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Cuivre (symbole Cu, numéro atomique 29) est l'un des plus anciens métaux connus de l'histoire de l'humanité. De couleur orange rougeâtre, il est ductile, malléable et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité. Sous sa forme ionique, le cuivre est un élément essentiel pour les plantes et les animaux supérieurs, ainsi que pour le corps humain.

Le cuivre et ses alliages sont largement utilisés pour le câblage et les machines électriques, les composants électroniques, les matériaux de structure, les ustensiles et couverts de cuisine, la monnaie, les instruments de musique et les sculptures. De plus, comme le cuivre est un matériau biostatique, les surfaces et poignées de porte en cuivre sont utilisées dans les hôpitaux pour empêcher le transfert de germes, et le sulfate de cuivre (II) est utilisé comme fongicide.

Étymologie et symbole alchimique

Symbole alchimique du cuivre

Le cuivre était une ressource importante pour les premiers Grecs et Romains. Les Grecs ont nommé le métal chalkos (χαλκός). À l'époque romaine, il est devenu connu sous le nom de aes Cyprium-aes étant le terme latin générique pour les alliages de cuivre tels que le bronze (cuivre allié à l'étain), et Cyprium ce qui indique qu'une grande partie du cuivre a été extraite à Chypre. De là, le mot latin est devenu cuprum, qui a finalement été anglicisé cuivre.

Dans la mythologie et l'alchimie, le cuivre était associé à la déesse Aphrodite / Vénus, en raison de sa beauté brillante, de son utilisation ancienne dans la production de miroirs et de son association avec Chypre, qui était sacrée pour la déesse. En alchimie, le symbole du cuivre était également le symbole de la planète Vénus.

Histoire

Le lingot de cuivre ancien de Zakros, en Crète, a la forme d'une peau d'animal typique de cette époque

Le cuivre était connu de certaines des civilisations les plus anciennes jamais enregistrées et a une histoire d'utilisation vieille d'au moins dix mille ans. Un pendentif en cuivre a été trouvé dans ce qui est maintenant le nord de l'Irak, date de 8700 av. En 5000 avant notre ère, il y a des signes de fusion du cuivre, le raffinage du cuivre à partir de minéraux simples tels que la malachite ou l'azurite. Le cuivre a été le premier métal à être fondu à partir de minerais.1 Les premiers signes d'utilisation d'or, en revanche, apparaissent vers 4000 av.

Le plus ancien objet en cuivre moulé connu est une tête de masse récupérée à Can Hasan dans le sud de l'Anatolie et datée d'environ 5000 avant notre ère. Il y a des artefacts en cuivre et en bronze (cuivre allié à l'étain et parfois à d'autres éléments) des villes sumériennes qui datent de 3000 avant notre ère, et des artefacts égyptiens anciens en cuivre et en bronze presque aussi anciens. Dans une pyramide, un système de plomberie en cuivre vieux de cinq mille ans a été découvert.

Les Égyptiens ont constaté que l'ajout d'une petite quantité d'étain rendait le métal plus facile à couler, de sorte que les alliages de bronze ont été trouvés en Égypte presque dès que le cuivre a été trouvé. L'utilisation du cuivre dans la Chine ancienne remonte à au moins 2000 avant notre ère. Vers 1200 avant notre ère, d'excellents bronzes étaient fabriqués en Chine. Notez que ces dates sont affectées par les guerres et les conquêtes, car le cuivre est facilement fondu et réutilisé.

En Europe, Oetzi l'Iceman, un homme bien conservé datant de 3200 avant notre ère, a été trouvé avec une hache à pointe de cuivre dont le métal était pur à 99,7%. Des niveaux élevés d'arsenic dans ses cheveux suggèrent qu'il était impliqué dans la fusion du cuivre. Le laiton, un alliage de zinc et de cuivre, était connu des Grecs, mais il a d'abord été largement utilisé par les Romains.

