נחושת

מתוך המכלול
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
אבץ - נחושת - ניקל
 

Cu
Ag  
 
 
Cu-TableImage.png
כללי
מספר אטומי 29
סמל כימי Cu
סדרה כימית מתכות מעבר
צפיפות 8920 kg/m3
מראה
אדום-כתמתם מתכתי
NatCopper.jpg
תכונות אטומיות
משקל אטומי 63.546 amu
רדיוס ואן דר ואלס 140 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2, 8, 18, 1
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר מוצק
טמפרטורת התכה 1357.55K (1,084.4°C)
טמפרטורת רתיחה 2840.15K (2,567°C)
לחץ אדים 0.0505Pa ב-1358K
מהירות הקול 3570 מטר לשנייה ב293.15K
שונות
אלקטרושליליות 1.9
קיבול חום סגולי 380 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית 59.6 106/m·Ω
מוליכות תרמית 401 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 745.5 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה 1957.9 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית 3555 kJ/mol
אנרגיית יינון רביעית 5536 kJ/mol

נחושת (לטינית: Cuprum) הוא יסוד כימי מתכתי שסמלו הכימי Cu ומספרו האטומי 29.

במקרא מוזכרת גם בצורת המשנֶה נְחוּשָׁה. במכתבי אל עמארנה: nuhִustum; בכנענית: נחשת; בארמית: נְחָשׁ, נְחָשָׁא ובערבית: נֻחַאשׂ (نُحَاس).

תכונות

הנחושת היא מתכת מבריקה בצבע אדום-כתום, בעלת מוליכות חום ומוליכות חשמלית גבוהה. היא נמצאת בטבלה המחזורית בין ניקל ואבץ, ובאותה עמודה עם כסף וזהב. הנחושת היא מתכת אצילה למחצה, מצטיינת בפעילות כימית נמוכה, ועמידה בפני השפעות האטמוספירה. חשיפה ממושכת לאוויר רטוב גורמת להיווצרות שיכבה ירקרקה של קרבונטים (פטינה) המגנה על המתכת. נחושת מופיעה בטבע בעיקר כעפרה (תרכובת, בדרך כלל עם גפרית) ובמקרים נדירים כמתכת טהורה.

שימושים

נחושת היא אחת מהמתכות הנמצאות בשימוש נרחב מאוד של האנושות. השימוש העיקרי של נחושת החל מסוף המאה ה-19 הוא ליצור מוליכי חשמל, המשמשים לייצור כבלי הולכת חשמל, מנועים, שנאים, אלקטרומגנטים ומעגלים מודפסים, בשל המוליכות החשמלית הגבוהה שלה (המתכת היחידה שלה מוליכות גבוהה מעט יותר היא כסף, שמחירה גבוה בהרבה).

כמו כן, בשל מוליכות החום הגבוהה שלה נעשה בה שימוש בפתרונות קירור בתעשיית המחשבים והאלקטרוניקה.

נחושת היא חומר גלם בפיסול (לדוגמה, פסל החירות מכיל 81.3 טון נחושת), וכן בעשיית כלי נשיפה.

נחושת משמשת לייצור סגסוגות מתכת, כגון פליז וארד (ברונזה).

בעבר שימשה הנחושת את האדם בעיקר להכנת כלים ואבזרי קישוט, וגם כיום יש מטבעות, כלים, חלקי ריהוט, וגם צינורות העשויים מנחושת.

היסטוריה

הרומאים, אחרי שכבשו את האי, כינו את המתכת Cyprium (מתכת קפריסין), ושם זה קוצר בהמשך ל-Cuprum. מרכזי הפקה ידועים נוספים של נחושת בתקופות קדומות, מלבד קפריסין, היו גם הרמה האיראנית, הרי אדום ואזור הערבה וסיני בארץ ישראל.

