Il rame è un metallo di transizione che appartiene al gruppo 11 della tavola periodica ed è rappresentato dal simbolo chimico Cu. Si caratterizza e si distingue per essere un metallo rosso-arancio, molto duttile e malleabile, essendo anche un ottimo conduttore di elettricità e calore..
Nella sua forma metallica si trova come minerale primario nelle rocce basaltiche. Nel frattempo, viene ossidato in composti solforosi (quelli di maggiore sfruttamento minerario), arseniuri, cloruri e carbonati; cioè una vasta categoria di minerali.
Tra i minerali che lo contengono si possono citare calcocite, calcopirite, bornite, cuprite, malachite e azzurrite. Il rame è presente anche nelle ceneri di alghe, coralli marini e artropodi.
Questo metallo ha un'abbondanza di 80 ppm nella crosta terrestre e una concentrazione media nell'acqua di mare di 2,5 ∙ 10-4 mg / L. In natura si presenta come due isotopi naturali: 63Cu, con un'abbondanza del 69,15%, e il 65Cu, con un'abbondanza del 30,85%.
Ci sono prove che il rame fu fuso nell'8000 aC. C. e legato con stagno per formare bronzo, nel 4000 aC. C. Si ritiene che solo il ferro meteorico e l'oro lo precedano come i primi metalli usati dall'uomo. È quindi sinonimo di bagliore arcaico e arancione allo stesso tempo..
Il rame è utilizzato principalmente nella produzione di cavi per la conduzione di elettricità nei motori elettrici. Tali cavi, piccoli o grandi, costituiscono macchinari o dispositivi nell'industria e nella vita di tutti i giorni..
Il rame è coinvolto nella catena di trasporto elettronico che consente la sintesi di ATP; principale composto energetico degli esseri viventi. È un cofattore della superossido dismutasi: un enzima che degrada lo ione superossido, un composto altamente tossico per gli esseri viventi.
Inoltre, il rame svolge un ruolo nell'emocianina nel trasporto dell'ossigeno in alcuni aracnidi, crostacei e molluschi, che è simile a quello svolto dal ferro nell'emoglobina.
Nonostante tutte le sue azioni benefiche per l'uomo, quando il rame si accumula nel corpo umano, come nel caso della malattia di Wilson, può causare cirrosi epatica, disturbi cerebrali e danni agli occhi, tra le altre alterazioni..
Indice articolo
Il rame nativo era usato per realizzare manufatti in sostituzione della pietra nel Neolitico, probabilmente tra il 9000 e l'8000 a.C. C. Il rame è uno dei primi metalli utilizzati dall'uomo, dopo il ferro presente nelle meteoriti e nell'oro..
Ci sono prove dell'uso dell'estrazione mineraria per ottenere il rame nell'anno 5000 aC. C. Già per una data precedente, venivano costruiti articoli di rame; questo è il caso di un orecchino realizzato in Iraq stimato essere 8700 aC. C.
A sua volta, si ritiene che la metallurgia sia nata in Mesopotamia (ora Iraq) nel 4000 a.C. C., quando era possibile ridurre il metallo dei minerali attraverso l'uso del fuoco e del carbone. Successivamente, il rame è stato intenzionalmente legato con lo stagno per produrre bronzo (4000 a.C.).
Alcuni storici indicano un'età del rame, che sarebbe collocata cronologicamente tra il neolitico e l'età del bronzo. Successivamente, l'età del ferro ha sostituito l'età del bronzo tra il 2000 e il 1000 a.C. C.
L'età del bronzo iniziò 4000 anni dopo la fusione del rame. Gli oggetti in bronzo della cultura Vinca risalgono al 4500 a.C. C.; mentre in Sumeria e in Egitto si trovano oggetti in bronzo realizzati 3000 anni aC. C.
L'uso del carbonio radioattivo ha stabilito l'esistenza di miniere di rame ad Alderley Edge, Cheshire e nel Regno Unito, tra gli anni 2280 e 1890 a.C. C.
Si può notare che Ötzi, l '"uomo venuto dal ghiaccio" con una data stimata tra il 3300 e il 3200 aC. C., aveva un'ascia con una testa di rame puro.
I romani del VI secolo a.C. Hanno usato pezzi di rame come valuta. Giulio Cesare usava monete in ottone, rame e lega di zinco. Inoltre, le monete di Octavio erano realizzate con una lega di rame, piombo e stagno..
La produzione di rame nell'impero romano ha raggiunto 150.000 tonnellate all'anno, una cifra superata solo durante la rivoluzione industriale. I romani portarono il rame da Cipro, conoscendolo come aes Cyprium ("metallo da Cipro").
