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Rame

Rame elemento

In natura il rame, può trovarsi allo stato elementare (rame nativo), ma generalmente è presente sotto forma di composti corrispondenti ai suoi stati di ossidazione +1 e +2.

Nella crosta terrestre è un elemento abbondante costituendone circa lo 6·10-3% in peso.

E’ stato individuato in natura allo stato puro (rame nativo) fin dai tempi più remoti; venne impiegato in Mesopotamia nel IX millennio a.C. per fabbricare oggetti sacri o decorativi.

A partire dal V millennio è stato lavorato in associazione con lo stagno per la produzione di bronzo, che per moltissimo tempo mantenne un ruolo importante nella fabbricazione di armi (cannoni) e di manufatti artistici.

Il nome latino di cuprum (da cui il simbolo Cu) deriva dal fatto che anticamente il rame veniva estratto a Cipro.

Il rame è un metallo rosso chiaro e lucente, molto duttile e malleabile, con elevate conducibilità termica ed elettrica (che è inferiore solo a quella dell'argento).

A temperatura ambiente non è particolarmente reattivo: all'aria secca si ossida solo molto lentamente, non viene attaccato dall'acqua, dagli acidi organici, dagli idrossidi alcalini e dagli acidi inorganici non ossidanti (in assenza di ossigeno) quali gli acidi cloridrico, solforico e fosforico diluiti.

All'aria umida e anche a freddo, si ricopre rapidamente di un sottile strato di ossido rameoso, che poi lentamente si trasforma in una patina protettiva verdastra di solfato basico e carbonato basico di rame. Reagisce invece facilmente (anche a freddo) con gli alogeni e con il solfuro di idrogeno, viene disciolto dagli acidi ossidanti (acido nitrico, acido cromico ecc.), da quelli non ossidanti se in presenza di acqua ossigenata, nonché dalle soluzioni acquose di ammoniaca e sali di ammonio o cianuri alcalini.

A temperature elevate si ossida velocemente all'aria, formando (a seconda della temperatura) ossido sia rameoso sia rameico, reagisce facilmente con lo zolfo e il selenio, e con molti ossidi acidi come per esempio il diossido di zolfo.

Non reagisce invece con il carbonio e con gli idrocarburi, a eccezione dell'acetilene: con quest'ultimo infatti forma, anche a freddo, acetiluri con caratteristiche esplosive.

Alla temperatura di 20°C la densità del rame è pari a 8960 kg/m3.

Il calore specifico del rame vale Cs = 0,092 cal / (g ·°C).

Alla temperatura di 20°C il peso specifico del rame vale 87986 N/m3.

rame

Rame

Composti del rame

Come tutti gli elementi della serie di transizione, il Cu forma composti sia inorganici sia organici corrispondenti a diversi suoi stati di ossidazione, in particolare 0, +1, +2, +3, +4, questi due ultimi per altro poco stabili.

L'ossido rameoso, Cu2O (monossido di dirame), che costituisce il minerale cuprite, è un solido cristallino di colore dal giallo-rosso al bruno a seconda delle dimensioni dei granuli, insolubile in acqua, solubile negli acidi con formazione dei corrispondenti sali, e solubile nelle soluzioni di ammoniaca (e dei cianuri alcalini) con formazione di ioni complessi.

Può essere ottenuto per riduzione a caldo con Cu metallico (o altri riducenti) di una soluzione di solfato rameico; per riscaldamento in aria (a seconda della temperatura) può ossidarsi a ossido rameico o dissociarsi a metallo e ossigeno.

Ha avuto applicazioni come pigmento per smalti e vernici e, essendo un semiconduttore e un fotoconduttore, viene utlizzato in elettronica.

L'ossido rameico, CuO può essere preparato per calcinazione del nitrato o dell'idrossido rameico a circa 300°C; è una polvere nera, del tutto insolubile in acqua ma solubile nelle soluzioni ammoniacali e di cianuri alcalini, che ha applicazioni come pigmento nell'industria dei vetri e degli smalti.

Ad alta temperatura può essere facilmente ridotto a metallo.

L'idrossido rameico, Cu(OH)2, può essere ottenuto come precipitato azzurro aggiungendo idrossidi alcalini a una soluzione di un sale rameico. Si discioglie in ammoniaca acquosa con formazione di ioni complessi.

Il cloruro rameoso, CuCl (allo stato gassoso la molecola è trimera, Cu3Cl3), può essere preparato per riduzione con rame metallico di una soluzione acquosa di cloruro rameico acida per acido cloridrico.

