Cuivre

Les caractéristiques
[ Ar ] 3 j 10 4 s 1 29cu _ tableau périodique
Général
nom , symbole , numéro atomique	Cuivre, Cu, 29
catégorie d'article	métaux de transition
groupe , période , bloc	11 , 4 , j
Regards	brun-rouge, métallique, cuivré
Numero CAS	7440-50-8
Numéro CE	231-159-6
Carte d'information de l' ECHA	100.028.326
Fraction massique de la coquille terrestre	0,01 % [1]
Atomique [A 1]
masse atomique	63.546(3) [2] et al
rayon atomique (calculé)	135 (145) h
rayon covalent	132h
Rayon de Van der Waals	140 h
configuration électronique	[ Ar ] 3 j 10 4 s 1
1. Énergie d'ionisation	7 . 726 380(4) eV [3] ≈ 745 . 48kJ / mole [ 4]
2. Énergie d'ionisation	20 . 29239(6) eV [3] ≈ 1 957 . 92 kJ/mol [4]
3. Énergie d'ionisation	36 . 841(12) eV [3] ≈ 3 554 . 6 kJ/mol [4]
4. Énergie d'ionisation	57 . 38(5) eV [3] ≈ 5 536 kJ/mol [4]
5. Énergie d'ionisation	79 . 8(7) eV [3] ≈ 7 700 kJ/mol [4]
Physique [A 1]
état physique	Fête
structure en cristal	Zone cubique centrée
densité	8,92 g/cm³ (20 °C ) [5]
Dureté de Mohs	3.0
magnétisme	diamagnétique ( Χ m = −9.6 10 −6 ) [6]
point de fusion	1357.77K ( 1084.62 °C)
point d'ébullition	2868K [7] (2595°C)
volume molaire	7.11 10 −6 m 3 mol −1
enthalpie de vaporisation	305 kJ/mol [7]
enthalpie de fusion	13,3 [8] kJ mol −1
vitesse du son	3570 ms- 1
La capacité thermique spécifique	385 [1] J kg −1 K −1
quitter le travail	4.65eV [ 9]
Conductivité électrique	58,1 10 6 A V −1 m −1
conductivité thermique	400 W · m −1 K −1
Mécanique [A 1]
Module d'Young	100…130 GPa [10] [11]
Coefficient de Poisson	0,34…0,35 [12]
Chimique [A 1]
états d'oxydation	1, 2
potentiel normal	0,340 V (Cu 2+ + 2e − → Cu)
électronégativité	1,9 ( échelle de Pauling )
isotopes
isotope NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 61cu _ {syn.} 3.333 heures e 2 237 61Ni _ 62cu _ {syn.} 9,74 minutes e 3 948 62Ni _ 63cu _ 69,17  % Écurie 64cu _ {syn.} 12,7 heures e 1 675 64Ni _ β- _ 0,579 64Zn _ 65cu _ 30,83% Écurie 66cu _ {syn.} 5.088 minutes β- _ 2 642 66Zn _ 67cu _ {syn.} 61.83 heures β- _ 0,577 67Zn _
Pour plus d'isotopes, voir Liste des isotopes
Propriétés RMN
Numéro quantique de spin I γ en rad T −1 s −1_ _ Il  ( 1 H ) f L à B = 4,7 T en MHz 63cu _ 3/2 7.112 * 10 7 0,065 26.51 65cu _ 3/2 7.604 × 10 7 0,0354 28h40
consignes de sécurité
Étiquetage SGH des substances dangereuses [13] poudre Danger Phrases H et P H :228​‐​410 P :210​‐​273 [13]
MAC	Suisse : 0,1 mg m −3 (mesuré en tant que poussière inhalable ) [14]
Dans la mesure du possible et de la coutume, les unités SI sont utilisées. Sauf indication contraire, les données indiquées s'appliquent dans des conditions standard .

Le cuivre ( latin cuprum ) est un élément chimique avec le symbole de l'élément Cu et le numéro atomique 29. C'est un métal de transition , dans le tableau périodique, il se trouve dans la 4ème période et le 1er sous- groupe (selon le nouveau groupe de comptage 11) ou groupe cuivre . Le nom latin cuprum est dérivé de (aes) cyprium " minerai de l'île grecque de Chypre " où le cuivre était extrait dans les temps anciens.

En tant que métal relativement mou, le cuivre est facile à former et résistant. En tant qu'excellent conducteur de chaleur et d'électricité , il est utilisé de diverses manières. De plus, il appartient également au groupe des métaux de frappe .

En tant que technologie importante et métal fonctionnel, le cuivre fait partie des métaux semi-précieux .

histoire

Mine de cuivre ( Herri met de Bles , milieu du XVIe siècle)

Symbole de Vénus : Symbole d' alchimie pour le cuivre

Armoiries de Marsberg-Essentho

Le cuivre, l'or , l' argent et l' étain ont été les premiers métaux que l'humanité a connus au cours de son développement. Parce que le cuivre est facile à travailler, il a été utilisé par les plus anciennes cultures connues il y a environ 10 000 ans. L'époque de sa large utilisation à partir du 5e millénaire av. au 3e millénaire av. Selon les régions, on l'appelle aussi l' âge du cuivre . A Hujayrat al-Ghuzlan en Jordanie, dès 4000 av. un site de production de masse de cuivre. En alchimie , le cuivre était associé à Vénus et à la féminité ♀ ( métaux planétaires ).) associé et considéré comme un composé de soufre et de mercure ^[15] . Les premiers miroirs ont été fabriqués à partir de ce métal. À la fin de l' âge du bronze de la Méditerranée orientale , le cuivre était principalement extrait à Chypre et exporté de là sous forme de peaux de bétail (appelées barres de peau de bœuf ), pesant pour la plupart environ 30 kg . Fragments de lingots de peau de bœuf chypriote datant du XVIe au XIe siècle av. BC peut être trouvé dans de grandes parties de la région méditerranéenne, jusqu'en Sardaigne, sur les Balkans et même au nord des Alpes ( gisement trouvé à Oberwilflingen ). ^[16] C'était le plus grand producteur de cuivre préindustrielEmpire romain avec une production annuelle estimée à 15 000 t. ^[17]

Plus tard, le cuivre a été allié à l'étain et au plomb pour former le bronze . Cet alliage plus dur et techniquement plus résistant est devenu l'homonyme de l' âge du bronze . La distinction entre le plomb et l'étain n'a été introduite qu'avec la connaissance croissante des métaux, de sorte que, dans la perspective actuelle, le terme bronze ne s'applique correctement qu'aux alliages étain-cuivre à haute teneur en cuivre.