Successivamente, il termine degenerò in cuprum: un nome usato per designare il rame fino all'anno 1530, quando fu introdotto il termine radice inglese "rame", per designare il metallo..
La Great Copper Mountain in Svezia, attiva dal X secolo al 1992, copriva il 60% del consumo europeo nel XVII secolo. Lo stabilimento La Norddeutsche Affinerie di Amburgo (1876) è stato il primo impianto di galvanica moderno ad utilizzare il rame.
Il rame è un metallo rosso-arancio brillante, mentre la maggior parte dei metalli nativi sono grigi o argento.
29
63.546 u
1.084,62 ºC
I gas comuni come ossigeno, azoto, anidride carbonica e anidride solforosa sono solubili nel rame fuso e influenzano le proprietà meccaniche ed elettriche del metallo quando si solidifica..
2.562 ºC
- 8,96 g / mL a temperatura ambiente.
- 8,02 g / mL al punto di fusione (liquido).
Si noti che non vi è una notevole diminuzione della densità tra la fase solida e quella liquida; entrambi rappresentano materiali molto densi.
13,26 kJ / mol.
300 kJ / mol.
24,44 J / (mol ∙ K).
16,5 µm / (m ∙ K) a 25 ºC.
401 W / (m ∙ K).
16,78 Ω ∙ ma 20 ºC.
59.6 ∙ 106 Voi.
Il rame ha una conduzione elettrica molto elevata, superata solo dall'argento..
3.0.
È quindi un metallo morbido e anche abbastanza duttile. Resistenza e tenacità sono aumentate dalla lavorazione a freddo per la formazione di cristalli allungati della stessa struttura cubica a facce centrate presente nel rame..
Il rame non reagisce con l'acqua, ma reagisce con l'ossigeno atmosferico, essendo ricoperto da uno strato di ossido bruno-nero che fornisce protezione dalla corrosione agli strati sottostanti del metallo:
2Cu (s) + ODue(g) → 2CuO
Il rame non è solubile in acidi diluiti, tuttavia reagisce con acidi solforici e nitrici caldi e concentrati. È anche solubile in ammoniaca in soluzione acquosa e in cianuro di potassio.
Può resistere all'azione dell'aria atmosferica e dell'acqua di mare. Tuttavia, la sua esposizione prolungata provoca la formazione di un sottile strato protettivo verde (patina).
Lo strato precedente è una miscela di carbonato e solfato di rame, osservata in vecchi edifici o sculture, come la Statua della Libertà a New York.
Il rame reagisce riscaldandosi al rosso con l'ossigeno per dare ossido rameico (CuO) e a temperature più elevate forma ossido rameoso (CuDueO). Inoltre reagisce a caldo con lo zolfo per produrre solfuro di rame; quindi appannamento se esposto ad alcuni composti solforati.
Il rame brucia con una fiamma blu in una prova di fiamma; mentre il rame II emette una fiamma verde.
Cristalli di rame cristallizzano nella struttura cubica centrata sulla faccia (fcc). faccia centrata cubica). In questo cristallo fcc, gli atomi di Cu rimangono attaccati grazie al legame metallico, che è relativamente più debole di altri metalli di transizione; un fatto che si manifesta nella sua grande duttilità e basso punto di fusione (1084 ºC).
Secondo la configurazione elettronica:
[Ar] 3d10 4s1
Tutti gli orbitali 3d sono pieni di elettroni, mentre c'è un posto vacante nell'orbitale 4s. Ciò significa che gli orbitali 3d non collaborano nel legame metallico come ci si aspetterebbe da altri metalli. Pertanto, gli atomi di Cu lungo il cristallo si sovrappongono ai loro orbitali 4s per creare bande, influenzando la forza relativamente debole delle loro interazioni..
In effetti, la differenza energetica risultante tra gli elettroni orbitali 3d (pieni) e 4s (pieni a metà) è responsabile per i cristalli di rame che assorbono i fotoni dallo spettro visibile, riflettendo il loro caratteristico colore arancione..
I cristalli di rame fcc possono avere dimensioni diverse, che più sono piccoli, più forte sarà il pezzo di metallo. Quando sono molto piccole si parla quindi di nanoparticelle, sensibili all'ossidazione e riservate ad applicazioni selettive..
Il primo numero o stato di ossidazione che ci si può aspettare dal rame è +1, a causa della perdita dell'elettrone dal suo orbitale 4s. Quando lo si ha in un composto, si presume l'esistenza del catione Cu+ (comunemente chiamato ione rameoso).
Questo e il numero di ossidazione +2 (CuDue+) sono le più note e le più abbondanti per il rame; sono generalmente gli unici insegnati a livello di scuola superiore. Tuttavia, ci sono anche numeri di ossidazione +3 (Cu3+) e +4 (Cu4+), che non sono così rari come potresti pensare a prima vista.