Différentes civilisations du monde ont traversé un "âge du bronze" au cours de périodes différentes mais se chevauchant. Par exemple, on pense que l'âge du bronze du Proche-Orient s'est étendu de 3500 à 1200 av. l'âge du bronze britannique est daté de 2100 à 700 avant notre ère; et l'âge du bronze d'Europe centrale était de 1800 à 700 avant notre ère. La période de transition dans certaines régions entre la période néolithique précédente (nouvel âge de pierre) et l'âge du bronze est appelée chalcolithique, certains outils en cuivre de haute pureté étant utilisés aux côtés d'outils en pierre.

Mine Ouest à Alderley Edge

Pendant l'âge du bronze, le cuivre était extrait dans les îles britanniques principalement aux endroits suivants: South West County Cork, West Wales (comme la mine Cwmystwyth), North Wales (par exemple, Great Orme), Anglesey (Parys Mountain), Cheshire ( Alderley Edge), les Staffordshire Moorlands (par exemple, la mine Ecton) et l'île de Man (entre l'Angleterre et l'Irlande du Nord).

En Amérique, l'extraction du cuivre a commencé avec des travaux marginaux par les Amérindiens et un certain développement par les premiers Espagnols. Les Européens ont extrait du cuivre dans le Connecticut dès 1709. Le mouvement vers l'ouest a également entraîné une expansion de l'exploitation du cuivre, avec des développements de gisements importants dans le Michigan et l'Arizona dans les années 1850 et au Montana dans les années 1860.

Le cuivre a été largement exploité dans la péninsule de Keweenaw au Michigan, avec le cœur de l'extraction à la mine de Quincy productive. L'Arizona comptait de nombreux gisements notables, dont la Copper Queen à Bisbee et le United Verde à Jerome. L'Anaconda de Butte, dans le Montana, est devenu le principal fournisseur de cuivre du pays en 1886. Le cuivre a également été extrait dans l'Utah, le Nevada et le Tennessee, entre autres.

Sources

Mine de cuivre à ciel ouvert El Chino au Nouveau-Mexique

L'abondance moyenne de cuivre trouvée dans les roches crustales de la Terre est d'environ 68 parties par million (ppm) en masse. Les minéraux suivants sont des sources de cuivre:

  • les sulfures: chalcopyrite (CuFeS2), bornite (Cu5FeS4), covellite (CuS), chalcocite (Cu2S)
  • les carbonates: azurite (Cu3(CO3)2(OH)2) et la malachite (Cu2CO3(OH)2)
  • l'oxyde: cuprite (Cu2O).

Le cuivre natif se forme également dans les dépôts de placers non rentables.

Pépites de placers de cuivre natif

Les minerais de cuivre se trouvent principalement au Chili, aux États-Unis, en Indonésie, en Australie, au Pérou, en Russie, au Canada, en Chine, en Pologne, au Kazakhstan et au Mexique.1

La plupart du minerai de cuivre est extrait ou extrait sous forme de sulfures de cuivre à partir de grandes mines à ciel ouvert dans des gisements de cuivre porphyrique (gisements de cuivre dans la roche porphyrique) contenant de 0,4 à 1,0 pour cent de cuivre. Des exemples de mines de cuivre à ciel ouvert comprennent Chuquicamata au Chili et la mine El Chino au Nouveau-Mexique.

Le Conseil intergouvernemental des pays exportateurs de cuivre (PEEIC), disparu depuis 1992, a déjà tenté de jouer un rôle similaire pour le cuivre comme l'OPEP pour le pétrole. Elle n'a cependant pas obtenu la même influence, notamment parce que le deuxième producteur, les États-Unis, n'a jamais été membre. Formé en 1967, ses principaux membres étaient le Chili, le Pérou, le Zaïre et la Zambie.

Caractéristiques notables

Le cuivre existe en tant que substance liée métalliquement, lui permettant d'avoir une grande variété de propriétés métalliques

Dans le tableau périodique, le cuivre est un métal de transition de la période 4, entre le nickel et le zinc. De plus, il fait partie du groupe 11 (ancien groupe 1B), avec l'argent et l'or, et il partage un certain nombre de caractéristiques avec eux. Comme l'argent et l'or, le cuivre a une conductivité thermique et électrique élevée (parmi les métaux purs à température ambiante, seul l'argent a une conductivité électrique plus élevée). Tous les trois sont des métaux ductiles et malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être facilement tirés dans des fils ou battus en feuilles.