L'alliage cuivre-zinc jaune d'or " laiton " était déjà connu dans la Grèce antique . Il a été fondu en traitant les minerais respectifs ensemble, mais ce n'est qu'avec les Romains que ce processus s'est répandu. Dans l'ancienne Colombie , le tumbaga en alliage or-cuivre était largement utilisé.

le cuivre comme minéral

Les gisements naturels de cuivre natif, c'est-à-dire sous sa forme élémentaire, étaient connus bien avant la création de l' Association minéralogique internationale (IMA). Le cuivre est donc reconnu comme un minéral dit « grand- père » en tant qu'espèce minérale indépendante. ^[18]

Selon la classification des minéraux selon Strunz (9e édition) , le cuivre est classé sous le système no. "1.AA.05" (Eléments - métaux et composés intermétalliques - famille des cupalites de cuivre - groupe du cuivre) ^[19] ou classés dans la 8ème édition périmée sous I/A.01 ( série cuivre ). La classification des minéraux selon Dana , qui est principalement utilisée dans les pays anglophones , répertorie l'élément minéral sous le système no. 01.01.01.03 ( groupe or ). ^[20]

Dans la nature, le cuivre se forme principalement dans les laves basaltiques , soit sous la forme de pépites "rouge cuivre", métalliquement brillantes (solidifiées à partir de la fonte) ou dans des structures ramifiées, appelées dendrites . Parfois, des formations cristallines sont également rencontrées. Le cuivre est présent en paragenèse avec divers minéraux de cuivre , principalement secondaires , tels que la bornite , la chalcocite , la cornwallite , la cuprite , l'azurite et la malachite ainsi que la ténorite , mais peut également être associé à de nombreux autres minéraux tels que la calcite . , clinoclase , préhnite , pumpellyite , quartz et argent . ^{[21] [22]}

• 

  pépite de cuivre

• 

  dendrites de cuivre

• 

  Cristaux de cuivre cubiques

• 

  Pseudomorphe du cuivre à l' aragonite

Les minerais de cuivre sont courants. Le cuivre est fabriqué à partir de chalcopyrite ( chalcopyrite , CuFeS ₂ ), de chalcocite ( chalcocite , Cu ₂ S), plus rarement de bornite ( chalcopyrite à carie , Cu ₅ FeS ₄ ), d' atacamite (CuCl ₂ Cu(OH) ₂ ), de malachite (Cu ₂ [(OH) ₂ |CO ₃ ]) et autres minerais. En 2019, 636 étaient des minerais de cuivreconnu. Les minéraux avec la plus forte concentration de cuivre dans le composé sont la cuprite (jusqu'à 88,8%) et l'algodonite (jusqu'à 83,6%), ainsi que la paramélaconite , la ténorite et la chalcocite (jusqu'à 79,9%). ^[23]

Occurrence et promotion

Selon l' Institut allemand du cuivre , le cuivre est présent dans la terre avec une teneur d'environ 0,006 % et est le 23e élément le plus courant de la croûte terrestre . ^[24] Le cuivre se présente souvent sous sa forme native , c'est-à-dire sous sa forme élémentaire. Il existe actuellement (en 2017) plus de 3000 localités connues pour le cuivre natif dans le monde, notamment l'Afghanistan , l'Argentine , l'Australie , la Belgique , la Bolivie , le Brésil , la Bulgarie , le Chili , la Chine et la République démocratique du Congo .Autriche , Allemagne , Finlande , France , Grèce , Inde , Iran , Irlande , Italie , Japon , Canada , Kazakhstan , Maroc , Mexique , Mongolie , Namibie , Nouvelle- Zélande , Norvège , Pérou , Philippines , Pologne , Portugal , Roumanie ,Russie , Zambie , Suède , Suisse , Zimbabwe , Slovaquie , Espagne , Afrique du Sud , République tchèque , Turquie , Ukraine , Hongrie , États-Unis d'Amérique (USA) et Royaume-Uni (UK). ^[25]

Du cuivre natif a également pu être détecté dans plusieurs échantillons de roche de la dorsale médio -atlantique et de la lune , que la sonde de la mission Luna 24 a ramenée de Mare Crisium . ^[25]

promotion et réserves

Le producteur de cuivre le plus important est le Chili, suivi de loin par le Pérou et la Chine. En Europe, la Pologne , le Portugal et la Suède sont notables. Les pays exportateurs les plus importants ont été organisés au sein du CIPEC de 1967 à 1988 . Le CIPEC comprenait le Chili, le Pérou et la Papouasie-Nouvelle-Guinée , sur l'île de laquelle Bougainville , l' une des plus grandes mines de cuivre du monde, a conduit à une guerre civile en 1988.

