تكافؤ النحاس وأنواعه المختلفة

يُعتبر النحاس أحد أكثر العناصر الكيميائية وفرة في الطبيعة، حيث يحتل المرتبة الخامسة والعشرين بين العناصر الأكثر توافراً.

يتميز النحاس بلون أحمر ذهبي، وقد يظهر بألوان قزحية بسبب قدرته على عكس ألوان قوس قزح عند تعرضه للضوء.

النحاس

يُميّز النحاس عن المعادن الأخرى أنه لا يتواجد باللون الفضي أو الرمادي، كما أن له مجموعة من الخصائص الفريدة، وأبرزها قدرته العالية على توصيل الحرارة والكهرباء.
يتميز النحاس أيضًا بلينته وقابليته للطرق، مما يجعله سهل التشكيل دون أن ينكسر، وبالتالي فإنه يعتبر من المعادن الأساسية التي استخدمها الإنسان منذ العصور القديمة.
- يعتبر النحاس من أوائل المعادن التي استخرجها الإنسان، ولا يزال له تأثير كبير في تطور المجتمعات.

خصائص النحاس

الخصائص الكيميائية

يتسم عنصر النحاس، الذي يُعرف برمزه الكيميائي Cu، بعدد ذري يبلغ 29 ووزن ذري يبلغ 63.55، بالإضافة إلى الخصائص الكيميائية التالية:

يقع النحاس في المجموعة 11 بالجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
يُصنف النحاس ضمن الدورة 4 في الجدول الدوري.
توزيع الإلكترونات: (Ar) 4s1 3d10.
يُصنف النحاس كمعدن انتقالي.
يمتلك العنصر 28 نظيراً.

نتيجةً لخصائصه الكيميائية، يفقد النحاس إلكترونات عند تفاعله مع الماء أو الهواء، وهو ما يُعرف بتفاعل الأكسدة.

ينتج عن هذا التفاعل أكسيد النحاس، مما يؤدي إلى تغيير لونه الأصلي إلى الأخضر الباهت. وعند غياب الهواء، فإن النحاس لا يتفاعل مع أية أحماض غير مركزة أو أحماض غير مؤكسدة.

إذا كان النحاس في وجود الهواء، فإنه يتفاعل بسهولة مع حمض الكبريتيك وحمض النيتريك، مما يؤدي إلى ذوبانه. كما أنه يذوب في محلول الأمونيا المائي وسيانيد البوتاسيوم في وجود الأكسجين.

عند تفاعل النحاس مع الأكسجين في ظل الحرارة، يُنتج أكسيد النحاس الثنائي CuO. أما في حالة ارتفاع درجة الحرارة، فينتج أكسيد النحاس الأحادي Cu2O، بينما تفاعل النحاس مع الكبريت في الحرارة يؤدي إلى إنتاج كبريتيد النحاس Cu2S.

الخصائص الفيزيائية للنحاس

تشمل الخصائص الفيزيائية المهمة للنحاس ما يلي:

درجة انصهاره: 1083.45 درجة مئوية.
درجة غليانه: 2567 درجة مئوية.
لون النحاس: بني محمر.
المظهر الخارجي: لين ومرن.
نصف القطر الذري: 128 بيكو متر.
الحجم الذري: 7.1 سم³/مول.
نصف القطر التساهمي: 117 بيكو متر.
نصف القطر الأيوني: 72 (+1 e) / (e2 96).
كثافة النحاس: 8.96 جرام/سم³.
الحرارة النوعية: 0.385 جول/(جرام. درجة مئوية).
حرارة الانصهار: 13.01 كيلو جول/مول.
حرارة التبخر: 304.6 كيلو جول/مول.
درجة حرارة ديباي: 42 درجة مئوية.
معامل باولنج السالب أو السالبية الكهربائية: 1.90.
طاقة التأين الأولى: 745.0 كيلو جول/مول.
حالات الأكسدة: 2, 1.
البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه.
الحالة عند درجة حرارة الغرفة: صلبة.

استخراج النحاس ومعالجته

تبدأ عملية تعدين النحاس بتحديد مواقع تواجده، حيث يمكن أن يتواجد بالقرب من سطح الأرض أو في أعماقها. إذا كان وجوده قريبًا من السطح، فإن طريقة التعدين السطحي هي الأكثر ملاءمة لاستخراجه بكميات كبيرة.
- تُستخدم آليات كبيرة في عملية الحفر والتفجير للخام، ونقل الخامات المكسورة إلى المصانع الخاصة.
في حالة استخراج النحاس من أعماق الأرض، يُنصب قضبان عملاقة بشكل عمودي لتمتد لأكثر من كيلومتر تحت الأرض، لإنشاء نفق لنقل المواد الخام.
- تُنقل المواد إلى المصانع الخاصة بهدف معالجتها والاستفادة منها، أو قد يتم تفجير باطن الأرض ثم نقل المواد المكسر إلى سطح الأرض.

