CUIVRE: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, UTILISATIONS, RÔLE BIOLOGIQUE - CHIMIE - 2025

Le cuivre est un métal de transition appartenant au groupe 11 du tableau périodique et est représenté par le symbole chimique Cu. Il se caractérise et se distingue par être un métal rouge-orange, très ductile et malléable, étant également un grand conducteur d'électricité et de chaleur.

Sous sa forme métallique, il se trouve comme minéral primaire dans les roches basaltiques. Pendant ce temps, il s'oxyde en composés sulfureux (ceux d'une plus grande exploitation minière), arséniures, chlorures et carbonates; c'est-à-dire une vaste catégorie de minéraux.

Réveil en cuivre. Source: Pixabay.

Parmi les minéraux qui en contiennent, on peut citer la chalcocite, la chalcopyrite, la bornite, la cuprite, la malachite et l'azurite. Le cuivre est également présent dans les cendres d'algues, dans les coraux marins et dans les arthropodes.

Ce métal a une abondance de 80 ppm dans la croûte terrestre et une concentration moyenne dans l'eau de mer de 2,5 ∙ 10 ^-4 mg / L. Dans la nature, il se présente sous forme de deux isotopes naturels: ⁶³ Cu, avec une abondance de 69,15%, et ⁶⁵ Cu, avec une abondance de 30,85%.

Il existe des preuves que le cuivre a été fondu en 8000 avant JC. C. et allié à l'étain pour former du bronze, en 4000 avant JC. C. On considère que seuls le fer et l'or météoriques le précèdent comme premiers métaux utilisés par l'homme. Il est donc synonyme de lueur archaïque et orangée à la fois.

Le cuivre est principalement utilisé dans la fabrication de câbles pour conduire l'électricité dans les moteurs électriques. De tels câbles, petits ou grands, constituent des machines ou des appareils dans l'industrie et dans la vie quotidienne.

Le cuivre est impliqué dans la chaîne de transport électronique qui permet la synthèse de l'ATP; principal composé énergétique des êtres vivants. C'est un cofacteur de la superoxyde dismutase: une enzyme qui dégrade l'ion superoxyde, un composé hautement toxique pour les êtres vivants.

De plus, le cuivre joue un rôle dans l'hémocyanine dans le transport de l'oxygène chez certains arachnides, crustacés et mollusques, qui est similaire à celui joué par le fer dans l'hémoglobine.

Malgré toutes ses actions bénéfiques pour l'homme, lorsque le cuivre s'accumule dans le corps humain, tel est le cas de la maladie de Wilson, il peut provoquer une cirrhose du foie, des troubles cérébraux et des lésions oculaires, entre autres altérations.

L'histoire

Âge du cuivre

Le cuivre natif a été utilisé pour fabriquer des artefacts comme substitut de la pierre au néolithique, probablement entre 9000 et 8000 avant JC. C. Le cuivre est l'un des premiers métaux utilisés par l'homme, après le fer présent dans les météorites et l'or.

Il existe des preuves de l'utilisation de l'exploitation minière pour obtenir du cuivre en l'an 5000 av. C. Déjà pour une date antérieure, des articles en cuivre ont été construits; c'est le cas d'une boucle d'oreille fabriquée en Irak estimée à 8700 avant JC. C.

À son tour, on pense que la métallurgie est née en Mésopotamie (aujourd'hui en Irak) en 4000 avant JC. C., lorsqu'il était possible de réduire le métal des minéraux grâce à l'utilisation du feu et du charbon. Plus tard, le cuivre a été intentionnellement allié à l'étain pour produire du bronze (4000 avant JC).

Certains historiens évoquent un âge du cuivre, qui se situerait chronologiquement entre le néolithique et l'âge du bronze. Plus tard, l'âge du fer a remplacé l'âge du bronze entre 2000 et 1000 avant JC. C.

L'Âge de bronze

L'âge du bronze a commencé 4000 ans après la fonte du cuivre. Les objets en bronze de la culture Vinca remontent à 4500 av. C.; tandis qu'en Sumer et en Egypte il y a des objets en bronze fabriqués 3000 ans avant JC. C.

