خصائص معدن النحاس وأهم استخداماته

يعد النحاس من أكثر المعادن توصيلًا للكهرباء، بالإضافة إلى مرونته التي ساعدت على أن يصبح جزءًا لا يتجزأ من الاتصالات السلكية واللاسلكية في العالم، ويتميز بلونه الأحمر المبهج من الناحية الجمالية وعندما يتأكسد يتحول إلى اللون الأخضر، مما يجعله معدن مفضل للفنانين والمهندسين المعماريين، سنتعرف في هذا المقال عن كل ما يخص هذا المعدن المثير وعن أهم استخداماته.

كيف يمكن العثور على النحاس (Copper)؟

يعتبر النحاس هو العنصر الخامس والعشرون من حيث وفرة وجوده في الأرض، يمكن العثور عليه كمعدن ذو لون أحمر ناعم في صورة صخور كبيرة تزن عدة مئات من الأطنان أو كخامات كبريتيدية. والخامات الكبريتيدية عبارة عن خليط معقد من المعدن الأحمر والحديد والكبريت مع معادن أخرى، مثل الزرنيخ والزنك والفضة. و يتراوح تركيز المعدن الأحمر في هذه الخامات بين 0.5-2٪.

الخام الأكثر شيوعًا من النحاس هو الكالكوبيريت، وهو خام أصفر نحاسي يمثل ما يقرب من 50٪ من الرواسب النحاسية في العالم. وتوجد العديد من الخامات النحاسية الأخرى بعدة ألوان وتركيبات مختلفة، مثل الملاخيت وخام أخضر لامع والكوبريت الأحمر الخام.

تاريخ اكتشاف النحاس

استخدمت البشرية المعدن الأحمر منذ العصر الحجري الحديث منذ أكثر من 10000 عام، حيث جاء أغلب المستخرج منه من قبرص في الإمبراطورية الرومانية، وقد أطلق عليه اسم Cyprium أو Cuprum ومن هنا جاءت التسمية باسم النحاس.

السبائك الشائعة

• السبائك البرونزية، التي تستخدم في صناعة العملات والأعمال الفنية، التي تحتوي على نحاس بنسبة 88-95٪.
• سبائك برونز الألومنيوم، التي تستخدم في التطبيقات البحرية، بسبب مقاومتها العالية للتآكل أكثر من البرونز العادي، وتحتوي على نحاس بنسبة 74-95٪.
• السبائك النحاسية، وهي مجموعة واسعة من السبائك التي تدخل في صناعة أشياء كثيرة، مثل خراطيش الذخيرة ومقابض الأبواب، وتحتوي على نحاس بنسبة 90-95%.
• سبائك كوبرونيكل، التي تستخدم في العملات والتطبيقات البحرية وأوتار الآلات الموسيقية، وتبلغ نسبة المعدن الأحمر فيها من 50-90%.
• سبيكة نيكل سيلفر، لا تحتوي هذه السبيكة على الفضة، لكن لها مظهر مماثل وتستخدم غالبًا في الآلات الموسيقية والمجوهرات، بنسبة 60%CU.
• بيريليوم النحاس، وهي سبيكة نحاسية قوية بشكل مذهل ولكنها سامة، و لا تشتعل لذلك تستخدم في بيئات الغاز الخطرة، ويوجد بها copper بنسبة 97-99.5%.

الخصائص الفيزيائية للنحاس

للمعدن الأحمر عدة خصائص فيزيائية سنتعرف عليها في السطور التالية:

• القوة: هو معدن ضعيف جدا، هذا يفسر لماذا يتشكل النحاس يدويًا بسهولة ولكنه ليس خيارًا جيدًا للتطبيقات الهيكلية.
• الصلابة: بالرغم من أنه ليس قويًا، إلا أنه ليس من السهل كسره هذا لأنه ذو صلابة عالية، تستخدم هذه الخاصية المفيدة في تطبيقات الأنابيب حيث يمكن أن يكون التمزق فيها خطيرًا ومكلفًا.
• المرونة:  هو معدن مرن مطاطي أيضًا للغاية، مما يسهل استخدامه في صناعات الكهرباء والمجوهرات.
• التوصيل الكهربائي والحراري: يقع المعدن الأحمر في المرتبة الثانية بعد الفضة في التوصيل الكهربائي والحراري، فهو موصل ممتاز للكهرباء وللحرارة. لذلك يستخدم النحاس في تطبيقات عديدة، مثل أدوات الطهي حيث يسحب الحرارة بسرعة إلى الطعام بالداخل.

استخدامات المعدن الأحمر

من أجل فهم تطبيقات المعدن الأحمر (copper) المختلفة بشكل أفضل، صنفتها جمعية تطوير النحاس (CDA) إلى أربعة قطاعات رئيسية للاستخدامات النهائية، والتي تشمل الكهرباء والبناء والنقل وغيرها.

وتقدر هيئة التنمية النظيفة النسبة المئوية لإنتاج النحاس العالمي الذي يستهلكه كل قطاع على النحو التالي:

• الكهرباء: 65٪.
• البناء: 25٪.
• النقل: 7٪.
• أخرى: 3٪.

