النحاس خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

النحاس هو معدن بني مائل إلى الحمرة، وهو معدن شديد التوصيل يستخدم على نطاق واسع في مختلف صناعات الإلكترونيات والبناء والتصنيع، وتنبع تطبيقاته في الغالب من الأسلاك الكهربائية والسباكة والسبائك المتعددة.

الخواص الكيميائية للنحاس

يشتهر النحاس بالعدد الكبير والمتنوع من مركباته الكيميائية، مثل CuO (أكسيد النحاس (II))، وCuSO₄ (كبريتات النحاس (II))، وCuCl (كلوريد النحاس (I)). الزنجار، وهو عبارة عن طبقة مخضرة تتكون على النحاس وسبائكه، تبدأ عندما يتعرض المعدن للهواء، وهي مقاومة للتآكل بشكل خاص. يحمي هذا النوع من الزنجار طبقة من المعدن تحته من التآكل.

يُظهر النحاس حالتي أكسدة أساسيتين: +1 (Cu⁺) و+2 (Cu²⁺). في حين أن مركبات النحاس (II) أكثر شيوعًا، فإن مركبات النحاس (I) أقل استقرارًا وتميل إلى الخضوع للأكسدة بسهولة أكبر. عندما يتفاعل النحاس مع الأكسجين، فإنه يكوِّن أكسيد النحاس (II)، الذي يعطي المعدن طلاءً أسود. وبمرور الوقت، يؤدي التعرض الإضافي للهواء وثاني أكسيد الكربون إلى تكوين كربونات النحاس، وهي المسؤولة عن اللون الأخضر المميز الذي يظهر على أسطح النحاس التي تعرضت للعوامل الجوية مثل تمثال الحرية.

يتفاعل النحاس مع الأحماض مثل حمض الكبريتيك المخفف وحمض الهيدروكلوريك لتكوين محاليل ملح النحاس، والتي لها استخدامات واسعة في الصناعات، من الطلاء الكهربائي إلى تحضير المواد الكيميائية الزراعية.

الخواص الفيزيائية للنحاس

الخصائص الفيزيائية الفريدة للنحاس تجعله مرغوباً للغاية في مجموعة واسعة من التطبيقات. ويعد لونه البني المحمر إحدى سماته المميزة. وتبلغ كثافة النحاس 8.96 جم/سم مكعب، وهو ما يجعله كثيفاً نسبياً مقارنةً بالعديد من المعادن الأخرى، مما يمنحه ملمساً صلباً وكبيراً. ويتميز بدرجة انصهار عالية تبلغ 1,085 درجة مئوية (1,984 درجة فهرنهايت) ودرجة غليان تبلغ 2,562 درجة مئوية (4,639 درجة فهرنهايت)، مما يجعله مناسباً للاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

ربما تكون الخاصية الفيزيائية الأكثر شهرة للنحاس هي خاصية التوصيل الكهربائي العالية جداً، حيث يأتي في المرتبة الثانية بعد الفضة. ولهذا السبب، فهو المادة القياسية للأسلاك الكهربائية. كما أن توصيليته الحرارية العالية تجعل النحاس مفيداً في المبادلات الحرارية وأنظمة التبريد.

الاستخدامات الشائعة

بفضل مجموعة واسعة من الخصائص المفيدة، لا غنى عن النحاس في العديد من الصناعات.

• الأسلاك الكهربائية

الموصلية العالية للنحاس تجعله المادة الرئيسية في الأسلاك الكهربائية للاستخدامات السكنية والصناعية على حد سواء. ويُستخدم النحاس على نطاق واسع في الاتصالات السلكية واللاسلكية بدءاً من شبكات الطاقة إلى الدوائر المنزلية، لأن كفاءته تقلل من فقدان الطاقة أثناء النقل.

• السباكة

تقاوم الأنابيب النحاسية التآكل، وهي متينة للغاية، وتمتلك خصائص مضادة للميكروبات؛ ولهذا السبب، تجد تطبيقات شائعة في أنظمة السباكة. حقيقة أن النحاس يتحمل درجات الحرارة والضغوط العالية تجعله مثاليًا لأنظمة المياه الساخنة والباردة.

• الإنشاءات

يُستخدم النحاس على نطاق واسع في البناء، خاصةً في أعمال التسقيف، ويتمتع بجاذبية جمالية أفضل ورؤية أطول. مادة التسقيف النحاسية متينة ومقاومة للتآكل، مما جعلها تُستخدم على نطاق واسع في صناعة البناء، سواءً محلياً أو تجارياً. كما تستخدم الأسلاك النحاسية على نطاق واسع في الأنظمة الكهربائية للمباني.