Les mines de cuivre de la péninsule de Keweenaw dans le lac Supérieur (États-Unis) avaient une importance historique. Il y avait le plus grand gisement de cuivre natif au monde. L'exploitation minière y a eu lieu dès l'époque précolombienne. En Allemagne, l'ardoise de cuivre a été extraite dans le Mansfelder Land jusqu'en 1990 . D'autres sites miniers historiques étaient Kupferberg / Haute-Franconie (à partir du XIIIe siècle) et la Basse Silésie Kupferberg / Monts des Géants (depuis le XIIe siècle) ^[26] En Cornouailles (Angleterre), il y avait une importante exploitation minière de cuivre, en particulier aux XVIIIe et XIXe siècles. . ^[27]

Selon l'International Copper Study Group ICSG, selon l'United States Geological Survey (USGS), les réserves de cuivre s'élèvent actuellement à environ 870 millions de tonnes (Mt). Les ressources de cuivre identifiées et non découvertes sont estimées à environ 2 100 Mt et 3 500 Mt respectivement (5 600 Mt au total). Ce dernier ne prend pas en compte les énormes quantités de cuivre qui se trouvent dans les nodules en eaux profondes et les sulfures massifs terrestres et sous-marins. ^[28]

• 

  États membres du CIPEC

• 

  Développement de la production de cuivre (1900–2012)

Production de cuivre en milliers de tonnes

pays	Démantèlement 2018 [29]	Démontage 2019 [30]	Démantèlement 2020 [31]	réserves	Production de la raffinerie 2019 [30]	Production de la raffinerie 2020 [31]
Australie Australie	920	934	885	93 000	426	427
Chili Chili	5 800	5 790	5 730	200 000	2 270	2 330
République populaire de Chine les gens de la République de Chine	1 590	1 680	1 720	26 000	9 780	10 000
Allemagne Allemagne					632	643
Indonésie Indonésie	651		505	24 000		269
Japon Japon					1 500	1 580
Canada Canada		573	585	9 800	281	290
Kazakhstan Kazakhstan	603	562	552	20 000	512	515
République Démocratique du Congo République Démocratique du Congo	1 200	1 290	1 600	31 000	1 080	1 350
Mexique Mexique	760	715	733	53 000	477	492
Pérou Pérou	2 400	2 460	2 150	77 000	308	324
Pologne Pologne		399	393	31 000	566	560
Russie Russie	710	801	810	62 000	1 050	1040
Zambie Zambie	870	797	853	21 000	262	378
COREE DU SUD Corée du Sud					665	671
États-Unis États-Unis	1 200	1 260	1 200	48 000	1 030	918
Autres pays	3 540	3 100	2 840	180 000	3 640	3 450
Total mondial (arrondi)	20 400	20 400	20 600	880 000	24 500	25 300

extraction

Extraction du cuivre par le procédé de fusion flash

cuivre brut

Les fours les plus importants pour la production de cuivre sont le four à flamme et, depuis 1980, le four de fusion éclair .

Pour produire du cuivre, la matte de cuivre (Cu ₂ S avec différentes teneurs en FeS et une teneur en Cu d'environ 70 %) est d'abord extraite des pyrites de cuivre (CuFeS ₂ ) . Pour ce faire, la matière première est torréfiée avec addition de coke et les oxydes de fer contenus sont scorifiés à l'aide d' additifs contenant de l'acide silicique . Ce laitier de silicate de fer flotte sur la matte de cuivre et peut être facilement largué.

• travail de torréfaction :

${\displaystyle \mathrm {6\ CuFeS_{2}+10\ O_{2}\longrightarrow 3\ Cu_{2}S+2\ FeS+2\ Fe_{2}O_{3}+7\ SO_{2} } }$

• travail de fonte :

${\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+C+SiO_{2}\longrightarrow Fe_{2}SiO_{4}+CO} }$

La matte de cuivre ainsi obtenue est transformée en cuivre brut (également appelé cuivre noir ). Pour ce faire, il est versé dans un convertisseur alors qu'il est encore en fusion et de l'air est insufflé dans ce bain de fusion. Dans la première étape (soufflage de scories) , le sulfure de fer qu'il contient est grillé pour former de l'oxyde de fer et celui-ci est lié à des scories avec du quartz ajouté, qui peut ensuite être déversé. Dans une deuxième étape (empotage) , les deux tiers du Cu ₂ S restant sont oxydés en Cu ₂ O. L'oxyde réagit ensuite avec le sulfure restant pour former le cuivre brut.

• soufflage de scories :

${\displaystyle \mathrm {2\ Cu_{2}S+3\ O_{2}\longrightarrow 2\ Cu_{2}O+2\ SO_{2}} }$

• Bulles de cuisson :

${\displaystyle \mathrm {Cu_{2}S+2\ Cu_{2}O\longrightarrow 6\ Cu+SO_{2}} }$

Le cuivre brut a une teneur en cuivre de 98 %. En plus des métaux de base tels que le fer et le zinc, les 2 % restants contiennent également des métaux précieux tels que l'argent et l'or.

raffinage

L' affinage électrolytique du cuivre est réalisé dans une solution de sulfate de cuivre(II) contenant de l'acide sulfurique avec une anode en cuivre brut et une cathode en cuivre pur . Au cours de l'électrolyse, tous les métaux moins nobles que le cuivre sont oxydés et passent en solution sous forme de cations , tandis que les métaux plus nobles coulent sous forme de boues anodiques .

Équation de la réaction de raffinage électrolytique :

anode

${\displaystyle \mathrm {Cu\longrightarrow Cu^{2+}+2\ e^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {Fe\longrightarrow Fe^{2+}+2\ e^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {Zn\longrightarrow Zn^{2+}+2\ e^{-}} }$

cathode

${\displaystyle \mathrm {Cu^{2+}+2\ e^{-}\longrightarrow Cu} }$

Alors que l'anode se dissout lentement avec formation de cations, seul le cuivre, le cuivre électrolytique, avec une fraction massique de w _(Cu)  = 99,99 %, se dépose sur la cathode en raison de la réduction des ions cuivre.

La boue d'anode qui est un sous-produit est ensuite utilisée et sert de matière première pour l'extraction des métaux précieux.

Le cuivre est extrait dans des raffineries . En Europe, Aurubis AG (anciennement Norddeutsche Affinerie), dont le siège est à Hambourg, est connue pour cela, tout comme Duisburger Kupferhütte (aujourd'hui DK Recycling et Roheisen ).