L'or et le cuivre sont les seuls éléments métalliques colorés en plus du césium, le métal alcalin de la période 6. Le cuivre a sa couleur orange rougeâtre caractéristique car il réfléchit la lumière rouge et orange et absorbe les autres fréquences du spectre visible. Lors de l'exposition à l'atmosphère, la surface du métal se transforme en carbonate de cuivre (CuCO3), une substance verte dénommée patine.

La pureté du cuivre est exprimée en 4N pour une pureté de 99,9999 pour cent, ou 7N pour une pureté de 99,9999999 pour cent. Le chiffre donne le nombre de neuf après la virgule décimale.

Isotopes

Il existe deux isotopes stables du cuivre: 63Cu et 65Cu. De plus, il existe quelques dizaines de radio-isotopes. La grande majorité des radio-isotopes ont des demi-vies de l'ordre de quelques minutes ou moins; le plus longtemps vécu, 64Cu, a une demi-vie de 12,7 heures, avec deux modes de désintégration qui conduisent à deux produits distincts.

Alliages

Il existe de nombreux alliages de cuivre, le spéculum métallique est un alliage cuivre / étain, le laiton est un alliage cuivre / zinc et le bronze est un alliage cuivre / étain (parfois avec d'autres éléments). Le métal Monel est un alliage cuivre / nickel, également appelé cupronickel. Bien que le terme "bronze" se réfère généralement aux alliages cuivre / étain, il s'agit également d'un terme générique pour tout alliage de cuivre, tel que le bronze d'aluminium, le bronze au silicium et le bronze au manganèse.

Applications

Le cuivre est largement utilisé dans une grande variété de produits, comme indiqué ci-dessous.

  • Produits électriques et électroniques:
    • Câblage électrique.
    • Electroaimants.
    • Machines électriques, notamment moteurs et générateurs électromagnétiques.
    • Relais électriques, jeux de barres et interrupteurs.
    • Tubes à vide, tubes à rayons cathodiques et magnétrons dans les fours à micro-ondes.
    • Guides d'ondes pour le rayonnement micro-ondes.
    • Dans les circuits intégrés, le cuivre remplace de plus en plus l'aluminium en raison de sa conductivité supérieure.
    • En tant que matériau dans la fabrication de dissipateurs thermiques d'ordinateur, en raison de sa capacité de dissipation thermique supérieure à celle de l'aluminium.
Toit en cuivre sur l'hôtel de ville de Minneapolis
  • Matériau structurel:
    • Construction de la statue: La Statue de la Liberté, par exemple, contient 179 200 livres (81,3 tonnes) de cuivre.
    • Allié au nickel, il est utilisé pour les matériaux résistants à la corrosion dans la construction navale.
    • Toiture, gouttières et gouttières sur les bâtiments.
  • Produits domestiques:
    • Plomberie en cuivre.
    • Poignées de porte et autres accessoires dans les maisons.
    • Dans les ustensiles de cuisine, comme les poêles à frire.
    • La plupart des types de couverts (couteaux, fourchettes, cuillères) contiennent du cuivre (maillechort).
    • L'argent sterling, s'il est utilisé dans la vaisselle, doit contenir quelques pour cent de cuivre.
  • Monnaie:
    • Les alliages de cuivre sont utilisés dans la monnaie. Par exemple, les pièces de un cent américaines contiennent 2,5% de cuivre et 97,5% de zinc en poids; les nickels sont constitués à 75,0% de cuivre et 25,0% de nickel; les dimes et les quarts sont constitués à 91,67% de cuivre et 8,33% de nickel.
  • Applications médicales:
    • Les bactéries ne se développeront pas sur une surface en cuivre car elles sont biostatiques. Les poignées de porte et les surfaces en cuivre sont utilisées dans les hôpitaux pour réduire le transfert de microbes pathogènes.
    • La maladie du légionnaire est supprimée par les tubes en cuivre dans les systèmes de climatisation.
    • Le sulfate de cuivre (II) est utilisé comme fongicide et agent pour contrôler les algues dans les lacs et les étangs domestiques. Il est utilisé dans les poudres et sprays de jardinage pour tuer le mildiou.
  • Divers:
    • En tant que composant dans les émaux céramiques et pour colorer le verre.
    • Allié au zinc pour former du laiton, il est utilisé dans les instruments de musique et les objets de décoration.
    • Divers bronzes, composés de cuivre, d'étain et d'autres éléments (tels que l'aluminium, le manganèse ou le silicium) sont utilisés pour fabriquer des cloches, des cymbales, des sculptures et des composants industriels.
    • Les composés du cuivre (comme la solution de Fehling) ont des applications en chimie.
    • Comme revêtement pour des parties de navires pour se protéger contre l'accumulation de bernaches et de moules. Il était à l'origine utilisé pur, mais a ensuite été remplacé par une forme de laiton appelée métal Muntz.
    • La machine à vapeur de James Watt.
    • Les Inuits utilisaient parfois du cuivre pour fabriquer la lame de coupe des couteaux ulu.