השומרים השתמשו בנחושת והכינו ממנה חפצים בסביבות 3000 לפנה"ס. גם המצרים הכינו באותה תקופה חפצים מנחושת. באחת הפירמידות נמצאה צנרת מנחושת בת כ-5,000 שנים.

השימוש בארד (סגסוגת של נחושת ובדיל, הקרויה גם ברונזה) החל כנראה במצרים. המצרים גילו שהוספת כמות קטנה של בדיל לנחושת מקלה על מלאכת החישול. סגסוגות ארד נמצאו במצרים כמעט באותה תקופה שבה נמצאה נחושת. השימוש בארד התפשט בין תרבויות במהירות רבה והוא מקור השם ל"תקופת הברונזה".

בסין החלו להשתמש בנחושת בסביבות 2,000 לפנה"ס ומ-1,200 לפנה"ס יוצר בסין ארד באיכות גבוהה.

היוונים והרומאים השתמשו רבות גם בפליז, סגסוגת של נחושת ואבץ.

כיום מפיקים את מרבית הנחושת בצ'ילה, בארצות הברית, באינדונזיה ובפרו. בעבר נכרו מחצבי נחושת גם בישראל (ראה #נחושת בישראל).


נחושת טבעית

תרכובות

לנחושת יש שתי דרגות חמצון נפוצות - 2+ ו-1+. היציבה והנפוצה יותר מבין השתיים היא 2+, שיוצרת מלחים פרה-מגנטיים (תשעה אלקטרונים בקליפה 3d) בצבע כחול או כחול-ירוק. תרכובות נחושת בדרגת החמצון 1+ הן דיאמגנטיות (קליפה d מלאה- כל האלקטרונים מזווגים) וחסרות צבע. בתנאים מיוחדים קיימת גם דרגת החמצון 3+.

נחושת פחמתית (CuCO3) היא מלח ירקרק, המופיע לעתים קרובות על ציפויי נחושת בכלים וחפצים אחרים. נחושת גופרתית (CuSO4) היא מלח כחול שמשתמשים בו לעתים קרובות במעבדות כקוטל פטריות. נחושת דו-כלורית, מלח בצבע חום בהיר, משמשת כזרז למשל בייצור אצטאלדהיד מאתן.

CuSO4 · 5H2O

קיימות שתי תחמוצות נחושת יציבות - CuO ו-Cu2O. תחמוצות אלו מהוות חומר התחלתי בייצור YBa2Cu3O7-δ שהוא חומר בסיס בייצור מוליכי-על.

תפקיד ביולוגי

נחושת היא מינרל קורט בעולם החי והצומח, והיא חיונית לתהליכים ביולוגיים חשובים.

אטומי נחושת מופיעים במרכזם של אנזימים וחלבונים אחרים בעלי חשיבות עליונה: ציטוכרום C אוקסידאז (קולט האלקטרונים הסופי בתהליך הנשימה התאית), המוציאנין (החלבון נושא החמצן השכיח ביותר באורגניזמים, אחרי המוגלובין. משמש לנשיאת חמצן ברכיכות ובכמה סוגי סרטנים), סופראוקסיד דיסמוטאז (SOD, משמש לביטול השפעת הרעלים בתהליך הנשימה התאית; ראו ערך אנארובי לפרטים נוספים) ועוד.

השפעות בריאותיות

מנה של 30 מיליגרם נחושת לכל קילוגרם ממשקל הגוף עלולה להיות קטלנית לבני אדם. הרמה הבטוחה של נחושת במי שתייה היא עד 1.5-2 מיליגרם לליטר.

מחלת וילסון היא מחלה תורשתית שגורמת לגוף לצבור נחושת. אם החולה אינו מקבל טיפול, עלול להיגרם נזק לכבד ולמוח. בנוסף לכך, מחקרים מצאו קשר בין מחלות נפש כמו סכיזופרניה לבין רמות גבוהות של נחושת בגוף. לא ידוע עדיין אם הנחושת היא זו שגורמת למחלת הנפש, או שהמחלה היא זו שגורמת לגוף לצבור נחושת או שיש גורם אחר הגורם לגוף לצבור נחושת ואותו הגורם שגורם לגוף לצבור נחושת גורם גם למחלת הנפש.