È un solido cristallino a struttura covalente, di colore bianco, insolubile in acqua, solubile in acido cloridrico concentrato.

Lo ioduro rameoso, CuI,si ottiene per reazione tra soluzioni di solfato rameico e ioduro di potassio.

Il cloruro rameico, CuCl2, si forma per reazione diretta tra gli elementi; può essere anche preparato per dissoluzione in acido cloridrico dell'idrossido rameico.

Il solfuro rameoso, Cu2S, che costituisce il minerale calcosina, può essere preparato per reazione diretta tra gli elementi, oppure per azione del solfuro di idrogeno sulle soluzioni dei sali rameosi o sull'ossido rameoso.

Il solfuro rameico, CuS, che costituisce il minerale covellite, può essere ottenuto come precipitato nero per azione del solfuro di idrogeno sulle soluzioni acquose dei sali rameici.

Del tutto insolubile in acqua e negli acidi diluiti, si discioglie invece facilmente nelle soluzioni dei cianuri alcalini.

L'acetato rameico monoidrato, Cu(CH3COO)2·H2O, può essere preparato per dissoluzione a caldo del rame in una soluzione di acido acetico contenente acido nitrico come ossidante. Ha avuto un tempo applicazioni in tintoria e in pittura con il nome di verderame.

Il solfato rameico CuSO4 è il composto più importante di questo metallo.

Il sale pentaidrato CuSO4·5H2O viene generalmente  utilizzato per la preparazione di composti di rame, in agricoltura, come anticrittogamico, e nella preparazione di pigmenti.

Carbonati. Sono noti molti carbonati basici a struttura ben definita, tra i quali due presenti in natura: la malachite, di colore verde smeraldo con formula chimica CuCO3·Cu(OH)2, e l'azzurrite, di formula chimica 2CuCO3·Cu(OH)2. La malachite ha impieghi in gioielleria e l'azzurrite come pigmento azzurro; entrambe si decompongono per riscaldamento formando ossidi di rame.

Composti di coordinazione. In tutti i suoi stati di ossidazione il Cu ha notevole tendenza alla formazione di complessi con numerosi leganti sia inorganici sia organici, carichi o neutri.

Nello stato di ossidazione +1 il rame forma complessi, generalmente incolori, corrispondenti a coordinazione 2, 3 e soprattutto 4: tra questi ricordiamo gli anioni clorocuprati (I) [CuCl2]-, [CuCl3]2- e [CuCl4]3- (che si formano disciogliendo il cloruro rameoso in soluzioni contenenti ioni cloruro), e i cationi ammino-rame (I) [Cu(NH3)2]+ e [Cu(NH3)4]+ (che si formano disciogliendo i sali rameosi in soluzioni ammoniacali, in assenza di aria).

Nello stato di ossidazione +2 si formano complessi (spesso intensamente colorati) con numero di coordinazione soprattutto 4, ma anche 5 e 6.

Per esempio alcuni sali rameici si disciolgono in acqua formando lo ione esaquorame (II) [Cu(H2O)6]2+, leggermente colorato in azzurro; per trattamento con ammoniaca di queste soluzioni si formano (a seconda delle concentrazioni) ioni del tipo [Cu(NH3)(H2O)5]2+ oppure [Cu(NH3)4(H2O)2]2+, intensamente colorati in azzurro-blu.

Leghe metalliche del rame

La suddivisione delle leghe di rame in famiglie è fatta di solito in base alla composizione:

Ottoni. Rappresentano il gruppo delle leghe di rame in cui lo zinco è il principale elemento di alligazione; sono suddivisi in ottoni binari, ottoni al piombo e ottoni speciali; dal punto di vista dei consumi  e da quello delle applicazioni sono la più importante famiglia di leghe.

Bronzi. Teoricamente i bronzi dovrebbero essere leghe di Cu con lo Sn quale principale elemento alligante, però nella pratica odierna si sono identificati come bronzi anche leghe di rame contenenti elementi diversi dallo stagno, purché non si tratti di zinco (altrimenti sarebbero ottoni).