• السبائك

في التطبيقات الهندسية، غالباً ما يتم خلط النحاس مع معادن أخرى لإنتاج مواد ذات خصائص محسنة. وتستخدم سبائك النحاس مثل النحاس الأصفر (سبيكة النحاس والزنك) والبرونز (سبيكة النحاس والقصدير) في العديد من التطبيقات، بدءاً من العملات المعدنية والميداليات وصولاً إلى التروس والصمامات والآلات الموسيقية. وتؤدي إضافة معادن أخرى إلى النحاس إلى تقويته وإضفاء مقاومة للتآكل والمظهر الجمالي بشكل عام.

• العملات المعدنية

يُستخدم النحاس تقليدياً في سك العملات، ولا تزال سبائكه تُستخدم حتى في الوقت الحاضر. ومع ذلك، حتى مع الميل المتزايد اليوم نحو النقود الرقمية، لا يزال النحاس يُستخدم في سك العملات المعدنية بسبب قابليته للطرق ومقاومته للتآكل.

طرق استخلاص النحاس وتحضيره

هناك طريقتان أساسيتان لاستخلاص النحاس من خاماته: المعالجة البيروميتالورجية والمعالجة المائية.

العملية البيروميتالورجية

يتم تسخين خامات النحاس، بالطريقة البيروميتالورجية، في فرن لإنتاج مادة النحاس غير اللامعة - وهي خليط من كبريتيد النحاس وكبريتيد الحديد. ويتم تكرير هذا الخليط للحصول على النحاس النقي. هناك عدد من الخطوات المتضمنة: الصهر والتحويل، وبعد ذلك يأتي التكرير الكهربائي للحصول على نحاس عالي النقاء.

عملية التعدين المائي

تستخدم عملية المعالجة الهيدروميتالورجية المحاليل المائية، ومعظمها من حمض الكبريتيك، لغسل النحاس من الخامات. ثم يتم فصل النحاس من المحلول عن طريق عملية تسمى الاستخلاص بالمذيبات، تليها عملية الاستخلاص الكهربائي، لإنتاج النحاس المكرر. وهذا بديل يُستخدم بشكل أساسي عند تعدين الخامات منخفضة الدرجة أو في الحالات التي لا تكون فيها العملية البيروميتالورجية قابلة للتطبيق.

ثم تتم تنقية النحاس المستخلص بعد ذلك عن طريق التحليل الكهربائي، حيث يتم تمرير تيار كهربائي عبر محلول النحاس للحصول على نحاس عالي النقاء.

المنتجات الصناعية ذات الصلة

يلعب النحاس دورًا أساسيًا في توفير مجموعة متنوعة من المنتجات الصناعية، وبعض هذه المنتجات هي

• النحاس ضروري فيالنقل الكهربائيوالاتصالات السلكية واللاسلكية. تُستخدم الأسلاك والكابلات النحاسية على نطاق واسع في الدوائر الكهربائية وخطوط نقل الطاقة وأنظمة الشبكات.
• ويستخدم في إنتاج الدوائر الإلكترونية، وخاصة في لوحات الدوائر المطبوعة. وتضمن توصيلها العالي كفاءة أداء الأجهزة الإلكترونية.
• وتشمل الأمثلة على هذه السبائك النحاس الأصفر (النحاس والزنك) والبرونز (النحاس والقصدير)، وتستخدم في تصنيع الأجزاء التي تتطلب القوة والمتانة ومقاومة التآكل. وتتنوع التطبيقات على نطاق واسع - من الفن والمساكن والتحف المنزلية إلى الجسور والسفن والآلات الموسيقية.
• ويجد النحاس تطبيقاته في المبادلات الحرارية نظراً لقيمته العالية في التوصيل الحراري، ومن ثم فإنه عادةً ما يُستخدم في معظم العمليات الصناعية وأنظمة تكييف الهواء والتبريد حيث يتطلب نقل الحرارة بكفاءة.

الأسئلة المتداولة

هل يصدأ النحاس؟

لا يصدأ النحاس مثل الحديد. وبدلاً من ذلك، فإنه يطور زنجاراً أخضر من كربونات النحاس بمرور الوقت عند تعرضه للهواء. وهذا في الواقع يحمي المعدن الأساسي من المزيد من التآكل.

كيف يتم استخلاص النحاس؟

يتم استخلاص النحاس إما باستخدام تقنيات المعالجة البيروميتالورجية (تسخين الخام في فرن) أو المعالجة المائية (إذابة النحاس باستخدام المحاليل الحمضية).

هل يمكن إعادة تدوير النحاس؟

نعم، يمكن إعادة تدوير النحاس دون أن يفقد خصائصه إلى الأبد. وهو من بين أكثر المعادن المعاد تدويرها على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم.

ما هي أكثر سبائك النحاس شيوعاً؟

أكثر سبائك النحاس شيوعاً هي النحاس الأصفر (النحاس والزنك) والبرونز (النحاس والقصدير). تُستخدم هذه السبائك في مجموعة واسعة من التطبيقات، من العملات المعدنية إلى الآلات الصناعية.