נחושת

נחושת

אבץ - נחושת - ניקל
Cu Ag       29 Cu                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	29
סמל כימי	Cu
סדרה כימית	מתכות מעבר
מראה
אדום-כתמתם מתכתי
תכונות אטומיות
משקל אטומי	63.546 u
רדיוס ואן דר ואלס	140 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 18, 1
דרגות חמצון	1, 3, 2, 4
תכונות פיזיקליות
צפיפות	8,920 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	2,840.15K (2,567°C)
נקודת התכה	1,357.55K (1,084.4°C)
לחץ אדים	0.0505Pa ב-1,358K
מהירות הקול	3,570 מטר לשנייה ב-293.15K
שונות
אלקטרושליליות	1.9
קיבול חום סגולי	380 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	59.6 106/m·Ω
מוליכות חום	401 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	745.5 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה	1,957.9 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית	3,555 kJ/mol
אנרגיית יינון רביעית	5,536 kJ/mol
היסטוריה
תאריך גילוי	האלף ה־7 לפנה״ס?
נקרא על שם	קפריסין

נחושת בטבע

נְחוֹשֶׁת (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: נֻחַאס (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, המאופיינת בפעילות כימית נמוכה, ועמידה בפני השפעות האטמוספירה. חשיפה ממושכת לאוויר רטוב גורמת להיווצרות שיכבה ירקרקה של קרבונטים (פטינה) המגנה על המתכת מפני חמצון נוסף. 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 להולכת חשמל, ומכינים ממנה כבלי הולכת חשמל, שנמצאים בין השאר במנועים, 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 בעיקר להכנת כלים ואבזרי קישוט, וגם כיום יש מטבעות, כלים, חלקי ריהוט, וגם צינורות העשויים מנחושת.

יוני נחושת יכולים להיות אנטי ביוטיים. שימוש הקשור לכך הוא שילוב גרגירים של נחושת בטקסטיל, ואז עיבוד הטקסטיל למוצר מוגמר, הנותן הגנה מפני פתוגנים.

היסטוריה

כלי נחושת בני 6000 שנה ממטמון נחל משמר

קיימים ממצאים ארכאולוגיים המעידים על שימוש אנושי בנחושת מעל 5,000 שנה. ידוע על גילוי עפרות נחושת בקפריסין כ-5,000 שנה לפני זמננו. 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, חצי האי סיני ואזורי הערבה ומדבר יהודה בארץ ישראל.

השומרים השתמשו בנחושת והכינו ממנה חפצים לפני כ-5,000 שנה. 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 כ-4,250 שנה לפני זמננו, ולפני כ-3,200 שנה כבר 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.

ממצאים ארכאולוגיים

מטיל נחושת שנמצא בכרתים

• תליון נחושת המתוארך ל-8700 לפנה"ס נמצא באזור צפון עיראק של היום.
• ישנן עדויות לטיהור נחושת מתחמוצות נחושת (מלכיט לדוגמה) מלפני 7,000 שנים. לשם השוואה, בזהב החלו להשתמש, ככל הנראה, בשנת 4000 לפנה"ס.
• במערת המטמון בנחל משמר, שבמדבר יהודה, נמצא ב-1961 מטמון ("מטמון נחל משמר") ובו 429 כלי נחושת ברמת גימור גבוהה שנוצרו לפני כ-6,000 שנים. זה האוסף הגדול ביותר של חפצים עתיקים מנחושת שנתגלה במזרח התיכון.
• באירופה התגלתה גופה שהשתמרה בקרח משנת 3,200 לפנה"ס, שזכתה לכינוי "אצי, איש הקרח". על אצי נמצא גרזן עם חוד נחושת (99.7% טהור). רמות גבוהות של ארסן בשערו מצביעות על מעורבותו בייצור הנחושת.

תרכובות

CuSO₄ · 5H₂O

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 (${\ce {CuCO3}}$) היא מלח ירקרק, המופיע לעיתים קרובות על ציפויי נחושת בכלים וחפצים אחרים. נחושת גופרתית (${\ce {CuSO4}}$) היא מלח כחול שמשתמשים בו לעיתים קרובות במעבדות כקוטל פטריות. נחושת דו-כלורית, מלח בצבע חום בהיר, משמשת כזרז למשל בייצור אצטאלדהיד מאתן. קיימות שתי תחמוצות נחושת יציבות - CuO ו-${\ce {Cu2O}}$. תחמוצות אלו מהוות חומר התחלתי בייצור ${\ce {YBa2Cu3O7-\delta}}$ שהוא חומר בסיס בייצור מוליכי-על.

תפקיד ביולוגי

נחושת היא מינרל בעולם החי והצומח, והיא מצויה בכמות זעירה אך 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 2-1.5 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.