Le cuivre peut également être obtenu sous forme de cuivre dit de ciment par précipitation d' une solution de sulfate de cuivre avec du fer . Le processus de précipitation s'appelle la cémentation . Le cuivre obtenu est souvent contaminé. ^[32] La précipitation du cuivre sur le fer à partir de solutions naturelles de sels métalliques est pratiquée en Chine depuis 1086 après JC. ^[33]

Le cuivre peut également être représenté par une réaction aluminothermique . Un mélange d' oxyde de cuivre (II) et de poudre d'aluminium est utilisé comme thermite . L'utilisation d'un fondant (par exemple du fluorure de calcium ) peut augmenter le rendement car les métaux élémentaires, contrairement au laitier produit, ne peuvent pas se dissoudre dans le fondant. L'extraction aluminothermique n'est pas économique en raison de l'aluminium qu'elle nécessite.

• 

  Pyrite de cuivre torréfiée, dite pierre de cuivre

• 

  Élimination du cuivre de la solution de minerai sur des plaques de fer par formation de "cuivre de ciment" (rose clair)

• 

  Procédés d'extraction du cuivre utilisés (1930–1995)

Les caractéristiques

Une bonne conductivité électrique et thermique sont des propriétés importantes du cuivre en tant que matériau. Cependant, la grande importance de ce matériau pour la technologie ne découle que de la combinaison des diverses bonnes propriétés qui ont été utilisées et développées pendant des années - également en relation avec d'autres métaux sous forme d'alliages de cuivre. De plus, le cuivre a une excellente résistance à la corrosion et est 100 % recyclable sans aucune perte de qualité.

Propriétés physiques

Réseau cubique à faces centrées de cuivre

Disque de cuivre (coupe transversale) de coulée continue , gravé pour visualiser l'orientation cristalline, diamètre environ 83 mm, pureté > 99,95 %

Du fait de sa masse volumique de 8920 kg/m³, le cuivre est l'un des métaux lourds qui cristallise sous forme cubique à faces centrées et présente donc une sphère cubique compacte de groupe d'espace Fm 3 m (groupe d'espace n° 225) . Le paramètre de réseau du cuivre pur est de 0,3615  nm ^[34] (correspond à 3,615  Å ) avec 4 unités de formule par cellule unitaire . ^[35] Vorlage:Raumgruppe/225

Le cuivre est un très bon conducteur de chaleur . Son point de fusion est de 1083,4 °C. De même, le cuivre est un très bon conducteur électrique avec une conductivité électrique de 58 × 10 ⁶  S/m. Sa conductivité n'est que légèrement inférieure à celle de l'argent et nettement meilleure que celle de l'or . Étant donné que tous les adjuvants dissous dans le cuivre, en particulier les impuretés telles que le phosphore et le fer ^[36] , réduisent considérablement la conductivité, les degrés de pureté les plus élevés sont souvent utilisés pour les matériaux conducteurs ( Cu-ETP , anciennement E-cuivre, 99,9 % de pureté).

La dureté Mohs du cuivre est de 2,5 à 3, ce qui correspond à une dureté Vickers (VHN) de 77-99 à une force d'essai de 1N. Le formage à froid augmente la résistance à la traction de 150 à 200 MPa (mou) à > 350 MPa. Cela réduit l' allongement à la rupture en dessous de 5% avec des valeurs de dureté autour de 100  HB . La conductivité chute. Le cuivre déformé puis recuit a un allongement à la rupture > 40% et des valeurs de dureté autour de 50 HB.

La douceur du cuivre explique en partie sa conductivité électrique élevée et sa conductivité thermique élevée , juste derrière l' argent parmi les métaux purs à température ambiante . En effet, la résistivité pour le transport d'électrons dans les métaux à température ambiante est principalement due à la diffusion des électrons dans les modes thermiques du réseau , qui sont relativement faibles dans un métal mou. ^[37]

Le forgeage est tout à fait possible à des températures de 700 à 800 °C. Le formage à froid peut être réalisé sans recuit intermédiaire , l' écrouissage se produit .

En tant que métal nu, le cuivre est de couleur rouge clair et la couleur de la ligne est rose. La couleur rouge est due au fait qu'à température normale, elle absorbe un peu plus la lumière verte et bleue complémentaire . Il se ternit à l' air et vire d'abord au brun rougeâtre. Avec les intempéries et la corrosion , la surface lisse se perd très lentement (souvent au cours des siècles) et la couleur change en raison de la formation d'une patinedu rouge-brun au bleu-vert. Le cuivre est un matériau de construction durable avec une "espérance de vie" technique de plus de 200 ans. Cette résistance est basée sur sa capacité à former une couche protectrice adhésive résistante aux intempéries dans l'atmosphère. Cette couche d'oxyde est intrinsèquement stable et "auto-cicatrisante". Quelle que soit sa composition, il offre une protection contre d'autres attaques corrosives ^[38].

Le cuivre est l'un des rares éléments métalliques à avoir une couleur naturelle autre que le gris ou l'argent. ^[39] Les surfaces de cuivre pur sont rouge saumon et virent au brun rougeâtre lorsqu'elles sont exposées à l'air. La couleur caractéristique du cuivre résulte des transitions interbandes des électrons présents dans l' orbitale atomique d .