L'utilisation du carbone radioactif a établi l'existence de l'extraction du cuivre à Alderley Edge, dans le Cheshire et au Royaume-Uni, entre les années 2280 et 1890 avant JC. C.

On peut noter que Ötzi, le "Ice Man" avec une date estimée entre 3300 et 3200 avant JC. C., avait une hache avec une tête de cuivre pur.

Les Romains du 6ème siècle avant JC. Ils utilisaient des morceaux de cuivre comme monnaie. Jules César utilisait des pièces en laiton, en cuivre et en alliage de zinc. De plus, les pièces d'Octavian étaient fabriquées avec un alliage de cuivre, de plomb et d'étain.

Production et nom

La production de cuivre dans l'Empire romain a atteint 150 000 tonnes par an, un chiffre qui n'a été dépassé que pendant la révolution industrielle. Les Romains ont apporté du cuivre de Chypre, le connaissant sous le nom de Cyprium («métal de Chypre»).

Plus tard, le terme a dégénéré en cuprum: un nom utilisé pour désigner le cuivre jusqu'en 1530, lorsque le terme racine anglais «cuivre» a été introduit pour désigner le métal.

La Grande Montagne de Cuivre en Suède, qui a fonctionné du 10ème siècle à 1992, a couvert 60% de la consommation de l'Europe au 17ème siècle. L'usine La Norddeutsche Affinerie à Hambourg (1876) a été la première usine de galvanoplastie moderne à utiliser du cuivre.

Proprietes physiques et chimiques

Apparence

Le cuivre est un métal rouge orangé brillant, tandis que la plupart des métaux natifs sont gris ou argentés.

Numéro atomique (Z)

29

Poids atomique

63 546 unités

Point de fusion

1 084,62 ºC

Les gaz courants tels que l'oxygène, l'azote, le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre sont solubles dans le cuivre fondu et affectent les propriétés mécaniques et électriques du métal lorsqu'il se solidifie.

Point d'ébullition

2 562 ºC

Densité

- 8,96 g / mL à température ambiante.

- 8,02 g / mL au point de fusion (liquide).

Notez qu'il n'y a pas de diminution considérable de la densité entre la phase solide et la phase liquide; tous deux représentent des matériaux très denses.

Température de fusion

13,26 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

300 kJ / mol.

Capacité calorique molaire

24,44 J / (mol * K).

Dilatation thermique

16,5 µm / (m * K) à 25 ° C

Conductivité thermique

401 W / (m ∙ K).

Résistivité électrique

16,78 Ω ∙ m à 20 ° C

Conductivité électrique

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Le cuivre a une conduction électrique très élevée, seulement dépassée par l'argent.

Dureté Mohs

3.0.

C'est donc un métal mou et également assez ductile. La résistance et la ténacité sont augmentées par le travail à froid en raison de la formation cristalline allongée de la même structure cubique centrée sur la face présente dans le cuivre.

Réactions chimiques

Test de flamme de cuivre, qui est identifié par la couleur de sa flamme bleu-vert. Source: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Le cuivre ne réagit pas avec l'eau, mais il réagit avec l'oxygène atmosphérique, étant recouvert d'une couche d'oxyde brun noir qui offre une protection contre la corrosion aux couches sous-jacentes du métal:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Le cuivre n'est pas soluble dans les acides dilués, mais il réagit avec les acides sulfurique et nitrique chauds et concentrés. Il est également soluble dans l'ammoniaque en solution aqueuse et dans le cyanure de potassium.

Il peut résister à l'action de l'air atmosphérique et de l'eau de mer. Cependant, son exposition prolongée entraîne la formation d'une fine couche protectrice verte (patine).

La couche précédente est un mélange de carbonate et de sulfate de cuivre, observé dans d'anciens bâtiments ou sculptures, comme la Statue de la Liberté à New York.

Le cuivre réagit chauffé au rouge avec l'oxygène pour donner de l'oxyde cuivrique (CuO) et à des températures plus élevées forme de l'oxyde cuivreux (Cu ₂ O). Il réagit également à chaud avec le soufre pour produire du sulfure de cuivre; par conséquent, il devient brumeux lorsqu'il est exposé à certains composés soufrés.