הפקת נחושת

הנחושת מופקת בעולם ממרבצים שהם תערובת של תרכובות הנחושת וחומרים אחרים. מתוך 165 תרכובות נחושת המצויות במרבצים, רק כ-12 הן בעלות חשיבות להפקת הנחושת:

עפרות נחושת
התרכובת	הרכב	צפיפות (גרם/סמ"ק)	% הנחושת
תרכובות מכילות חמצן
קופריט	$\ \mathrm {Cu_{2}O}$	6.0	88.8
טנוריט	$\ \mathrm {CuO}$	5.8-6.3	79.8
מלכיט	$\ \mathrm {CuCO_{3}\centerdot Cu(OH)_{2}}$	3.9-4.0	57.3
כריזוקולה	$\ \mathrm {CuSiO_{3}\centerdot 2H_{2}O}$	2.0-2.4	36.0
ברוכנטיט	$\ \mathrm {CuSO_{4}\centerdot 3Cu(OH)_{2}}$	3.39	56.2
אטקמיט	$\ \mathrm {CuCl_{2}\centerdot 3Cu(OH)_{2}}$	3.75-3.77	59.4
תרכובות מכילות גופרית
כלקופיריט	$\ \mathrm {CuFeS_{2}}$	4.2-4.3	34.5
בורניט	$\ \mathrm {Cu_{5}FeS_{4}}$	4.9-5.4	63.3
כלכוציט	$\ \mathrm {Cu_{2}S}$	5.5-5.8	79.8
קובליט	$\ \mathrm {CuS}$	4.9-5	66.4
אנרגיט	$\ \mathrm {3Cu_{2}S\centerdot As_{2}S_{5}}$	4.43-4.45	48.3
טטרהדריט	$\ \mathrm {3Cu_{2}S\centerdot Sb_{2}S_{3}}$	4.7-5.0	52.1
בתמנע מצויים בעיקר העפרות מלכיט וכריזוקולה.

כריית עפרות הנחושת נעשית בדרך כלל ממכרות פתוחים. 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 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 נחושת תמנע (1980)

ערכים מורחבים – בקעת תמנע, מכרות נחושת תמנע

בתנ"ך מוזכרת ישראל כארץ שבה יש מחצבי נחושת: אֶרֶץ אֲשֶׁר אֲבָנֶיהָ בַרְזֶל, וּמֵהֲרָרֶיהָ תַּחְצֹב נְחֹשֶׁת. 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. מאז חידוש הכרייה במכרה נהרגו במקום שני 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 (כשבר 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]

בתרבות

בספר שמות בני ישראל מצווים על בניית המשכן, שמכיל כמות גדולה של נחושת. כשבנה שלמה המלך את בית המקדש, הוא הקים בפתחו שני עמודי נחושת כבירים בשם יכין ובועז.

נחושת נקשרה לאלה היוונית אפרודיטה במיתולוגיה היוונית. באלכימיה, סמל הנחושת זהה לסמלה של אפרודיטה, המקובל כיום כסמל המין הנשי. הקשר של אפרודיטה (ובעקבותיה המין הנשי כולו) לנחושת נוצר בשל השימוש בנחושת להכנת מראות שנחשבו אביזר טיפוח נשי. כך נבנה הכיור במשכן מ"נְחֹשֶׁת בְּמַרְאֹת הַצֹּבְאֹת אֲשֶׁר צָבְאוּ פֶּתַח אֹהֶל מוֹעֵד"(ספר שמות, פרק ל"ח, פסוק ח'). לפי המיתולוגיה נולדה ונוס מקצף הגלים לחוף קפריסין, האי היה מזוהה עם האלה, וקפריסין הייתה מקור עיקרי לעפרות נחושת בתקופה ההלניסטית. כך, למשל, נותן קיניריס, מלכה האגדי של קפריסין, למלך היוונים אגממנון את שריון הנחושת "מגן גיבורים עוטר לאדם ועשוי לתפארה" בצאתו למלחמת טרויה:

ואגממנון הריע בקולו ויצו לארגאים
כי יתאזרו; וילבש גם הוא כלי הנחושת הנוצצה.
אחרי כן בא ועיטר סביב לחזה השריון
אשר נתן לו קיניריס תשורה של אורחים.

— הומרוס, איליאדה: שיר 11 שורות 15–20, תרגום שאול טשרניחובסקי

קישורים חיצוניים

• נחושת, באתר Webelements (באנגלית)
• מאיר ברק, מה הדומה והשונה בין ברזל ונחושת?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 24 פברואר 2010
• דפנה מאור, שוד הנחושת הגדול: מה קרה ל-7,000 טונות של המתכת היקרה - ולמה זה צריך להדאיג אותנו, באתר TheMarker‏, 4 באוקטובר 2022
• סרט של ה-BBC על הפקת נחושת בזמביה על ידי תאגיד הענק השווייצרי גלנקור
• נחושת, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• נחושת, דף שער בספרייה הלאומית