Comme pour les autres métaux, la corrosion galvanique se produit lorsque le cuivre est mis en contact avec un autre métal dans un électrolyte . ^[40] Il forme des éléments locaux , par exemple en tant que composant trace dans le zinc. En tant que métal relativement noble de la série électrochimique , il n'est cependant généralement pas lui-même affecté par la corrosion.

propriétés chimiques

Le cuivre se présente dans les états d'oxydation 0, +1, +2, +3 et +4, les plus courants étant +1 et +2, +2 étant l'état d'oxydation le plus stable dans les solutions aqueuses ; Le niveau +4 est extrêmement rare (par exemple dans Cs ₂ CuF ₆ ). Les sels de cuivre(II) (par exemple le sulfate de cuivre ) sont généralement de couleur bleue ou verte. Chimiquement, le cuivre a des propriétés similaires aux éléments argent et or , qui sont dans le même groupe . Ainsi une couche de cuivre métallique est déposée sur un clou en fer qui est plongé dans une solution de sulfate de cuivre, pour laquelle le fer est présent sous forme de sulfate ferreux dansLa solution fonctionne car le fer est moins noble que le cuivre (voir aussi la série de tension ). Le cuivre n'est normalement pas attaqué par l'acide chlorhydrique , ^[41] mais est sévèrement attaqué en présence d' oxygène ; il est dissous par l'acide sulfurique chaud . ^[42] Il se dissout également dans l'acide nitrique ^[43] et l' eau régale . ^[44] Un mélange d'acide chlorhydrique ou d'acide sulfurique avec du peroxyde d'hydrogène dissout très rapidement le cuivre. Le métal est également attaqué par les acides organiques . Contre lessiveil se comporte stable. Lorsqu'il est chauffé au rouge , il réagit avec l'oxygène pour former une épaisse couche d' oxyde de cuivre . Le cuivre est passivé par le fluor et ses composés . Selon la granulométrie , la poudre de cuivre est inflammable ou combustible . Le métal sous forme compacte est incombustible et après avoir formé une fine couche d'oxyde, il n'est plus attaqué par l'air et l'eau, il résiste donc à l'air pur et à l'eau . ^[13]

L'oxygène et l'hydrogène se dissolvent dans le cuivre liquide , qui peut se transformer en vapeur d'eau lorsque la masse fondue se solidifie et ainsi former la cause de la porosité des gaz dans la coulée .

Des fissures et des cavités peuvent se former dans les types de cuivre contenant de l'oxygène lorsqu'ils entrent en contact avec des gaz contenant de l'hydrogène , ce qui conduit à ce que l'on appelle la fragilisation du cuivre par l'hydrogène .

propriétés biologiques

Le cuivre est un oligo-élément essentiel pour l'organisme humain , c'est-à-dire que l'homme a besoin de cuivre pour survivre. Les besoins quotidiens d'un adulte d'environ 2 mg sont généralement atteints grâce à une alimentation équilibrée avec une grande proportion de céréales, de viande, de légumes-racines, de légumineuses, de noix ou même de chocolat. ^[45] Le cuivre est un élément naturel que l'on trouve sous diverses formes et concentrations dans la croûte terrestre, les océans, les lacs et les rivières. La flore et la faune ont évolué au sein de cette présence naturelle de cuivre. Par conséquent, la plupart des organismes ont un mécanisme inhérent pour l'utiliser.

Propriétés antimicrobiennes

Le cuivre est toxique pour de nombreux micro-organismes (virus, germes) même à faible concentration. En raison des propriétés antimicrobiennes du cuivre, le matériau est utilisé par ex. B. utilisé dans les hôpitaux dans des tests à grande échelle. Une étude clinique de 2008/2009 montre que les germes de SARM ont été réduits à 63 % dans l' Asklepios Klinik Wandsbek , à Hambourg, après le remplacement de 50 poignées de porte/panneaux et interrupteurs d'éclairage . ^{[46] [47]} Une étude du Chili a trouvé une réduction du nombre de germes sur des objets en alliages de cuivre jusqu'à 92% à une humidité de l'air de 7,2 à 19,7%. Une étude multicentriquede 2010/2011 des États-Unis montre que le taux d'infection dans les "salles de cuivre" chute de près de 60 % et que le nombre de germes sur les objets en cuivre est réduit de plus de 80 %. En 2013, la clinique de médecine pédiatrique et de l'adolescence de la clinique Niederberg en Rhénanie-du-Nord-Westphalie a remplacé ses poignées de porte par des poignées en alliages de cuivre. Des alliages contenant plus de 60 % de cuivre sont nécessaires. ^[48] ​​​​D'autres essais avec diverses applications du cuivre sont en cours aux États-Unis. ^[49]

Des expériences suggèrent que la destruction par contact se produit par un mécanisme par lequel le contact métal-bactérie endommage l'enveloppe cellulaire, ce qui rend les cellules vulnérables à d'autres dommages causés par le cuivre. ^[50] Il y a actuellement trois expériences par le groupe de travail sur la station spatiale ISS et d'autres sont prévues.

Plus précisément, l'effet réducteur de germes provient du fait que les ions cuivre se lient aux groupes thiol des protéines et peroxydent les lipides de la membrane cellulaire , ce qui conduit à la formation de radicaux libres qui endommagent l'ADN et les membranes cellulaires. Chez l'homme, par exemple dans le cas de la maladie de Wilson (maladie du stockage du cuivre), cela entraîne des lésions des organes avec un fort excès de cuivre. ^[51]

Les alliages de cuivre avec une teneur en cuivre d'au moins 60 % présentent également un effet toxique sur les norovirus . ^[52]

Action contre les escargots

La bave d'escargot oxyde le cuivre dans le fil de cuivre ou la feuille de cuivre qui agit comme une barrière pour les plantes vulnérables. Cela crée une substance irritante qui empêche l'escargot de ramper plus loin. ^{[53] [54]}

Besoins biologiques en cuivre

Étant donné que le cuivre est d'une grande importance pour le métabolisme en particulier, une carence en cuivre peut entraîner de graves problèmes de santé. Les bienfaits du cuivre pour la santé sont nombreux, car en tant que composant d'enzymes et de protéines vitales, le cuivre influence de nombreuses fonctions corporelles : le cuivre est essentiel à la croissance du nourrisson, à la solidité des os, à la maturation des globules rouges et blancs, au transport du fer, au métabolisme du cholestérol et du glucose. , la contraction du muscle cardiaque et le développement du cerveau.

Les besoins quotidiens d'un adulte sont de 1,0 à 1,5 milligrammes. ^[55] Dans le corps humain, le cuivre est principalement stocké dans le foie.