Ad esempio, i sali dell'anione cuprato, CuODue-, rappresentano composti con rame (III) o +3; questo è il caso del cuprato di potassio, KCuODue (K+Cu3+ODueDue-).
Anche il rame, sebbene in misura minore e in rarissime occasioni, può avere un numero di ossidazione negativo: -2 (CuDue-).
I minerali più utilizzati per l'estrazione del rame sono i solfuri metallici, principalmente calcopirite (CuFeSDue) e bornite (Cu5FeS4). Questi minerali contribuiscono al 50% del rame totale estratto. Calellite (CuS) e calcocite (CuDueS).
Inizialmente le rocce vengono frantumate per ottenere frammenti rocciosi di 1,2 cm. Quindi si prosegue con una molatura dei frammenti rocciosi, fino ad ottenere particelle di 0,18 mm. Acqua e reagenti vengono aggiunti per ottenere una pasta, che viene poi fatta galleggiare per ottenere un concentrato di rame..
In questa fase si formano delle bolle che intrappolano i minerali di rame e zolfo presenti nella polpa. Vengono eseguiti diversi processi per raccogliere la schiuma, asciugandola per ottenere il concentrato che continua la sua purificazione.
Per separare il rame da altri metalli e impurità, il concentrato secco viene sottoposto ad alte temperature in forni speciali. Il rame raffinato a fuoco (RAF) viene stampato in lastre del peso di circa 225 kg che costituiranno gli anodi..
L'elettrolisi è utilizzata nella raffinazione del rame. Gli anodi dalla fonderia vengono portati in celle elettrolitiche per la raffinazione. Il rame viaggia verso il catodo e le impurità si depositano sul fondo delle celle. In questo processo si ottengono catodi di rame con una purezza del 99,99%.
Il bronzo è una lega di rame e stagno, con il rame che ne costituisce tra l'80 e il 97%. È stato utilizzato nella fabbricazione di armi e utensili. Attualmente è utilizzato nella produzione di parti meccaniche resistenti all'attrito e alla corrosione.
Inoltre, è utilizzato nella costruzione di strumenti musicali, come campane, gong, piatti, sassofoni e archi di arpe, chitarre e pianoforte..
L'ottone è una lega di rame e zinco. Negli ottoni industriali la percentuale di zinco è inferiore al 50%. Trova impiego nell'elaborazione di contenitori e strutture metalliche.
La lega Monel è una lega nichel-rame, con un rapporto 2: 1 tra nichel e rame. È resistente alla corrosione e viene utilizzato in scambiatori di calore, aste e archi delle lenti.
La constatan è una lega composta per il 55% da rame e per il 45% da nichel. È usato per fare monete ed è caratterizzato da una resistenza costante. Anche la lega di cupronichel viene utilizzata per il rivestimento esterno di monete di piccolo taglio..
La lega rame-berillio ha una percentuale di berillio del 2%. Questa lega combina forza, tenacità, conduttività elettrica e resistenza alla corrosione. La lega è comunemente usata in connettori elettrici, prodotti per telecomunicazioni, componenti di computer e piccole molle..
Strumenti come chiavi inglesi, cacciaviti e martelli utilizzati su piattaforme petrolifere e miniere di carbone hanno la sigla BeCu a garanzia che non producono scintille..
La lega argento 90% e rame 10% fu utilizzata nelle monete, fino al 1965 quando fu eliminato l'uso dell'argento in tutte le monete, ad eccezione della moneta da mezzo dollaro.
La lega di rame e alluminio al 7% è di colore dorato e viene utilizzata nella decorazione. Nel frattempo, Shakudo è una lega decorativa giapponese di rame e oro, in una bassa percentuale (dal 4 al 10%).
Il rame, grazie alla sua elevata conduzione elettrica e al basso costo, è il metallo di scelta per l'uso nei cablaggi elettrici. Il cavo in rame viene utilizzato nelle varie fasi dell'elettricità, come la generazione, la trasmissione, la distribuzione di elettricità, ecc..
Il 50% del rame prodotto nel mondo viene utilizzato nella fabbricazione di cavi e fili elettrici, grazie alla sua elevata conduttività elettrica, facilità di formatura dei fili (duttilità), resistenza alla deformazione e alla corrosione.
Il rame viene anche utilizzato nella produzione di circuiti integrati e circuiti stampati. Il metallo è utilizzato nei dissipatori di calore e negli scambiatori di calore grazie alla sua elevata conduzione termica, che facilita la dissipazione del calore..
Il rame è utilizzato negli elettromagneti, nei tubi a vuoto, nei tubi catodici e nei magnetron nei forni a microonde..