استخدامه في الكهرباء

 المعدن الأحمر هو الموصل الأكثر فعالية للكهرباء بعد الفضة، بالإضافة إلى مقاومته للتآكل ومرونته وقدرته على العمل ضمن مجموعة واسعة من شبكات الطاقة، مما يجعله الاختيار الأمثل للأسلاك الكهربائية.

حيث يتم غالبًا تشكيل جميع الأسلاك الكهربائية باستثناء خطوط الطاقة العلوية بالنحاس، كما أن الحافلات والموصلات التي توزع الطاقة والمحولات واللفائف الحركية تعتمد على قدرته على التوصيل، وتعتبر المحولات النحاسية فعالة بنسبة تصل إلى 99.75 بالمائة.

أصبح النحاس يدخل في كثير من التطبيقات الكهربائية، مثل الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والهواتف المحمولة والأجهزة الإلكترونية المحمولة.

 كما أنه يعتبر عنصرًا هامًا لإنتاج العديد من الأشياء، مثل الموصلات الإلكترونية والأسلاك ودوائر الاتصالات وأشباه الموصلات، ولحام الأقطاب الكهربائية وأنظمة رش الحريق وأحواض الحرارة وصناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية. 

حيث تُستخدم الأسلاك النحاسية الملتوية بدقة في أسلاك ADSL و HDSL لخطوط الإنترنت الخاصة بالشبكة المحلية (LAN)، بالإضافة إلى استخدامه في قطاع الطاقة المتجددة حيث يعتبر المعدن الأساسي في إنتاج كل من الخلايا الكهروضوئية النحاسية وتوربينات الرياح. 

مجال التشييد والبناء

تعتبر الآن الأنابيب المصنوعة من المعدن النحاسي هي المادة القياسية لمياه الشرب ونظم التدفئة في معظم البلدان المتقدمة، وذلك بسبب خصائصه الجرثومية أي قدرته على تثبيط نمو الكائنات البكتيرية والفيروسية في الماء، كما أنه يستخدم كمادة أنابيب لمرونته وقابليته للالتحام بالإضافة إلى مقاومته للتآكل الحراري الشديد. ومن أمثلة التطبيقات على استخدامه ما يلي:

• أنابيب التبادل الحراري للمكثفات في محطات الطاقة البخارية والمحطات الكيميائية.
• أنظمة الري والرش الزراعي.
• الأنابيب في مصانع التقطير.
• خطوط تغذية مياه البحر.
• مضخات الأسمنت لإمدادات مياه الحفر.
• أنابيب لتوزيع النفط الطبيعي.
• أنابيب توزيع غاز الوقود.

كما أنه يستخدم في التشييد المعماري كمعدن هيكلي، مثل أبواب منطقة آمون ري في الكرنك في مصر، وسقف الألواح النحاسية فوق معبد لوها مها بايا في سريلانكا. واستخدم أيضًا في تزيين قباب وأبراج العديد من الكنائس والكاتدرائيات في العصور الوسطى، وتم استخدامه في العصور الحديثة في المباني الحكومية. ويعود استخدامه الواسع في مجال البناء إلى مظهره ولونه الأحمر الجذاب، وعند أكسدته يتحول إلى لون أخضر يسمى باتينا.

مجال النقل

يستخدم المعدن الأحمر في المكونات الأساسية للطائرات والقطارات والسيارات والقوارب، اعتمادًا على الخصائص الكهربائية والحرارية له. حيث يستخدم في السيارات في مبردات النفط، وفي أنظمة الملاحة على متن الطائرة وأنظمة الكبح المضادة للقفل، والمقاعد المدفأة.

استخدامات أخرى للنحاس

يستخدم النحاس في تطبيقات أخرى عديدة، مثل أدوات الطهي والتطبيقات الحرارية، بالإضافة إلى وحدات تكييف الهواء والمصارف الحرارية، ووحدات تسخين المياه ووحدات التبريد.

إعادة تدوير النحاس

المعدن الأحمر هو واحد من أكثر المعادن التي يعاد تدويرها على نطاق كبير، حيث يتم إعادة تدوير ما يقرب من ثلث جميع النحاس المستهلك في جميع أنحاء العالم. ويمكن إعادة مزج النحاس المعاد تدويره وسبائكه واستخدامها مباشرة أو إعادة معالجتها للنحاس المكرر دون فقدان أي من الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية للمعدن.

لذلك زاد الإنتاج والاستهلاك العالمي منه بشكل ملحوظ في السنوات 25 الماضية، ومع دخول البلدان النامية الكبيرة السوق العالمية، حديثًا أصبحت منطقة الأنديز في أمريكا الجنوبية أكثر المناطق إنتاجًا له في العالم. يأتي كل النحاس المنتج في الولايات المتحدة تقريبًا من عدة أماكن، مثل يوتا أو نيو مكسيكو وأريزونا أو نيفادا، لذلك يعتبر منخفضًا خطر تعطل إمدادات النحاس العالمية لأن إنتاجه لا يقتصر على بلد أو منطقة واحدة. 

ختامًا، معدن النحاس هو معدن نفيس  يدخل في العديد من الصناعات خاصةً الكهربائية، ولكنه يعتبر أعلى تكلفة بعض الشئ من معادن أخرى كالألومنيوم، لذلك فإن معظم الخطوط الكهربائية العلوية في العالم مصنوعة من الألومنيوم.