Le cuivre se trouve principalement dans le chocolat, le foie, les céréales, les légumes et les noix. La carence en cuivre est rare chez l'homme. Une carence est principalement possible en cas de diarrhée de longue durée, chez les enfants précoces, après une malnutrition à long terme ou une malabsorption due à des maladies telles que par ex. B. sprue , la maladie de Crohn ou la fibrose kystique . La prise de fortes doses de zinc , de fer ou de molybdate peut également entraîner une diminution des niveaux de cuivre dans le corps. ^[56] Le syndrome de Menkes est un trouble congénital rare du métabolisme du cuivre. ^{[57] [58]}

Excès de cuivre et empoisonnement

Dépôts de cuivre dans la cornée de l'œil (anneau cornéen de Kayser-Fleischer), symptôme de la maladie héréditaire de Wilson

L'excès de cuivre est passé avec la bile dans le système digestif pour l'excrétion. ^[56]

Le sulfate de cuivre (vitriol de cuivre) est un puissant émétique et a donc été utilisé pour traiter de nombreux types d'empoisonnement, par exemple par le phosphore blanc , qui dans ce cas particulier présente également l'avantage que le phosphore est également lié sous forme de phosphure de cuivre peu soluble .

Dans la maladie héréditaire rare de la maladie de Wilson , l'excrétion du cuivre est altérée et il y a une accumulation accrue de cuivre, d'abord dans le foie, puis, lorsque le foie excrète le cuivre dans la circulation sanguine, également dans d'autres organes. Un autre trouble rare du métabolisme du cuivre est le syndrome de Menkes . Bien que le cuivre puisse être absorbé par les cellules, il ne peut alors plus être transporté de manière ordonnée, de sorte que certains organes ont une teneur en cuivre accrue, tandis que d'autres ont une teneur en cuivre réduite.

Cuivre et maladie d'Alzheimer

Le lien entre le cuivre et le développement de la maladie d'Alzheimer a été discuté à maintes reprises. Dès 2003, des chercheurs soupçonnaient que le cuivre ralentissait la production d'amyloïde A et qu'une carence en cuivre favorisait la démence d'Alzheimer. ^[59] Cependant, une étude pilote ultérieure avec 70 patients atteints d'Alzheimer n'a pu montrer aucun effet protecteur d'un apport accru en cuivre, même s'il y avait une stabilisation de la baisse d'Abeta42 dans le liquide céphalo-rachidien , un marqueur de la maladie d'Alzheimer. ^[60]

D'autres études ont montré que le cuivre pouvait être nocif pour le cerveau. Une étude avec l' ionophore PBT2 comme principe actif contre la maladie d'Alzheimer a montré de bons résultats dans une étude de phase II. L'ingrédient actif lie non seulement le zinc , mais également le cuivre et réduit ainsi la concentration de cuivre dans le cerveau. ^[61]

Une nouvelle étude montre qu'un apport élevé de cuivre à long terme se dépose dans les capillaires cérébraux et peut y endommager la barrière hémato-encéphalique . Cela entrave l'élimination de la bêta-amyloïde , et l'accumulation de la substance provoque alors la maladie d'Alzheimer . ^[62]

utilisation

Ligne électrique ( toron )

Le " Brüningtaler " - pièce de cours en cuivre ou en bronze de 4 Reichspfennig de 1932

Toit en cuivre pour le palais résidentiel de Dresde

Le cuivre est utilisé pur ou sous forme d'alliage dans une variété d'applications et dans de nombreuses industries différentes telles que l'automobile ou la construction mécanique, notamment en raison de son excellente conductivité électrique et thermique , mais aussi en raison de son excellente maniabilité et durabilité. Les énergies renouvelables (mot-clé : green building) sont désormais aussi un domaine d'application important . Cependant, cela inclut également des domaines tels que les télécommunications, l'architecture, les énergies conventionnelles, les installations sanitaires, le chauffage, les transports, les applications maritimes, l'électrotechnique (par exemple les installations électriques ), les pièces de précision, les pièces de monnaie , la coutellerie ., objets d'art, instruments de musique et bien plus encore.

Si le cuivre est utilisé en contact avec d'autres métaux, cela entraîne une corrosion de contact lorsqu'il est exposé à l'humidité .

Après l'argent, le cuivre a la deuxième conductivité électrique la plus élevée de tous les matériaux, devant l'or. utilisé pour:

• lignes électriques , fils de liaison et câbles d'alimentation de faible section, lignes aériennes
• Pistes conductrices sur les cartes de circuits imprimés et en partie dans les circuits intégrés
• Machines électriques : enroulements de fils dans les transformateurs , selfs / bobines et moteurs électriques
• Composants : corps d'anode de magnétron , pinces , fils de composants, porte-contacts, manchons de compression

L'aluminium est moins cher et, sur la base de la masse par longueur, un meilleur conducteur d'électricité que le cuivre. Mais c'est plus volumineux. entre autres Pour cette raison, et aussi parce que le cuivre peut être mieux contacté et a une résistance à la fatigue en flexion plus élevée, il est généralement préféré à l'aluminium comme conducteur, sauf lorsque le poids ou le prix sont importants.

Les fils et torons en cuivre dit Oxygen Free Copper ( OFC , anglais désignant un cuivre sans oxygène d'une pureté > 99,99%) ont une structure cristalline à grains très fins et une résistance à la fatigue particulièrement élevée. Ils sont utilisés pour les câbles et les lignes mécaniquement fortement sollicités.

Des alliages de cuivre et de magnésium sont utilisés pour les lignes aériennes . ^[63] Un compromis entre l'augmentation de la résistance à la traction et la diminution de la conductivité doit être trouvé.

Le cuivre a une réflectivité élevée dans le domaine infrarouge et est donc utilisé comme miroir pour les faisceaux laser au dioxyde de carbone et pour le revêtement du verre ( verre isolant ).

En raison de sa conductivité thermique élevée et de sa résistance à la corrosion, il convient bien comme matériau pour les échangeurs de chaleur , les dissipateurs thermiques et les plaques de montage pour les semi- conducteurs de puissance . En gastronomie, il est souvent utilisé comme batterie de cuisine .

