What is نحاس?
نحاس (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a فلز انتقالي in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع نحاس بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق مقياس
Radius 128 pm — that is 0.128 nm, so about 3906 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
نحاس is liquid over a 1477 K window, from 1358 K to 2835 K.
القصة
أول فلز استخدمه البشر. موصل ممتاز للكهرباء.
يمثل النحاس أول استخدام متعمد للمعدن في تاريخ البشرية، وقد بدأ ذلك نحو 9000 قبل الميلاد في الهلال الخصيب. وتُظهر الأدلة الأثرية من Çayönü Tepesi في Turkey خرزًا وأدوات نحاسية تعود إلى ما قبل ظهور الزراعة. وعلى خلاف الحديد أو الألومنيوم، يوجد النحاس الأصلي طبيعيًا في صورة فلزية، مما أتاح للبشر الأوائل تشكيله من دون تقنيات صهر معقدة.
نحو 5000 قبل الميلاد، اكتشفت الحضارات في Balkans وMiddle East أن تسخين بعض الصخور الخضراء والزرقاء (كربونات النحاس) باستخدام الفحم ينتج نحاسًا فلزيًا نقيًا. أطلق هذا الاختراق العصر الكالكوليتي (العصر النحاسي)، فغيّر التكنولوجيا البشرية تغييرًا جذريًا. وكان رجل الجليد (Ötzi)، الذي اكتُشف في Alps ويعود تاريخه إلى 3300 قبل الميلاد، يحمل فأسًا نحاسية أظهرت تقدم علم الفلزات.
ظهر البرونز - وهو سبيكة من النحاس والقصدير - نحو 3500 قبل الميلاد في Near East، مطلقًا العصر البرونزي الذي استمر حتى 1200 قبل الميلاد. ومن المرجح أن هذا الاكتشاف حدث مصادفةً عندما صُهرت خامات نحاس تحتوي على قصدير معًا. وثبت أن البرونز يتفوق على النحاس النقي في الأسلحة والأدوات والفنون، مما دفع إلى إنشاء شبكات تجارة دولية سعت الحضارات من خلالها إلى مصادر القصدير.
تصف نصوص سومرية من 2500 قبل الميلاد تقنيات متقدمة لتشكيل النحاس، من بينها السباكة بطريقة الشمع المفقود وتركيب السبائك. ويبرهن اللواء الملكي في أور وعدد لا يحصى من القطع الأثرية على براعتهم في علم فلزات النحاس والبرونز. وأنشأ التجار في بلاد الرافدين طرقًا تجارية امتدت من Afghanistan (القصدير) إلى Cyprus (النحاس).
أصبحت جزيرة Cyprus مرادفةً للنحاس في العالم القديم، فأعطت المعدن اسمه اللاتيني "cuprum" (من "aes cyprium" - معدن Cyprus). وظلت المناجم الرومانية في Cyprus تعمل لأكثر من 1500 سنة، منتجةً نحاسًا أسهم في بناء إمبراطورية. واستخدمت الهندسة الرومانية النحاس في العملات وأنظمة السباكة وأسطح المباني والأعمال الفنية التي ما زالت باقية حتى اليوم.
حقق علماء الفلزات المصريون تطورًا ملحوظًا، فصنعوا أنابيب نحاسية لأنظمة تصريف مياه المعابد وقطعًا برونزية متقنة. ويصف بردية إدوين سميث (1600 قبل الميلاد) الاستخدامات الطبية لمركبات النحاس في علاج العدوى، متنبئًا بالتطبيقات الحديثة المضادة للميكروبات قبل 3600 سنة.
كان الاستكشاف الأوروبي مدفوعًا جزئيًا بالبحث عن النحاس والمعادن الأخرى. وواجه الغزاة الإسبان علم فلزات النحاس المتقدم في الأمريكتين، حيث طورت الشعوب الأصلية تقنيات متقدمة بصورة مستقلة. وقد وفّرت منطقة النحاس في Upper Peninsula بولاية Michigan النحاس لقوات الاتحاد خلال الحرب الأهلية.
حوّل اكتشاف الكهرباء النحاس من معدن مفيد إلى مادة أساسية. وأظهرت تجارب Michael Faraday على الحث الكهرومغناطيسي (1831) إمكانات الكهرباء، بينما جعلت أنظمة توزيع الطاقة التي طورها Thomas Edison الأسلاك النحاسية ضرورة. وأتاحت عملية Bessemer (1856) إنتاج الفولاذ على نطاق واسع، مما أوجد طلبًا على النحاس في المحركات البخارية والآلات الصناعية.
أدرج Antoine Lavoisier النحاس في كتابه الرائد "عناصر الكيمياء" (1789)، مثبتًا أنه عنصر أساسي. وقدمت النظرية الذرية لـ John Dalton (1803) الإطار النظري لفهم خصائص النحاس. وكشفت البلورة بالأشعة السينية عن البنية المكعبة متمركزة الوجوه للنحاس، مفسرةً موصليته الكهربائية والموصلية الحرارية الاستثنائيتين.
