2O التي تسمى الزاج الأزرق، وبتسخينها عند الدرجة 100 ْس تتحول إلى CuSO4.H2O ويخسر ماءه جميعه عند الدرجة 250 ْس. وهي تستعمل كثيراً مبيداً للحشرات والفطور لأن أيون النحاس سام لهذه الأحياء.)..

الدور الحيوي

السمية

يتواجد النحاس بشكل طبيعى في البيئة من حولنا. وقد استخدم الإنسان النحاس على نطاق واسع منذ القدم حيث تم تطبيقه في مجال الصناعة والزراعة. وقد تزايد إنتاج النحاس على مر العقود الماضية نتيجة لتوافر كمياته في البيئة. يتواجد النحاس في الكثير من الأطعمة، في مياه الشرب وفى الهواء، ولذا فإن جسم الإنسان يمتص هذا المعدن يومياً من خلال الشرب وتناول الأطعمة ومن خلال التنفس أيضاً. هذا الامتصاص هام جداً لصحة الإنسان، وفى نفس الوقت تناول الكميات الكبيرة منه وبهجريزات عاليةقد يكون ضار جداً بصحة الإنسان.:

تستقر مركبات النحاس في الماء أوفي جزيئات التربة، أما مركباته القابلة للذوبان فمازالت هى التى تشكل الخطر الأعظم لصحة الإنسان. وبداية انتشار مركبات النحاس القابلة للذوبان كانت بعد استخدامه في الزراعة. أما هجريزات معدن النحاس في الهواء تكون عادة بنسب منخفضة، فأضراره التى تلحق بالإنسان من خلال التنفس لا يُلتفت إليها، لكن الأشخاص التى تعيش بالقرب من أماكن صهر المعادن تتعرض لمخاطره.

أما في المنازل التى تكون مواسير المياه فيها مصنعة من النحاس، عند صدأها وتآكلها تبدأ مياه الشرب في التلوث.

تلوث المياه بالنحاس الأحمر ويضم على تلوث المياه العذبة وتلوث البيئة البحرية: التعرض المهنى لهذا المعدن وارد أيضاً وهذا ما يُعهد (بالحمى المعدنية Metal fever)، حيث تشبه أعراضها الأنفلونزا، وتنتهى أعراض هذه الحالة في خلال يومين وتنتج هذه الحمى نتيجة للحساسية الزائدة من النحاس. التعرض على المد الطويل لمعدن النحاس يسبب تهيج للأنف والفم والعين، كما يسبب الصداع، آلام المعدة، الدوار، القىء، الإسهال.

تناول كميات كبيرة من النحاس عن عمد قد يؤدى إلى ضمور الكلى والكبدومن ثَّم حالات من الوفاة البشرية، أما كونه أحد مسببات السرطان فلم يتم التوصل بعد إلى ذلك. وهناك منطقات فهمية تشير إلى الصلة بين التعرض الطويل للهجريزات العالية من النحاس وبين انخفاض القدرة الذكائية لبعض المراهقين الصغار وهذا يدعوإلى حتىقد يكون هناك مزيداُ من البحث والتقصى.

التعرض الصناعى لأدخنة النحاس تؤدى إلى إصابة الإنسان (بحمى الدخان المعدنية Metal fume fever) مع تغير في الأغشية المخاطية للأنف، أما التسمم المزمن منه يصيب الإنسان بسقم ويلسون Wilson disease، وتتمثل أعراضه في التليف الكبدى، تلف خلايا المخ، أمراض الكلى، ترسبات النحاس في القرنية.

مخاطر مختلفة

The metal, when powdered, is a fire hazard. At concentrations higher than 1 mg/L, copper can stain clothes and items washed in water.

انظر أيضاً

المصادر

ول ديورانت. سيرة الحضارة. ترجمة بقيادة زكي نجيب محمود. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Copper.

• National Pollutant Inventory - Copper and compounds fact sheet
• Copper Resource Page. Includes 12 PDF files detailing the material properties of various kinds of copper, as well as various guides and tools for the copper industry.
• The Copper Development Association has an extensive site of properties and uses of copper; it also maintains a web site dedicated to brass, a copper alloy.
• The Third Millennium Online page on Copper
• The WebElements page on Copper