Dans l' artisanat , la feuille de cuivre est martelée , c'est-à-dire déformée par le martelage, ce qui est facilement possible en raison de sa douceur. Dans les beaux-arts, le cuivre est encore utilisé à ce jour pour la fabrication de plaques d'impression pour gravures et eaux- fortes .

Les toits sont également recouverts de feuilles de cuivre, qui forment alors une patine verdâtre permanente constituée de divers hydroxydes basiques de cuivre ou de carbonates de cuivre . Cette patine, souvent appelée à tort "vert-de-gris" (voir acétate de cuivre ), protège bien le métal sous-jacent d'une nouvelle corrosion , permettant aux toits en cuivre de durer plusieurs siècles. Les clous en cuivre sont utilisés sur les toits traditionnels en ardoise . Le cuivre est également de plus en plus utilisé pour les toits et les façades pour des raisons esthétiques.

alliages

Le cuivre est également un composant de plus de 400 alliages ^[64] tels que par ex. B. laiton (avec zinc), bronze (avec étain) et maillechort (avec zinc et nickel). Ces alliages de cuivre sont utilisés de diverses manières en raison de leurs bonnes propriétés, telles que la couleur, la résistance à la corrosion et la maniabilité. Une distinction est faite entre les alliages corroyés (laiton et maillechort) et les matériaux coulés ( gunmetal, bronzes) : les alliages corroyés sont mis en forme par plastification (formage à chaud : laminage, forgeage, etc. ou formage à froid : tréfilage, martelage, laminage à froid, emboutissage profond, etc.), tandis que les matériaux coulés sont généralement difficiles ou impossible à former plastiquement.

Selon l'ajout de nickel , la couleur inhérente au cuivre disparaît et des alliages jaunâtres à blancs résistants à la corrosion ( cuivre- nickel ) se forment.

De nombreux matériaux utilisés pour les pièces sont fabriqués à base de cuivre, de sorte que le métal des parties dorées des pièces en euros, connu sous le nom d'« or nordique », est un alliage cuivre-zinc-aluminium-étain. Les pièces métalliques des pièces de 1 DM valables jusqu'en 2001 et les parties claires des pièces en euros sont constituées d' alliages cuivre- nickel .

Les composés de cuivre sont utilisés dans les pigments de couleur , comme toners , dans les préparations médicales et les revêtements de surface galvaniques .

L'arbre généalogique du cuivre

L'arbre généalogique du cuivre de l'Institut allemand du cuivre donne un aperçu des différentes familles d'alliages.

preuve

Coloration à la flamme du cuivre

Le cuivre colore la perle de borax du bleu au bleu-vert dans la zone de flamme oxydante, aucune coloration n'est perceptible dans la zone de flamme réductrice ou la perle est colorée de rouge à brun rougeâtre. Dans le procédé classique de séparation des cations , le cuivre est précipité dans le groupe sulfure d'hydrogène et y est détecté dans le groupe cuivre sous forme de complexe bleu. Cette dernière couleur est basée sur le fait que les solutions d'ions cuivre(II) avec l'ammoniac forment un complexe de tétrammine de cuivre bleu foncé, [Cu(NH ₃ ) ₄ ] ²⁺ (voir aussi réaction de formation de complexe ).

Une solution d'hexacyanoferrate(II) de potassium précipite les ions cuivre(II) sous forme d'hexacyanoferrate(II) de cuivre(II), Cu ₂ [Fe(CN) ₆ ]. Cette réaction de détection est très sensible, i. c'est-à-dire qu'il indique également de petites quantités de cuivre.

Les sels de cuivre colorent la flamme (flamme du bec Bunsen) du vert au bleu ( coloration de la flamme , analyse spectrale ).

Le dosage quantitatif peut être réalisé par électrogravimétrie sur une cathode à mailles de platine à partir d'une solution contenant de l'acide sulfurique de cuivre(II). Le cuivre peut être dosé analytiquement par iodométrie ou complexométrie ( titrage avec Titriplex / Complexon III avec l'indicateur murexid ). Dans la gamme des traces , la polarographie différentielle des impulsions est disponible (potentiel demi-onde -0,62 V par rapport à SCE dans une solution de thiocyanate 1 M ). Les ultra-traces de cuivre sont déterminées par voltamétrie inverse, ^[65] Four graphite AAS ou ICP-MS .

Les ions cuivre(II) forment un complexe bleu avec la cuprizone (acide oxalique biscyclohexylidène hydrazide) en solution faiblement alcaline.

liens

oxydes et hydroxydes

oxyde de cuivre(I)

L'oxyde de cuivre (I) est rougeâtre et a une structure cristalline cubique avec le groupe d'espace Pn 3 m (groupe d'espace n° 224) . ^[66] Il est utilisé comme pigment dans le verre , la céramique , l'émail , la glaçure de porcelaine, ainsi que comme polissage du verre optique , insecticide , catalyseur pour la production d'ammoniac , solvant pour les minerais de chromite , dans les électrodes galvaniques , en pyrotechnie , formation de nuagesVorlage:Raumgruppe/224, inhibiteurs de corrosion , procédés de galvanoplastie , électronique , textiles , utilisé comme retardateur de flamme , additif pour carburant , catalyseur pour le contrôle de la pollution , l'impression et la photocopie , et comme agent de préservation du bois .