Allo stesso modo, viene utilizzato nella costruzione delle bobine dei motori elettrici e dei sistemi che mettono in funzione i motori, elementi che rappresentano circa il 40% del consumo mondiale di elettricità..
Il rame, per la sua resistenza alla corrosione e all'azione dell'aria atmosferica, è da tempo utilizzato nei tetti delle case, pluviali, cupole, porte, finestre, ecc..
Attualmente è utilizzato nel rivestimento di pareti e oggetti decorativi, come sanitari, maniglie e lampade. Inoltre, è utilizzato nei prodotti antimicrobici.
Il rame impedisce a molte forme di vita di crescere su di esso. Era usato in fogli che venivano posti sul fondo degli scafi delle navi per prevenire la crescita di molluschi, come le cozze, così come i cirripedi..
Le vernici a base di rame sono attualmente utilizzate per la protezione di cui sopra degli scafi delle navi. Il rame metallico può neutralizzare numerosi batteri al contatto.
Il suo meccanismo d'azione è stato studiato in base alle sue proprietà ioniche, corrosive e fisiche. La conclusione è stata che il comportamento ossidante del rame, insieme alle proprietà di solubilità dei suoi ossidi, sono i fattori che rendono il rame metallico antibatterico..
Il rame metallico agisce su alcuni ceppi di E. coli, S. aureus Y Clostridium difficile, virus del gruppo A, adenovirus e funghi. Pertanto, è stato progettato di utilizzare leghe di rame a contatto con le mani dei passeggeri in diversi mezzi di trasporto..
L'azione antimicrobica del rame è ulteriormente rafforzata dall'utilizzo delle sue nanoparticelle, che si sono rivelate utili per i trattamenti endodontici.
Allo stesso modo, le nanoparticelle di rame sono eccellenti adsorbenti e, poiché sono arancioni, un cambiamento di colore in esse rappresenta un metodo colorimetrico latente; ad esempio, sviluppato per la rilevazione dei ditiocarbammati di pesticidi.
Il rame è un elemento essenziale per la vita. È coinvolto nella catena di trasporto elettronico, facente parte del complesso IV. In questo complesso viene eseguita la fase finale della catena di trasporto elettronica: la riduzione della molecola di ossigeno per formare l'acqua.
Il complesso IV è formato da due gruppi che abbiamo, un citocromo a, un citocromo a3, così come due centri Cu; uno chiamato CuA e l'altro CuB. Citocromo a3 e CuB formano un centro binucleare, in cui si verifica la riduzione dell'ossigeno in acqua.
In questa fase, il Cu passa dal suo stato di ossidazione +1 a +2, dando elettroni alla molecola di ossigeno. La catena di trasporto elettronica utilizza NADH e FADHDue, proveniente dal ciclo di Krebs, come donatori di elettroni, con cui crea un gradiente elettrochimico di idrogeno.
Questo gradiente funge da fonte di energia per la generazione di ATP, in un processo noto come fosforilazione ossidativa. Quindi, e in definitiva, la presenza di rame è necessaria per la produzione di ATP nelle cellule eucariotiche..
Il rame fa parte dell'enzima superossido dismutasi, un enzima che catalizza la scomposizione dello ione superossido (ODue-), un composto tossico per gli esseri viventi.
Il superossido dismutasi catalizza la decomposizione dello ione superossido per diventare ossigeno e / o perossido di idrogeno.
La superossido dismutasi può utilizzare la riduzione del rame per ossidare il superossido in ossigeno, oppure può causare l'ossidazione del rame per formare il perossido di idrogeno dal superossido.
L'emocianina è una proteina presente nel sangue di alcuni aracnidi, crostacei e molluschi. Svolge una funzione simile all'emoglobina in questi animali, ma invece di avere ferro nel sito di trasporto dell'ossigeno, ha rame.
L'emocianina ha due atomi di rame nel suo sito attivo. Per questo motivo, il colore dell'emocianina è blu-verde. I centri in rame metallico non sono in contatto diretto, ma hanno una posizione ravvicinata. La molecola di ossigeno è inserita tra i due atomi di rame.
Il corpo umano contiene tra 1,4 e 2,1 mg di Cu / kg di peso corporeo. Il rame viene assorbito nell'intestino tenue e viene quindi trasportato al fegato insieme all'albumina. Da lì, il rame viene trasportato nel resto del corpo umano insieme alla proteina plasmatica ceruloplasmina..
Il rame in eccesso viene escreto attraverso la bile. In alcuni casi, tuttavia, come accade nella malattia di Wilson, il rame si accumula nell'organismo, manifestando effetti tossici del metallo che colpiscono il sistema nervoso, i reni e gli occhi..
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