תהליך ייצור הנחושת

הנחושת נמצאת בטבע בצורה של עפרות נחושת

הנחושת נמצאת בטבע בצורה של עפרות נחושת, בדרך כלל מעורבות עם כימיקלים או יסודות אחרים. כריית עפרות הנחושת נעשית בדרך כלל ממכרות פתוחות. הן נאספות לאחר חשיפתן באמצעות פיצוצים מבוקרים. לאחר האיסוף, מובלות העופרות למפעלי הזיקוק.

תהליך הזיקוק מתחיל בריכוז עפרות נחושת. סדרה של פטישים הולמים בעפרות והופכות אותן לחלקיקים קטנים יותר, כך שניתן יהיה לסלק את הכמויות הגדולות של אדמה הנמצאת בהן. לאחר מכן, חלקיקי העפרות מעורבבים עם מים ליצירת בלילה מרוכזת (הצפה flotation). החומר מועבר למטחנה סיבובית (Rod Mill) אשר שוברת את העפרות לחתיכות קטנות עוד יותר (גריסה). בסיום תהליך זה, העפרות עוברות למטחנת כדור (Ball Mill) המייצרת מהעפרות חלקיקי חומר בעלי קוטר של כ-0.25 מ"מ.  

לאחר השלמת פירוק ראשוני של העפרות, ריאגנטים כימיים (Chemical Reagents) מעורבבים יחד עם הבלילה, וגורמים לאיחוי הנחושת בצורה טובה יותר. בסוף תהליך זה מקבלים תערובת המכילה בערך כ-
25-35% נחושת. משם נשלחת התערובת לטיפול נוסף בחומרים כימיים ובחום. תהליך זה נקרא "התכה", ובו מסירים בצורה פיזית את חומרי הפסולת. התוצאה המותכת היא מתכת נחושת טהורה ב-99%.  

בשלב זה הנחושת עדיין מלוכלכת, 99% נחושת והשאר 1% מזהמים כגון חמצן, גופרית וברזל שעדיין צריך להסיר אותם. הנחושת עוברת אז שוב לחימום בתוך תנור זיקוק. לאחר ההתכה מוזרם בכוח אוויר לנחושת המותכת, אשר גורם לחמצון (oxidizes) של הזיהומים ומאפשר הסרתם בצורה קלה יותר. לאחר מכן נלקחת דוגמה לבדיקה על ידי מפעיל תנור ההתכה, אשר קובע אם רמת המזהמים מקובלת, כלומר: אם הנחושת היא בניקיון של כ-99.5% טהורה. הנחושת המותכת נוצקת לתוך אנודות חשמל (Electrical Anodes) גדולות, אשר משמשות בתהליך הזיקוק האלקטרוליטי. לאחר השלמת תהליך זיקוק אלקטרוליטי, מתקבלת נחושת נקייה בכ-99.95% עד 99.99% טהורה.  

במהלך תהליך זיקוק הנחושת וכתוצרי לוואי, נוצרות מתכות יקרות כגון זהב וכסף (בכמות קטנה), דבר המאפשר מקור הכנסה נוסף עבור בתי הזיקוק. אמנם המתכות היקרות הן תוצרים חיוביים, אבל בתהליך נוצרים מזהמים שונים הפוגעים באיכות הסביבה. רמת הזיהום הנמוכה היא אחת הסיבות שמיחזור נחושת טוב יותר מאשר הפקת נחושת מחדש מעפרות או ממחצבים טבעיים.