Le cuivre I brûle avec une flamme bleue dans un test de flamme; tandis que le cuivre II émet une flamme verte.

Structure et configuration électronique

Les cristaux de cuivre cristallisent dans la structure cubique à faces centrées (fcc). Dans ce cristal fcc, les atomes de Cu restent attachés grâce à la liaison métallique, qui est comparativement plus faible que les autres métaux de transition; un fait qui se manifeste par sa grande ductilité et son bas point de fusion (1084 ºC).

Selon la configuration électronique:

3d ¹⁰ 4s ¹

Toutes les orbitales 3D sont remplies d'électrons, alors qu'il y a un vide dans l'orbitale 4s. Cela signifie que les orbitales 3D ne collaborent pas dans la liaison métallique comme on pourrait s'y attendre avec d'autres métaux. Ainsi, les atomes de Cu le long du cristal chevauchent leurs orbitales 4s pour créer des bandes, influençant la force relativement faible de leurs interactions.

En fait, la différence énergétique qui en résulte entre les électrons orbitaux 3d (plein) et 4s (à moitié plein) est responsable de l'absorption des photons du spectre visible par les cristaux de cuivre, reflétant leur couleur orange distinctive.

Les cristaux de cuivre fcc peuvent avoir différentes tailles, ce qui, plus ils sont petits, plus la pièce métallique sera solide. Lorsqu'elles sont très petites, on parle alors de nanoparticules, sensibles à l'oxydation et réservées à des applications sélectives.

Numéros d'oxydation

Le premier nombre ou état d'oxydation que l'on peut attendre du cuivre est +1, en raison de la perte de l'électron de son orbitale 4s. Lorsqu'on l'a dans un composé, l'existence du cation Cu ⁺ (communément appelé l'ion cuivreux) est supposée.

Ceci et l'indice d'oxydation +2 (Cu ²⁺) sont les plus connus et les plus abondants pour le cuivre; ils sont généralement les seuls enseignés au niveau secondaire. Cependant, il existe également des nombres d'oxydation +3 (Cu ³⁺) et +4 (Cu ⁴⁺), qui ne sont pas aussi rares qu'on pourrait le penser à première vue.

Par exemple, les sels de l'anion cuprate, CuO ₂ ^-, représentent des composés avec le cuivre (III) ou +3; c'est le cas du cuprate de potassium, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2-).

Le cuivre aussi, bien qu'à un degré moindre et en de très rares occasions, peut avoir un indice d'oxydation négatif: -2 (Cu ^2-).

Comment est-il obtenu

Matière première

Les minéraux les plus utilisés pour l'extraction du cuivre sont les sulfures métalliques, principalement la chalcopyrite (CuFeS ₂) et la bornite (Cu ₅ FeS ₄). Ces minéraux représentent 50% du cuivre total extrait. La calellite (CuS) et la chalcocite (Cu ₂ S) sont également utilisées pour obtenir du cuivre.

Concassage et broyage

Dans un premier temps, les roches sont concassées pour obtenir des fragments rocheux de 1,2 cm. Puis il continue par un broyage des fragments rocheux, jusqu'à l'obtention de particules de 0,18 mm. De l'eau et des réactifs sont ajoutés pour obtenir une pâte, qui est ensuite flottée pour obtenir un concentré de cuivre.

Flottation

Dans cette étape, des bulles se forment qui piègent les minéraux de cuivre et de soufre présents dans la pâte. Plusieurs procédés sont mis en œuvre pour collecter la mousse, la sécher pour obtenir le concentré qui continue sa purification.

Purification

Pour séparer le cuivre des autres métaux et impuretés, le concentré sec est soumis à des températures élevées dans des fours spéciaux. Le cuivre affiné au feu (RAF) est moulé en plaques pesant environ 225 kg qui constitueront des anodes.

Électrolyse

L'électrolyse est utilisée dans le raffinage du cuivre. Les anodes de la fonderie sont acheminées vers des cellules électrolytiques pour être raffinées. Le cuivre se déplace vers la cathode et les impuretés se déposent au fond des cellules. Dans ce procédé, des cathodes en cuivre d'une pureté de 99,99% sont obtenues.