Alpacche. Denominate spesso in altri modi (argentina, argentone, packfong, nickel silver), sono leghe di rame (55-65% di Cu) contenenti 8-18% di nichel e 17-27% di zinco, con limitati tenori di ferro e di piombo; per la loro composizione possono essere definite ottoni ad alto tenore di nichel; le alpacche sono impiegate per oggetti artistici e ornamentali (il colore è simile all'argento, con sfumatura di giallo), per strumenti scientifici e musicali, per componenti di macchine fotografiche, per targhe; spesso gli oggetti di alpacca, specie la posateria e il vasellame, vengono sottoposti ad argentatura galvanica.

Leghe per impieghi specifici:

a) Costantana : sotto questo nome è compreso un gruppo di leghe a base di Cu-Ni, con tenori di Cu varianti tra il 50 e il 65%, contenenti inoltre piccole quantità di ferro, cobalto e manganese; la lega comunemente usata ha il 42-43% di Ni. La costantana è facilmente laminabile e trafilabile, ha una buona resistenza meccanica e alla corrosione.

b) Manganino: sono leghe a base di Cu-Mn (tra cui anche il Telcuman), contenenti generalmente anche nichel, la cui composizione è 67-87% di Cu, 10-27% di Mn e 0-20% di Ni.

c) Incramute: oltre al rame, ha il 39,7% di manganese e il 2,25% di alluminio; ha proprietà di smorzamento paragonabili a quelle di molte materie plastiche e nettamente superiori a quelle della ghisa grigia.

d) Mallory: nome commerciale di un gruppo di leghe di Cu contenenti manganese o alluminio oppure entrambi; hanno elevate caratteristiche meccaniche e si possono ritenere dei bronzi privi di stagno.

Utilizzo

Data la sua ottima conducibilità elettrica, il rame è largamente utilizzato in elettrotecnica per fili e cavi di ogni tipo in alternatori, dinamo, motori, trasformatori e altre apparecchiature.

Data la sua elevata conducibilità termica e resistenza alla corrosione, come tale o in leghe soprattutto con zinco, nichel e stagno, questo metallo è largamente utilizzato in campo sia civile sia industriale per scambiatori di calore, radiatori, collettori solari.

Oltre il 50% del rame prodotto viene assorbito nella fabbricazione di leghe.

Nella scala dei consumi mondiali di prodotti metallurgici il Cu e le sue leghe sono al terzo posto, dopo gli acciai e le leghe di alluminio.

I principali consumi delle leghe di rame si hanno nell'edilizia (tubazioni, elementi architettonici), in conduttori elettrici e nelle linee di trasporto dell'energia, nei macchinari e negli impianti industriali, nei mezzi di trasporto e ancora in prodotti di consumo di varia destinazione, inclusi quelli artistici.

Produzione

La produzione del rame prevede varie fasi di lavorazione e un notevole dispendio di energia che aumenta continuamente perché sempre più poveri risultano i minerali disponibili.

I processi estrattivi variano secondo la natura del minerale trattato e si possono ricondurre a tre tipi fondamentali:

a) i minerali contenenti Cu nativo vengono arricchiti, previa macinazione, mediante cernita meccanica e successiva flottazione, fino a giungere a un tenore del 25-35% del metallo. Il materiale viene poi riscaldato fino a fusione del metallo, che si separa così dalla ganga.

b) i minerali solforati, arricchiti per flottazione, vengono sottoposti ad arrostimento in presenza di silice e carbone (con cui si elimina una parte dello zolfo come S02) e successivamente a fusione; il ferro, in parte ossidato, si combina con la silice formando una scoria che galleggia e si stratifica sopra la cosiddetta "metallina", miscela di solfuri di ferro e rame.

La metallina viene rifusa e introdotta in convertitori tipo Bessemer, nei quali viene insufflata aria fino alla quasi totale eliminazione dello zolfo: il solfuro di ferro si trasforma in ossido che viene a sua volta scorificato in forma di silicato; in questa operazione il solfuro di rame viene trasformato in rame e in ossidi di Cu (II) e di Cu (III).

Questo miscuglio di rame e dei suoi ossidi viene infine sottoposto a reazione di riduzione per trasformare gli ossidi di rame in Cu metallico. Il rame grezzo così ottenuto viene colato in lingottiere, le scorie ferrose riciclate.

c) i minerali ossigenati possono essere direttamente sottoposti a riduzione mediante carbone coke con procedimenti analoghi a quelli usati per i minerali di ferro.

In particolare, se si tratta di minerali poveri (meno dell'1% di rame) si ricorre alla lisciviazione con acido solforico diluito; gli ossidi vengono trasformati in solfato di rame e dalla soluzione si ottiene il metallo per via elettrolitica o per cementazione.

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