أوجد العصر الكهربائي طلبًا غير مسبوق على النحاس. وتنافست Westinghouse وGeneral Electric على تطوير أنظمة طاقة بالتيار المتردد تطلبت كميات هائلة من الأسلاك النحاسية. وأثبتت الحربان العالميتان الأولى والثانية الأهمية الاستراتيجية للنحاس، مما أدى إلى برامج حكومية لتخزينه وإعادة تدويره. كما أدى تطوير التبريد وتكييف الهواء والإلكترونيات إلى توسيع تطبيقات النحاس بدرجة أكبر.
الاستخدامات
تجعل الموصلية الكهربائية الاستثنائية للنحاس (لا تسبقها سوى الفضة) منه مادة لا غنى عنها لأنظمة الطاقة العالمية. تنقل خطوط نقل الطاقة الكهرباء من محطات التوليد إلى المدن باستخدام موصلية النحاس البالغة 59.6 MS/m. وتعتمد المحركات الكهربائية في كل شيء، من الثلاجات إلى المضخات الصناعية، على ملفات نحاسية تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية بكفاءة تتجاوز 95%. ويستهلك القطاع الكهربائي 65% من إنتاج النحاس العالمي.
وفرت الأنابيب النحاسية مياه نظيفة لأكثر من 4000 عام، إذ تقضي طبيعياً على البكتيريا والفيروسات من خلال التأثير قليل الديناميكية. وتستخدم المنازل الحديثة السباكة النحاسية لموثوقيتها ومقاومتها للتآكل وخصائصها المضادة للميكروبات. وتحدد أنظمة المياه في المستشفيات النحاس بصورة متزايدة للوقاية من Legionella وغيرها من مسببات الأمراض المنقولة بالمياه. وتنقي أنظمة التأين بالنحاس والفضة أحواض السباحة وإمدادات المياه في المركبات الفضائية.
تتيح الموصلية الحرارية للنحاس (401 W/m·K) مبادلات حرارية فعالة في مكيفات الهواء ومشعات السيارات والعمليات الصناعية. وتوفر أدوات الطهي النحاسية توزيعاً للحرارة لا مثيل له في المطابخ الاحترافية. وتستخدم مكثفات محطات الطاقة سبائك النحاس والنيكل لنقل الحرارة المهدرة من توربينات البخار إلى مياه التبريد، مما يزيد كفاءة توليد الكهرباء إلى أقصى حد.
أطلق البرونز (النحاس والقصدير) العصر البرونزي للحضارة قبل 5000 عام، ولا يزال أساسياً للمحامل ومراوح السفن والعناصر المعمارية. وينتج النحاس الأصفر (النحاس والزنك) آلات موسيقية ذات صوتيات مثالية ومعدات بحرية تقاوم تآكل المياه المالحة. ويكوّن نحاس البيريليوم أدوات مقاومة للشرر للبيئات القابلة للانفجار ونوابض تحافظ على شدها لعقود.
تقر وكالة حماية البيئة (EPA) بأن النحاس هو السطح الصلب الوحيد الذي يقضي باستمرار على البكتيريا والفيروسات والفطريات. وتستخدم مقابض أبواب المستشفيات ودرابزينها وهياكل أسرتها سبائك النحاس لخفض حالات العدوى المرتبطة بالرعاية الصحية بنسبة تصل إلى 58%. وتُظهر أبحاث COVID-19 أن الأسطح النحاسية تعطل الفيروس خلال 4 ساعات، مما أدى إلى زيادة استخدامها في الأماكن العامة.
تُنشئ الطبقة الزنجارية الطبيعية للنحاس اللون الأخضر المميز لتمثال الحرية وقباب عدد لا يحصى من الكنائس والعناصر المعمارية الحديثة. ويدوم سقف النحاس ذي الوصلات القائمة لأكثر من 100 عام، مع تطور أكسدته الزرقاء المخضرة الجميلة. وقد اختار Frank Lloyd Wright وغيره من المهندسين المعماريين النحاس لمتانته وقابليته للتشكيل وجاذبيته الجمالية المتطورة.
تتيح محفزات النحاس تصنيع الميثانول وإنتاج المستحضرات الصيدلانية ومعالجة البتروكيماويات. ويستخدم تفاعل Ullmann النحاس لتكوين روابط كربون-كربون في تصنيع الأدوية. وتتحكم كبريتات النحاس في الطحالب أثناء معالجة المياه، كما توفر مغذيات دقيقة أساسية لنمو النباتات في الزراعة.