Alliages de cuivre

Bronze

Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain, le cuivre en constituant entre 80 et 97%. Il était utilisé dans la fabrication d'armes et d'ustensiles. Il est actuellement utilisé dans la fabrication de pièces mécaniques résistantes au frottement et à la corrosion.

En outre, il est utilisé dans la construction d'instruments de musique, tels que des cloches, des gongs, des cymbales, des saxophones et des cordes de harpes, de guitares et de piano.

Laiton

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc. Dans les laitons industriels, le pourcentage de zinc est inférieur à 50%. Il est utilisé dans l'élaboration de conteneurs et de structures métalliques.

Monel

L'alliage Monel est un alliage nickel-cuivre, avec un rapport nickel / cuivre de 2: 1. Il résiste à la corrosion et est utilisé dans les échangeurs de chaleur, les tiges et les arceaux de lentilles.

Ils ont confirmé

Constatán est un alliage composé de 55% de cuivre et 45% de nickel. Il est utilisé pour fabriquer des pièces de monnaie et se caractérise par une résistance constante. L'alliage cupro-nickel est également utilisé pour le revêtement extérieur des pièces de monnaie de petite valeur.

BeCu

L'alliage cuivre-béryllium a un pourcentage de béryllium de 2%. Cet alliage allie résistance, dureté, conductivité électrique et résistance à la corrosion. L'alliage est couramment utilisé dans les connecteurs électriques, les produits de télécommunications, les composants informatiques et les petits ressorts.

Les outils tels que les clés, les tournevis et les marteaux utilisés sur les plates-formes pétrolières et les mines de charbon portent les initiales BeCu pour garantir qu'ils ne produisent pas d'étincelles.

Autre

L'alliage argent 90% et cuivre 10% a été utilisé dans les pièces, jusqu'en 1965, lorsque l'utilisation de l'argent a été éliminée dans toutes les devises, à l'exception de la pièce d'un demi-dollar.

L'alliage de cuivre et d'aluminium à 7% est de couleur dorée et est utilisé dans la décoration. Pendant ce temps, Shakudo est un alliage décoratif japonais de cuivre et d'or, en faible pourcentage (4 à 10%).

Applications

Câblage électrique et moteurs

Câblage électrique en cuivre. Source: Scott Ehardt

Le cuivre, en raison de sa conduction électrique élevée et de son faible coût, est le métal de choix pour le câblage électrique. Le câble en cuivre est utilisé dans les différentes étapes de l'électricité, telles que la production d'électricité, le transport, la distribution, etc.

50% du cuivre produit dans le monde est utilisé dans la production de câbles et fils électriques, en raison de sa conductivité électrique élevée, de sa facilité de formation des fils (ductilité), de sa résistance à la déformation et à la corrosion.

Le cuivre est également utilisé dans la fabrication de circuits intégrés et de cartes de circuits imprimés. Le métal est utilisé dans les dissipateurs thermiques et les échangeurs thermiques en raison de sa conduction thermique élevée, ce qui facilite la dissipation thermique.

Le cuivre est utilisé dans les électroaimants, les tubes à vide, les tubes à rayons cathodiques et les magnétrons dans les fours à micro-ondes.

De même, il est utilisé dans la construction des bobines des moteurs électriques et des systèmes de mise en marche des moteurs, ces éléments représentant environ 40% de la consommation électrique mondiale.

Bâtiment

Le cuivre, en raison de sa résistance à la corrosion et à l'action de l'air atmosphérique, est utilisé depuis longtemps dans les toits des maisons, les descentes pluviales, les dômes, les portes, les fenêtres, etc.

Il est actuellement utilisé dans les revêtements muraux et les objets décoratifs, tels que les accessoires de salle de bain, les poignées de porte et les lampes. En outre, il est utilisé dans les produits antimicrobiens.

Action biostatique

Le cuivre empêche de nombreuses formes de vie de s'y développer. Il était utilisé dans des feuilles qui étaient placées au fond des coques des navires pour empêcher la croissance des mollusques, tels que les moules, ainsi que des balanes.