عندما يتم الحصول على الخام، يُستخرج النحاس منه عبر ثلاث خطوات رئيسية، وهي:

معالجة المعادن: تتضمن هذه الخطوة فصل النحاس عن المواد الأخرى مثل السيليكا والحجر الجيري والبيريت، حيث ينبغي أن يحتوي الخام على نسبة تصل إلى 20% إلى 30% من النحاس.
الصهر والترشيح: يتم في هذه المرحلة إزالة نسبة كبيرة من الشوائب غير المرغوب فيها مثل الحديد.
التكرير: تتم في هذه المرحلة إزالة ما تبقى من الشوائب، مما يؤدي إلى الحصول على النحاس الخالص بنسبة تصل إلى 99.99%.

معلومات عامة عن النحاس

إليك بعض المعلومات الهامة عن هذا العنصر:

يُعتبر تمثال الحرية أحد أهم المعالم التاريخية المصنوعة من النحاس، حيث يحتوي على حوالي 28,122.73 كيلو جرام من النحاس، وقد تغير لونه إلى الأخضر الباهت نتيجة لتعرضه للأكسجين في الهواء لأكثر من 20 عامًا، مما أدى إلى تكون صدأ النحاس المعروف باسم الباتينا.
تم استخراج النحاس النقي في الولايات المتحدة من بحيرة سوبيريور في عام 4000 ق.م، وقد استُخدم في صنع الأسلحة والأدوات المتنوعة.
كلمة “نحاس” (Copper) تأتي من العبارة اللاتينية (Cyprium aes) التي تعني “معدن من قبرص”، حيث كانت معظم كميات النحاس المستخرجة تأتي من تلك الجزيرة في ذلك الوقت، وفقًا للمؤرخ الهولندي بيتر فإن دير.
تحتوي الصخور البركانية النارية تقريبًا على ثلثي النحاس الموجود على الكرة الأرضية، في حين تحتوي الصخور الرسوبية على حوالي الربع، حسب وكالة المسح الجيولوجي الأمريكية.
جبال الأنديز تحتوي على نسبة كبيرة جدًا من النحاس، حيث تم استخراج 45% من النحاس الموجود عالميًا من هناك في عام 2007م.
يتواجد النحاس في جميع دول العالم.

أنواع النحاس

يوجد ثلاثة أنواع رئيسية من النحاس، وهي:

النحاس عالي الموصلية: يتميز هذا النوع بقدرته العالية على التوصيل الكهربائي سواء في الظروف الحارة أو الباردة، مما يجعله ملائمًا للاستخدام في التطبيقات الكهربائية، مثل الكابلات والأسلاك. وبالإضافة إلى ذلك، فإنه يمتاز بمرونة كبيرة تسهل تشكيله إلى أسلاك رفيعة.
- يُعرف هذا النوع من النحاس في أمريكا الشمالية باسم النحاس (ETP) أو النحاس الكهربائي في بلدان أخرى، حيث يصل موصليته إلى ما بين 100% و101.5% وفقًا لمعايير الصلابة الدولية.
النحاس المختزل: يتم خلال هذا النوع انتزاع الأكسجين من النحاس من خلال إضافة نسبة من الفسفور المنصهر، أو البورون في حالة السبائك. ينتج عن ذلك مادة قوية وصلبة تقاوم التآكل عند تعرضها للهيدروجين، مما يجعلها مناسبة للعديد من الاستخدامات مثل أنظمة التدفئة المركزية وإمدادات الغاز والمياه المنزلية.

يُستخدم النحاس أيضًا في بناء المباني وصناعة ورق التسقيف، وقد توسعت استخداماته لتشمل الكسوة الخارجية وألواح الجدران وغيرها.

سبائك النحاس: هي سبائك غير حديدية، مما يعني أنها لا تحتوي على الحديد، وقد يتشكل فيها النحاس مع مجموعة متنوعة من المعادن الأخرى كـ الزنك والنيكل والقصدير والألومنيوم، مما يؤدي إلى الحصول على أنواع مختلفة من السبائك.

مزايا النحاس وعيوبه

يتميز النحاس بموصلية كهربائية عالية، حيث يحتل المرتبة الثانية بعد الفضة من بين المعادن الأكثر موصلية، بالإضافة إلى توفره بكثرة في الطبيعة.
- تُعتبر تكلفة النحاس منخفضة، كما أنه يحمل خصائص مضادة للبكتيريا، مما يُساهم في تقليل الحمل الجرثومي على الأسطح.
على الرغم من مزايا النحاس العديدة، فإن له عيوبًا أيضًا، مثل إمكانية أكسده التي تُغير لونه إلى الأخضر عند تعرضه للهواء أو الماء، مما يؤثر على جودة مظهره.