RAME: STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, USI, RUOLO BIOLOGICO - CHIMICA - 2026

Il rame è un metallo di transizione appartenente 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.

Sveglia in rame. Fonte: Pixabay.

Tra i minerali che lo contengono si possono citare calcocite, calcopirite, bornite, cuprite, malachite e azzurrite. Il rame è presente anche nella cenere delle alghe, nei coralli marini e negli 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: ⁶³ Cu, con un'abbondanza del 69,15%, e ⁶⁵ Cu, con un'abbondanza del 30,85%.

Ci sono prove che il rame fu fuso nell'8000 a.C. 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 del 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.

Storia

Età del rame

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 aC).

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.

Età del bronzo

L'età del bronzo è iniziata 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 di 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 Ottaviano erano realizzate con una lega di rame, piombo e stagno.

Produzione e nome

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 di 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, che ha operato 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 moderno impianto di galvanica a utilizzare il rame.

Proprietà fisiche e chimiche

Aspetto

Il rame è un metallo rosso-arancio brillante, mentre la maggior parte dei metalli nativi sono grigi o argento.

Numero atomico (Z)

29

Peso atomico

63.546 u

Punto di fusione

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.

Punto di ebollizione

2.562 ºC

Densità

- 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.

Calore di fusione

13,26 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

300 kJ / mol.

Capacità calorica molare

24,44 J / (mol * K).

Dilatazione termica

16,5 µm / (m * K) a 25 ° C.

Conduttività termica

401 W / (m ∙ K).

Resistività elettrica

16,78 Ω ∙ ma 20 ° C.

Conduttività elettrica

59,6 ∙ 10 ⁶ S / m.

Il rame ha una conduzione elettrica molto elevata, superata solo dall'argento.

Durezza di Mohs

3.0.

È quindi un metallo morbido e anche abbastanza duttile. Resistenza e tenacità sono aumentate dalla lavorazione a freddo a causa della formazione di cristalli allungati della stessa struttura cubica a facce centrate presente nel rame.

Reazioni chimiche

Prova di fiamma di rame, che si identifica dal colore della sua fiamma blu-verde. Fonte: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Il rame non reagisce con l'acqua, ma reagisce con l'ossigeno atmosferico, essendo rivestito con uno strato di ossido bruno-nero che fornisce protezione dalla corrosione agli strati sottostanti del metallo:

2Cu (s) + O ₂ (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 (Cu ₂ O). Inoltre reagisce a caldo con lo zolfo per produrre solfuro di rame; pertanto, diventa nebbioso se esposto ad alcuni composti di zolfo.

Il rame brucia con una fiamma blu in una prova di fiamma; mentre il rame II emette una fiamma verde.

Struttura e configurazione elettronica

Cristalli di rame cristallizzano nella struttura cubica centrata sulla faccia (fcc). 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:

3d ¹⁰ 4 s ¹

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.

Numeri di ossidazione

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 (Cu ²⁺ ) sono i più noti e più abbondanti per il rame; sono generalmente gli unici insegnati a livello di scuola superiore. Tuttavia, ci sono anche i numeri di ossidazione +3 (Cu ³⁺ ) e +4 (Cu ⁴⁺ ), che non sono così rari come potresti pensare a prima vista.

Ad esempio, i sali di anioni cuprati, CuO ₂ ^- , rappresentano composti con rame (III) o +3; questo è il caso del cuprato di potassio, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Anche il rame, sebbene in misura minore e in occasioni molto rare, può avere un numero di ossidazione negativo: -2 (Cu ^2- ).

Come si ottiene

Materiale grezzo

I minerali più utilizzati per l'estrazione del rame sono i solfuri metallici, principalmente calcopirite (CuFeS ₂ ) e bornite (Cu ₅ FeS ₄ ). Questi minerali contribuiscono al 50% del rame totale estratto. Anche la calellite (CuS) e la calcocite (Cu ₂ S) vengono utilizzate per ottenere il rame .