مصدره
60 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 79% of elements
يحتل النحاس المرتبة 25 بين أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض، بواقع 60 جزءاً في المليون، إلا أن التراكيز الاقتصادية تتطلب عمليات جيولوجية تزيد الوفرة المحلية 100 ضعف. تحتوي Chile على 28% من الاحتياطيات العالمية، ولا سيما في صحراء Atacama حيث تحافظ الظروف القاحلة على خامات الكبريتيد. وتضم Peru وChina وDemocratic Republic of Congo رواسب رئيسية إضافية تشكلت بعمليات جيولوجية متنوعة.
توفر الرواسب البورفيرية 75% من إنتاج النحاس العالمي، وقد تشكلت بفعل أنظمة حرارية مائية ضخمة مرتبطة بالبراكين في مناطق الاندساس. ويجسد منجم Chuquicamata في Chile - أكبر منجم نحاس مكشوف في العالم - هذه الأنظمة الهائلة، حيث نقلت السوائل الماجماتية النحاس على مدى ملايين السنين. وغالباً ما يصاحب موليبدنوم والذهب والفضة النحاسَ في هذه الرواسب، مكوّناً أجسام خام متعددة الفلزات.
تولد الصفائح المحيطية الهابطة صهارات غنية بالنحاس، تتداخل في القشرة التي تعلوها على هيئة كتل بورفيرية. وتنقل السوائل الحرارية المائية عند 300-600°C النحاسَ على هيئة معقدات كلوريدية، وتُرسب الكالكوبيريت (CuFeS₂) والبورنيت (Cu₅FeS₄) في شبكات الشقوق. وتتطلب هذه العملية ظروفاً دقيقة من الحرارة والضغط والتركيب الكيميائي، تحدث أساساً عند الحدود المتقاربة للصفائح.
يحتوي حزام النحاس في Zambia وDemocratic Republic of Congo على رواسب نحاس طباقية تشكلت في أحواض صدعية قديمة. وهاجرت السوائل الحاملة للنحاس عبر الصخور الرسوبية، مرسبةً الكالكوسيت (Cu₂S) والملاكيت [Cu₂CO₃(OH)₂] في بيئات مختزِلة. وقد وفرت هذه الرواسب النحاس للحضارات الأفريقية قبل آلاف السنين.
تتكون رواسب نمط Cyprus عند ظهور وسط المحيط، حيث ترسب الفتحات الحرارية المائية كبريتيدات النحاس في قاع البحر. وقد منحت جزيرة Cyprus النحاسَ اسمه (باللاتينية "cuprum") بسبب التعدين القديم المكثف لهذه الرواسب. وتشمل النظائر الحديثة فتحات المدخنين السود التي تركز النحاس والزنك والرصاص في كبريتيدات متعددة الفلزات.
تحتوي شبه جزيرة Keweenaw في Michigan على أكبر رواسب النحاس الطبيعي في العالم، حيث يوجد النحاس الفلزي طبيعياً من دون اتحاد كيميائي. وقد أوجدت البازلتات الفيضية ما قبل الكمبري ظروفاً مختزِلة أرسبت النحاس النقي في اللوزيات والشقوق. واستخرج السكان الأصليون للأمريكتين هذا النحاس طوال 7000 عام، وصنعوا منه أدوات وحُلياً جرى تداولها في أنحاء North America.
يتكوّن النحاس من خلال التقاط النيوترونات البطيء (s-process) في النجوم العملاقة ذات الفرع المقارب، ومن خلال التخليق النووي الانفجاري في المستعرات العظمى من النوع II. وتوفر نسبة النظير Cu-63/Cu-65 أدلة على التطور الكيميائي المجري والمعالجة النجمية. وتحتوي النيازك على النحاس في حالات الكبريتيد، مما يشير إلى وجوده أثناء تكوّن النظام الشمسي قبل 4.6 billion years.
تحتوي مياه البحر على 0.25 جزء في البليون من النحاس، وهو ضروري للكائنات البحرية لكنه سام عند التراكيز الأعلى. وتتراكم العُقيدات متعددة الفلزات في قيعان المحيطات العميقة على مدى ملايين السنين، إذ تترسب الفلزات من مياه البحر. وتدوّر الأنظمة الحرارية المائية في ظهور وسط المحيط النحاس باستمرار بين الوشاح والمحيطات، محافظةً على التوازن الجيوكيميائي العالمي.
يعمل النحاس مغذياً دقيقاً أساسياً لجميع أشكال الحياة، ويدخل في إنزيمات مثل أوكسيداز السيتوكروم وديسموتاز فوق الأكسيد. وتحتاج النباتات إلى النحاس في عملية البناء الضوئي واستقلاب الحديد، بينما تحتاج إليه الحيوانات لتكوين النسيج الضام ونقل الحديد. ويؤثر توافر النحاس في التربة في الإنتاجية الزراعية وصحة النظام البيئي.