Actuellement, des peintures à base de cuivre sont utilisées pour la protection susmentionnée des coques de navires. Le cuivre métallique peut neutraliser de nombreuses bactéries au contact.

Son mécanisme d'action a été étudié sur la base de ses propriétés ioniques, corrosives et physiques. La conclusion était que le comportement oxydant du cuivre, ainsi que les propriétés de solubilité de ses oxydes, sont les facteurs qui font que le cuivre métallique est antibactérien.

Le cuivre métallique agit sur certaines souches d'E. Coli, S. aureus et Clostridium difficile, virus du groupe A, adénovirus et champignons. Par conséquent, il a été prévu d'utiliser des alliages de cuivre qui sont en contact avec les mains des passagers dans différents moyens de transport.

Nanoparticules

L'action antimicrobienne du cuivre est encore renforcée lorsque ses nanoparticules sont utilisées, qui se sont avérées utiles pour les traitements endodontiques.

De même, les nanoparticules de cuivre sont d'excellents adsorbants, et comme elles sont orange, un changement de couleur en elles représente une méthode colorimétrique latente; par exemple, développé pour la détection des pesticides dithiocarbamates.

Rôle biologique

Dans la chaîne de transport électronique

Le cuivre est un élément essentiel de la vie. Il est impliqué dans la chaîne de transport électronique, faisant partie du complexe IV. La dernière étape de la chaîne de transport électronique se déroule dans ce complexe: la réduction de la molécule d'oxygène pour former de l'eau.

Le complexe IV est composé de deux groupes hae, un cytochrome a, un cytochrome a ₃, ainsi que deux centres Cu; l'un appelé CuA et l'autre CuB. Le cytochrome a ₃ et le CuB forment un centre binucléaire dans lequel se produit la réduction de l'oxygène en eau.

Dans cette étape, le Cu passe de son état d'oxydation +1 à +2, donnant des électrons à la molécule d'oxygène. La chaîne de transport électronique utilise le NADH et le FADH ₂, du cycle de Krebs, comme donneurs d'électrons, avec lesquels elle crée un gradient d'hydrogène électrochimique.

Ce gradient sert de source d'énergie pour la génération d'ATP, dans un processus connu sous le nom de phosphorylation oxydative. Ainsi, et finalement, la présence de cuivre est nécessaire à la production d'ATP dans les cellules eucaryotes.

Dans l'enzyme superoxyde dismutase

Le cuivre fait partie de l'enzyme superoxyde dismutase, une enzyme qui catalyse la décomposition de l'ion superoxyde (O ₂ ^-), un composé toxique pour les êtres vivants.

La superoxyde dismutase catalyse la décomposition de l'ion superoxyde en oxygène et / ou peroxyde d'hydrogène.

La superoxyde dismutase peut utiliser la réduction du cuivre pour oxyder le superoxyde en oxygène, ou elle peut provoquer l'oxydation du cuivre pour former du peroxyde d'hydrogène à partir du superoxyde.

Dans l'hémocyanine

L'hémocyanine est une protéine présente dans le sang de certains arachnides, crustacés et mollusques. Il remplit une fonction similaire à l'hémoglobine chez ces animaux, mais au lieu d'avoir du fer sur le site de transport de l'oxygène, il contient du cuivre.

L'hémocyanine a deux atomes de cuivre dans son site actif. Pour cette raison, la couleur de l'hémocyanine est bleu-vert. Les centres en cuivre métallique ne sont pas en contact direct, mais ont un emplacement proche. La molécule d'oxygène est prise en sandwich entre les deux atomes de cuivre.

Concentration dans le corps humain

Le corps humain contient entre 1,4 et 2,1 mg de Cu / kg de poids corporel. Le cuivre est absorbé dans l'intestin grêle et est ensuite transporté vers le foie avec l'albumine. De là, le cuivre est transporté vers le reste du corps humain attaché à la protéine plasmatique céruloplasmine.

L'excès de cuivre est excrété par la bile. Dans certains cas, cependant, comme dans la maladie de Wilson, le cuivre s'accumule dans le corps, provoquant des effets toxiques du métal qui affectent le système nerveux, les reins et les yeux.

Références

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