Schiacciare e macinare

Inizialmente le rocce vengono frantumate per ottenere frammenti rocciosi di 1,2 cm. Si prosegue poi con una molatura dei frammenti rocciosi, fino ad ottenere particelle di 0,18 mm. Si aggiungono acqua e reagenti per ottenere una pasta, che viene poi fatta galleggiare per ottenere un concentrato di rame.

flottazione

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.

Purificazione

Per separare il rame da altri metalli e impurità, il concentrato secco viene sottoposto ad alte temperature in forni speciali. Il rame raffinato al fuoco (RAF) viene stampato in lastre del peso di circa 225 kg che costituiranno gli anodi.

Elettrolisi

L'elettrolisi è utilizzata nella raffinazione del rame. Gli anodi dallo smelter 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%.

Leghe di rame

Bronzo

Il bronzo è una lega di rame e stagno, di cui il rame 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.

Ottone

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.

Monel

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.

Hanno confermato

Constatán 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.

BeCu

La lega rame-berillio ha una percentuale di berillio del 2%. Questa lega combina forza, durezza, 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 come garanzia che non produrranno scintille.

Altro

La lega argento 90% e rame 10% è stata utilizzata nelle monete, fino al 1965 quando è stato eliminato l'uso dell'argento in tutte le valute, 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%).

applicazioni

Cablaggi elettrici e motori

Cablaggio elettrico in rame. Fonte: Scott Ehardt

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, trasmissione, distribuzione di energia elettrica, 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 è utilizzato anche nella realizzazione di circuiti integrati e circuiti stampati. Il metallo viene utilizzato nei dissipatori e negli scambiatori di calore grazie alla sua elevata conduzione termica, che facilita la dissipazione del calore.

Il rame è utilizzato in elettromagneti, tubi a vuoto, tubi a raggi catodici e 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.

Edificio

Il rame, per la sua resistenza alla corrosione e all'azione dell'aria atmosferica, è da tempo utilizzato nei tetti di case, pluviali, cupole, porte, finestre, ecc.

Attualmente è utilizzato nel rivestimento di pareti e oggetti decorativi, come accessori per il bagno, maniglie delle porte e lampade. Inoltre, è utilizzato nei prodotti antimicrobici.

Azione biostatica

Il rame impedisce a numerose 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.

Attualmente le vernici a base di rame vengono utilizzate per la protezione di cui sopra degli scafi delle navi. Il rame metallico può neutralizzare molti 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 e Clostridium difficile, virus del gruppo A, adenovirus e funghi. Pertanto, è stato progettato di utilizzare leghe di rame che sono a contatto con le mani dei passeggeri in diversi mezzi di trasporto.

nanoparticelle

L'azione antimicrobica del rame è ulteriormente potenziata dall'utilizzo delle sue nanoparticelle, che si sono dimostrate 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 di pesticidi ditiocarbammati.

Ruolo biologico

Nella catena di trasporto elettronico

Il rame è un elemento essenziale per la vita. È coinvolto nella catena di trasporto elettronico, facente parte del complesso IV. In questo complesso avviene la fase finale della catena di trasporto elettronico: la riduzione della molecola di ossigeno per formare l'acqua.

Il complesso IV consiste di due gruppi hae, un citocromo a, un citocromo a ₃ e due centri Cu; uno chiamato CuA e l'altro CuB. Il citocromo a ₃ e il 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 elettronico utilizza NADH e FADH ₂ , del ciclo di Krebs, come donatori di elettroni, con i quali 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.

Nell'enzima superossido dismutasi

Il rame fa parte dell'enzima superossido dismutasi, un enzima che catalizza la decomposizione dello ione superossido (O ₂ ^- ), un composto tossico per gli esseri viventi.

La superossido dismutasi catalizza la decomposizione dello ione superossido in 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.

In emocianina

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.

Concentrazione nel corpo umano

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 al resto del corpo umano attaccato alla proteina plasmatica ceruloplasmina.

Il rame in eccesso viene escreto attraverso la bile. In alcuni casi, tuttavia, come nella malattia di Wilson, il rame si accumula nel corpo, provocando effetti tossici del metallo che colpiscono il sistema nervoso, i reni e gli occhi.

Riferimenti

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