ينتج عن تجوية كبريتيدات النحاس معادن ثانوية مذهلة. ويكوّن الأزوريت [Cu₃(CO₃)₂(OH)₂] بلورات زرقاء زاهية، بينما ينتج الملاكيت [Cu₂CO₃(OH)₂] أنماطاً شريطية خضراء نابضة بالحياة. ويتكوّن الكريزوكولا على هيئة كتل سيليكاتية زرقاء مخضرة، بينما يعرض الكوبريت (Cu₂O) بلورات ثمانية الأوجه حمراء داكنة. وقد جذبت هذه المعادن الملونة البشر لآلاف السنين.
التعامل
OSHA PEL: 1 mg/m³ لأبخرة النحاس، و1 mg/m³ لغبار النحاس ورذاذه (TWA لمدة 8 ساعات). NIOSH REL: 1 mg/m³ لمركبات النحاس، و0.1 mg/m³ لأبخرة النحاس للوقاية من حمى أبخرة المعادن. ACGIH TLV: 0.2 mg/m³ لأبخرة النحاس، مع إدراك زيادة مخاطر التحسس التنفسي الناتجة عن اللحام والعمليات التي تستخدم درجات حرارة عالية.
حمى أبخرة النحاس تصيب عمال اللحام والعاملين في تشغيل المعادن الذين يتعرضون لأبخرة أكسيد النحاس، وتسبب أعراضاً شبيهة بالإنفلونزا، منها الحمى والقشعريرة وآلام العضلات وطعم معدني في الفم. تبدأ الأعراض عادةً بعد 4-12 ساعة من التعرض وتزول خلال 24-48 ساعة. حمى صباح الاثنين تحدث عندما يفقد العمال قدرتهم على التحمل خلال عطلات نهاية الأسبوع. تتطلب الوقاية تهوية كافية وحماية تنفسية أثناء العمل الساخن.
يسبب ابتلاع كبريتات النحاس تهيجاً شديداً في الجهاز الهضمي وغثياناً وقيئاً، وقد يسبب تلفاً كبدياً مميتاً عند جرعات تتجاوز 10-20 غراماً. مرض ويلسون - وهو اضطراب وراثي يصيب شخصاً واحداً من كل 30,000 شخص - يمنع طرح النحاس بصورة طبيعية، مما يؤدي إلى تراكم خطير له في الكبد والدماغ. تشمل الأعراض مرض الكبد والمشكلات العصبية وحلقات كايزر-فلايشر المميزة في العينين.
الاستنشاق: انقل المصاب إلى هواء نقي فوراً، وراقب ظهور أعراض تنفسية متأخرة، واطلب العناية الطبية عند استمرار السعال أو صعوبة التنفس. ملامسة الجلد: اغسل بالماء والصابون، وانزع الملابس الملوثة. ملامسة العينين: اغسل بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة، واطلب العناية الطبية عند استمرار التهيج. الابتلاع: لا تحفز القيء، وأعطِ ماءً أو حليباً، واطلب العناية الطبية فوراً.
معيار EPA لمياه الشرب: مستوى إجراء قدره 1.3 mg/L للنحاس في أنظمة المياه العامة. تسبب التركيزات الأعلى اضطرابات معدية معوية وقد تشير إلى تآكل أنابيب السباكة. السمية المائية: النحاس شديد السمية للأسماك واللافقاريات المائية، مما يتطلب التخلص بعناية من المحاليل المحتوية على النحاس ومعالجة مياه الصرف الصناعي.
خزّن مواد النحاس في ظروف جافة لمنع الأكسدة وتكوّن الغبار. تتطلب عمليات الطحن والقطع تهويةً موضعيةً بالعادم للسيطرة على غبار النحاس. ويحتاج اللحام والنحاس الأصفر إلى أنظمة متخصصة لشفط الأبخرة. تمنع النظافة الدورية تراكم غبار النحاس الذي قد يسبب مخاطر تنفسية أو ظروفاً لاحتراق الغبار.
يحتاج العمال الذين يتعرضون لمستويات كبيرة من النحاس إلى اختبارات وظائف الكبد الأساسية والدورية، وتعدادات دم كاملة، وتقييمات تنفسية. تساعد مستويات النحاس في المصل والسيرولوبلازمين على تحديد الامتصاص المفرط. يتيح الكشف المبكر عن مرض ويلسون لدى العمال التدبير الطبي المناسب ويمنع المضاعفات الخطيرة.
إجابات سريعة
نحاس (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a فلز انتقالي in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 1 electrons respectively.نحاس melts at 1357.8 K (1084.6 °C) and boils at 2835 K (2561.9 °C).
The standard atomic weight of نحاس is 63.546 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
نحاس has a density of 8.96 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of نحاس is about 9× heavier.
نحاس has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
نحاس has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from latin cuprum, from Cyprus.
نحاس makes up about 60 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.