L'oxyde de cuivre (II) est un solide noir, amorphe ou cristallin et forme une structure cristalline monoclinique avec le groupe d'espace C 2/ c (groupe d'espace n° 15) . ^[66] Il est utilisé dans l'industrie de la céramique pour colorer les verres , les glaçures et les émaux en bleu, vert ou rouge. Il est parfois utilisé pour être incorporé dans des suppléments minéraux pour protéger contre la carence en cuivre dans l'alimentation animale. Ses autres applications incluent la préparation de solutions pour l'industrie de la pâte à papier. Vorlage:Raumgruppe/15

L'hydroxyde de cuivre (II) est bleu et est utilisé pour fabriquer de la pâte à papier , des électrodes de batterie et d'autres sels de cuivre. Il est utilisé comme mordant dans la teinture , comme pigment et additif alimentaire , dans le traitement de la pourriture de stockage dans les canneberges et comme fongicide contre les vulnérabilités bactériennes dans la laitue, les pêches, les canneberges et les noix. ^[67]

halogénures

Le chlorure de cuivre(II) est une poudre brune très hygroscopique . Il est utilisé comme catalyseur de réactions organiques et inorganiques , mordant pour la teinture et l ' impression de textiles , pigment pour le verre et la céramique , agent de préservation du bois , désinfectant , insecticide , fongicide et herbicide , et comme catalyseur dans production de chlore à partir de chlorure d'hydrogèneutilisé. Le chlorure de cuivre(II) dihydraté (CuCl ₂ 2H _{2 O) est un} solide bleu-vert .

Le chlorure de cuivre(I) est blanc et a une structure cristalline de blende de zinc avec le groupe d' espace F 4 3 m (groupe d'espace n° 216) . ^[68] Il est utilisé comme catalyseur pour de nombreuses réactions organiques . Les solutions ammoniacales de chlorure de cuivre (I) sont utilisées pour éliminer le monoxyde de carbone des gaz . ^[67]Vorlage:Raumgruppe/216

Autres composés inorganiques

Cristaux de sulfate de cuivre pentahydraté fabriqués synthétiquement

Le sulfate de cuivre est naturellement présent sous forme de chalcanthite (sulfate de cuivre pentahydraté, Cu[SO ₄ ] · 5H ₂ O) et de boothite (sulfate de cuivre heptahydraté, Cu[SO ₄ ] · 7H ₂ O). Il est utilisé pour la conservation des peaux, le tannage du cuir , la fabrication de sels de cuivre, la conservation de la pulpe de bois et de la pulpe broyée , le contrôle de la croissance des algues dans les eaux stagnantes . En outre, il est utilisé dans les solutions de galvanoplastie , les peintures de lavage et de marquage des métaux, les raffineries de pétrole , dans lePyrotechnie et utilisé pour de nombreuses autres applications industrielles. ^[67]

composés organiques

Acétate de cuivre(II) (vert de gris) sous forme de poudre

L'acétate de cuivre(II) (vert-de-gris) forme des cristaux vert foncé . Il est utilisé comme fongicide , catalyseur de réaction organique , pigment pour céramique , insecticide , agent anti-moisissure, conservateur pour matériaux cellulosiques, stabilisant pour polyuréthanes et nylons , agent anti - corrosion et additif pour carburant . ^[67]

évolution des prix

Le prix du cuivre par rapport au prix de l'aluminium

cuivre

aluminium

Le cuivre est un métal relativement cher. Son prix est principalement déterminé sur les principales bourses de matières premières et bourses à terme de matières premières dans le monde. Le London Metal Exchange  (LME) est le leader du négoce du cuivre . ^[69]

Le prix du marché mondial du cuivre est soumis à de fortes fluctuations : Il a connu l'une des plus fortes fluctuations en 2008, lorsque le prix du cuivre au LME s'échangeait encore au plus haut intermédiaire de  8 940 USD / t ^[70] le 2 juillet et plus au 23 décembre est tombé à son plus bas niveau en 10 ans de 2 825 $ ^[70] en 2008 . Après cela, le prix du cuivre s'est redressé en moins de 4 mois jusqu'au 15 avril 2009 jusqu'à 4 860 USD/t. ^[70] Le prix du cuivre a atteint son plus haut niveau en 10 ans le 14 février 2011 à 10 180 USD/t. ^[71]

De mars 2012 à mars 2013, le prix du cuivre a culminé le 2 avril 2012 à 8 619,75 USD et le 2 août 2012 à 7 288,25 USD. ^[72] Une fourchette similaire a également été observée d'octobre 2012 à mars 2013 entre 8 350 USD/t et 7 577 USD/t. ^[73]

En août 2014, le cours mondial du cuivre était d'environ 7 000 USD/t. ^[74] Selon le taux de change de l'époque, cela s'élevait à 6 671 EUR/t. ^[75]

Le prix élevé du cuivre entraîne également une augmentation des vols d'objets contenant du cuivre. Les câbles de mise à la terre des chemins de fer sont particulièrement touchés. Par exemple, en 2015, Deutsche Bahn AG a subi environ 14 millions d'euros de dommages. ^[76]

L' affaire Sumitomo est l'un des plus grands scandales financiers de l'histoire récente . Il était basé sur le commerce du cuivre. À la suite de la découverte en 1996, le prix du cuivre a chuté de 27 % en un jour.

Littérature

• Harry H. Binder : Lexique des éléments chimiques - le tableau périodique en faits, chiffres et dates. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
• JW Howard : L'histoire du cuivre . Dans : Journal of Chemical Education . ruban 6 , non. 3 , 1929, p. 413–431 , doi : 10.1021/ed006p413 ( PDF ). 

liens web

Commons : Copper  - Album avec photos, vidéos et fichiers audio

Wiktionnaire : Kupfer  – explications du sens, origine des mots, synonymes, traductions

Wikibooks : Formation pratique en chimie inorganique/cuivre  - matériel d'apprentissage et d'enseignement

• Littérature par et sur le cuivre dans le catalogue de la Bibliothèque nationale allemande
• Atlas minéral : cuivre (données), atlas minéral : portrait minéral/cuivre (histoire, fonderie, etc.)
• deutschlandfunk.de , The Feature , 18 juillet 2017, Michael Faulmüller : Copper - Element of Discord : A Story of the Eternal Struggle
• kupfer-institut.de (Institut allemand du cuivre DKI)
• London Metal Exchange , lme.com : prix du cuivre

Remarques

1. ↑ Sauf indication contraire, les valeurs des propriétés (boîte d'information) sont tirées de www.webelements.com (cuivre) .

les détails

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• Texte de la version parlée (7 janvier 2011)

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