Rôle biologique

Le cuivre est essentiel dans toutes les plantes et tous les animaux supérieurs. Le cuivre est transporté principalement dans la circulation sanguine par une protéine plasmatique appelée céruloplasmine. Lorsque le cuivre est d'abord absorbé dans l'intestin, il est transporté vers le foie lié à l'albumine. Le cuivre se trouve dans diverses enzymes, dont les centres du cuivre de la cytochrome c oxydase et l'enzyme superoxyde dismutase (contenant du cuivre et du zinc). En plus de ses rôles enzymatiques, le cuivre est utilisé pour le transport biologique d'électrons. Les protéines de cuivre bleu qui participent au transport d'électrons comprennent l'azurine et la plastocyanine. Le nom "cuivre bleu" vient de leur couleur bleu intense résultant d'une bande d'absorption de transfert de charge ligand-métal (LMCT) d'environ 600 nanomètres.

La plupart des mollusques et certains arthropodes tels que le crabe fer à cheval utilisent l'hémocyanine pigmentaire contenant du cuivre plutôt que l'hémoglobine contenant du fer pour le transport de l'oxygène, de sorte que leur sang est bleu lorsqu'il est oxygéné plutôt que rouge.

Comme indiqué ci-dessus, le cuivre est un matériau biostatique et les surfaces en cuivre ne permettront pas aux bactéries de s'y développer.

On pense que le zinc et le cuivre sont en compétition pour l'absorption dans le tube digestif, de sorte qu'un régime excessif dans l'un de ces minéraux peut entraîner une carence dans l'autre. L'apport nutritionnel recommandé (AJR) pour le cuivre chez les adultes normaux en bonne santé est de 0,9 milligramme (mg) / jour.

Toxicité

Tous les composés du cuivre, sauf indication contraire, doivent être traités comme s'ils étaient toxiques. Chez l'homme, 30 grammes de sulfate de cuivre sont potentiellement mortels. Le niveau sécuritaire suggéré de cuivre dans l'eau potable pour les humains varie selon la source, mais tend à être fixé à 1,5 à 2 mg / L. La dose journalière de référence (DRI) tolérable pour les adultes de cuivre alimentaire de toutes sources est de 10 mg / jour. En termes de toxicité, le cuivre peut inhiber l'enzyme dihydrophile hydratase, une enzyme impliquée dans l'hémopoïèse.

Une partie importante de la toxicité du cuivre provient de sa capacité à accepter et à donner des électrons uniques lorsqu'il change d'état d'oxydation. Cela catalyse la production de "radicaux libres" très réactifs, tels que le radical hydroxyle (OH), d'une manière similaire à la chimie de Fenton. Cette activité catalytique du cuivre est utilisée par les enzymes auxquelles il est associé et n'est donc toxique que lorsqu'elle n'est pas séquestrée et sans intermédiaire. L'augmentation des radicaux réactifs non intermédiaires est généralement appelée «stress oxydatif» et est un domaine de recherche actif dans une variété de maladies où le cuivre peut jouer un rôle important mais plus subtil que dans la toxicité aiguë.