נחושת בישראל

מכרות הנחושת בתמנע - 1980

בישראל התגלו מרבצי נחושת באזור תמנע, לא רחוק מקיבוץ יטבתה שבערבה. האזור נקרא "מכרות תמנע". ב-1951 הוקמה חברת מכרות נחושת תמנע והכרייה המסחרית החלה ב-1959. במכרה הועסקו כ-1,200 עובדים תושבי אילת. הכרייה הופסקה ב-1983 בגלל צניחת מחירי הנחושת בעולם. ב-2007 החלה כרייה נסיונית על ידי חברה מקסיקנית[1]. מאז חידוש הכרייה במכרה נהרגו במקום 2 פועלים, מיכאל גלי וחיים ברמן.

איזוטופים של נחושת

לנחושת שני איזוטופים יציבים, 63Cu (שכיחות כ-69%) ו-65Cu (שכיחות כ-31%), ואיזוטופים בלתי-יציבים רבים אשר זמן מחצית החיים שלהם קצר (עד מספר שניות) ולכן אינם מצויים בטבע.

סמל
Z(p)
N (n)
 
מסה איזוטופית (u)
 
זמן מחצית חיים ספין גרעיני שכיחות האיזוטופ
שבר מולרי מהיסוד)
טווח השינוי הטבעי
(כשבר מולרי מהיסוד)
התרגשות אנרגטית
52Cu 29 23 51.99718(28)# (3+)#
53Cu 29 24 52.98555(28)# <300 ns (3/2-)#
54Cu 29 25 53.97671(23)# <75 ns (3+)#
55Cu 29 26 54.96605(32)# 40# ms [>200 ns] 3/2-#
56Cu 29 27 55.95856(15)# 93(3) ms (4+)
57Cu 29 28 56.949211(17) 196.3(7) ms 3/2-
58Cu 29 29 57.9445385(17) 3.204(7) s 1+
59Cu 29 30 58.9394980(8) 81.5(5) s 3/2-
60Cu 29 31 59.9373650(18) 23.7(4) min 2+
61Cu 29 32 60.9334578(11) 3.333(5) h 3/2-
62Cu 29 33 61.932584(4) 9.673(8) min 1+
63Cu 29 34 62.9295975(6) יציב 3/2- 0.6915(15) 0.68983-0.69338
64Cu 29 35 63.9297642(6) 12.700(2) h 1+
65Cu 29 36 64.9277895(7) יציב 3/2- 0.3085(15) 0.30662-0.31017
66Cu 29 37 65.9288688(7) 5.120(14) min 1+
67Cu 29 38 66.9277303(13) 61.83(12) h 3/2-
68Cu 29 39 67.9296109(17) 31.1(15) s 1+
68mCu 721.6(7) keV 3.75(5) min (6-)
69Cu 29 40 68.9294293(15) 2.85(15) min 3/2-
69mCu 2741.8(10) keV 360(30) ns (13/2+)
70Cu 29 41 69.9323923(17) 44.5(2) s (6-)
70m1Cu 101.1(3) keV 33(2) s (3-)
70m2Cu 242.6(5) keV 6.6(2) s 1+
71Cu 29 42 70.9326768(16) 19.4(14) s (3/2-)
71mCu 2756(10) keV 271(13) ns (19/2-)
72Cu 29 43 71.9358203(15) 6.6(1) s (1+)
72mCu 270(3) keV 1.76(3) µs (4-)
73Cu 29 44 72.936675(4) 4.2(3) s (3/2-)
74Cu 29 45 73.939875(7) 1.594(10) s (1+,3+)
75Cu 29 46 74.94190(105) 1.224(3) s (3/2-)#
76Cu 29 47 75.945275(7) 641(6) ms (3,5)
76mCu 0(200)# keV 1.27(30) s (1,3)
77Cu 29 48 76.94785(43)# 469(8) ms 3/2-#
78Cu 29 49 77.95196(43)# 342(11) ms
79Cu 29 50 78.95456(54)# 188(25) ms 3/2-#
80Cu 29 51 79.96087(64)# 100# ms [>300 ns]

קישורים חיצוניים

הערות שוליים