Une maladie héréditaire appelée maladie de Wilson fait que le corps retient le cuivre, car il n'est pas excrété par le foie dans la bile. Cette maladie, si elle n'est pas traitée, peut entraîner des lésions cérébrales et hépatiques. De plus, des études ont révélé que les personnes atteintes de maladies mentales telles que la schizophrénie avaient des niveaux élevés de cuivre dans leurs systèmes. On ne sait cependant pas à ce stade si le cuivre contribue à la maladie mentale, si le corps tente de stocker plus de cuivre en réponse à la maladie ou si les niveaux élevés de cuivre sont le résultat de la maladie mentale.

Trop de cuivre dans l'eau endommage la vie marine. L'effet observé de ces concentrations plus élevées sur les poissons et autres créatures est des dommages aux branchies, au foie, aux reins et au système nerveux.

Dangers divers

Lorsqu'il est en poudre, le métal présente un risque d'incendie. De plus, à des concentrations supérieures à 1 mg / L, le cuivre peut tacher les vêtements et autres articles lavés à l'eau.

Composés

Cuivre natif

Les états d'oxydation courants du cuivre comprennent l'état du cuivre (I) moins stable, Cu1+et l'état plus stable du cuivre (II), Cu2+. Ce dernier forme des sels et des solutions bleus ou bleu-vert. Dans des conditions inhabituelles, un état 3+ et un état 4+ extrêmement rare peuvent être obtenus. Le cuivre (I) et le cuivre (II) sont également désignés par leurs noms communs, cuivreux et cuivrique, respectivement.

Le carbonate de cuivre (II) est vert. Ce composé produit l'apparence unique des toits et des dômes recouverts de cuivre de certains bâtiments. Le sulfate de cuivre (II) forme un pentahydrate cristallin bleu, l'un des composés du cuivre les plus connus du laboratoire. Il est utilisé comme fongicide appelé bouillie bordelaise.

Il existe deux oxydes de cuivre stables: l'oxyde de cuivre (II) (CuO) et l'oxyde de cuivre (I) (Cu2O). Ces oxydes sont utilisés pour fabriquer de l'oxyde de cuivre à l'yttrium et au baryum (YBa2Cu3O7-δ) ou YBCO, qui constitue la base de nombreux supraconducteurs non conventionnels.

  • Composés du cuivre (I) : chlorure de cuivre (I), oxyde de cuivre (I).
  • Composés du cuivre (II) : carbonate de cuivre (II), chlorure de cuivre (II), hydroxyde de cuivre (II), nitrate de cuivre (II), oxyde de cuivre (II), sulfate de cuivre (II), sulfure de cuivre (II).
  • Composés du cuivre (III) (rare): hexafluorocuprate de potassium (K3CuF6)
  • Composés du cuivre (IV) (extrêmement rare): hexafluorocuprate de césium (Cs2CuF6)

Tests pour le cuivre2+ des ions

Ajouter de l'hydroxyde de sodium aqueux à la solution à tester. Si la solution contient du cuivre2+ des ions, un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre (II) sera formé par le déplacement des ions cuivre par les ions sodium. L'équation ionique est:

Cu2+(aq) + 2OH(aq) → Cu (OH)2 (s)

Alternativement, ajoutez de l'ammoniac aqueux à la solution à tester. Si la solution contient du cuivre2+ des ions, un précipité sera produit, mais il se dissoudra en ajoutant de l'ammoniac en excès, formant un complexe d'ammoniac bleu profond, le tétraaminecuivre (II). L'équation ionique est:

Cu2+(aq) + 4NH3 (aq) → Cu (NH3)42+(aq)

Remarques

  1. ↑ Copper Minerals Education Coalition. Récupéré le 20 juin 2013.

Les références

  • Laboratoire national de Los Alamos - Cuivre
  • Cuivre: technologie et compétitivité (résumé) Chapitre 6: Technologie de production de cuivre; Auteur: Office of Technology Assessment 2005
  • NOAA et Univ. du Delaware, Faits amusants sur le crabe à cheval Consulté le 12 décembre 2005.
  • "Rôle de la chimie de Fenton dans la toxicité induite par le thiol et l'apoptose." Radiat Res. 145,5 (mai 1996): 542-53.
  • "Métaux, toxicité et stress oxydatif." Chimie médicinale actuelle 12.10 (mai 2005): 1161-1208.

Voir la vidéo: Razzia sur les métaux - Enquête choc 2015 (Septembre 2020).

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