Rame: leghe, ottenimento, proprietà, composti

Il rame è stato probabilmente il primo metallo utilizzato dall’uomo e l’ascia dell’uomo di Similaun vissuto nel 3200 a.C. era di questo metallo.

Gli uomini dell’epoca capirono che esso era molto morbido per essere utilizzato nei modi più svariati e che poteva assumere caratteristiche migliori se unito ad altri metalli.

La storia del metallo e delle sue leghe più note, ovvero il bronzo e l’ottone, rappresenta la storia dell’umanità e degli sforzi compiuti dall’uomo emerso dall’età della pietra.

Leghe del rame

Il bronzo che è la prima lega creata dall’uomo ottenuto unendo  lo stagno in misura variabile  fino al 25%. Fu usato per costruire armi, corazze e strumenti da lavoro era noto per la sua resistenza.

Orazio in una delle sue più celebri odi scrive: “exegi monumentum aere perennius” (ho innalzato un monumento più duraturo del bronzo).

L’ottone contiene una percentuale di zinco tra il 5 e il 45%. Fu creato circa 2500 anni fa e usato dai Romani che ottenevano il metallo dalle miniere dell’isola di Cipro da cui trasse il nome tale metallo per coniare monete, oggetti ornamentali e stoviglie.

La prima pila capace di produrre una corrente elettrica costante creata da Alessandro Volta era formata da dischi di zinco e di rame. Essi erano posti uno sopra l’altro, uniti con uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto in acqua salata o acidulata.

Nel corso della Prima Rivoluzione Industriale si assisté a un radicale cambiamento nel campo dei trasporti. Questo  stimolò lo sviluppo delle industrie di produzione di beni strumentali tra cui i cavi di questo metallo.

Nei tempi moderni questo metallo, grazie alla sua malleabilità e alla elevata capacità di condurre la corrente elettrica, è utilizzato in importanti aree di consumo nell’ambito delle costruzioni, nel settore automobilistico  e in campo industriale.

Ottenimento

Il metallo è ottenuto dai minerali:

• cuprite in cui esso è generalmente presente sotto forma di ossido rameoso Cu₂O
• tenorite in cui si trova  sotto forma di ossido rameico CuO
• malachite in cui è presente come idrossido carbonato rameico Cu₂(CO₃)(OH)₂
• calcocite dove si trova sotto forma di solfuro rameoso Cu₂S
• covellite dove si trova sotto forma di solfuro rameico CuS
• bornite dove si trova, insieme al ferro, sotto forma di solfuro Cu₅FeS₄.

Proprietà

Insieme all’argento e all’oro, fa parte del gruppo 11 o IB ed ha configurazione elettronica [Ar] 3d¹⁰,4s¹ ed ha come numeri di ossidazione più comuni +1 e +2.

Quando ha numero di ossidazione +3 viene trovato in alcuni ossidi e trova impiego nei superconduttori quali l’ossido di ittrio, bario e rame YBCO in cui esso si trova con numero di ossidazione +2 e +3.

Reagisce con l’ossigeno atmosferico per formare uno strato di ossido  che, a differenza della ruggine che si forma sul ferro, protegge il metallo sottostante da ulteriori corrosioni secondo il ben noto fenomeno della passivazione.

Per comprendere il comportamento del metallo e dei suoi ioni bisogna tenere presente i potenziali normali di riduzione:

Cu²⁺ + 1 e^– → Cu⁺   E° = 0.15 V
Cu⁺ + 1 e^– → Cu   E° = 0.52 V
Cu²⁺ + 2 e^– → Cu   E° = 0.34 V

Ciò implica che qualsiasi ossidante abbastanza forte per convertire Cu a Cu⁺ è in grado di convertire Cu⁺ a Cu²⁺ e quindi i composti di Cu²⁺, che sono spesso colorati, sono più stabili rispetto a quelli di Cu⁺ in soluzione acquosa.

Inoltre Cu⁺ può dare una reazione di disproporzione:

2 Cu⁺→ Cu²⁺ + Cu per la quale E° = – 0.15 + 0.52 = 0.37 V

A causa del potenziale correlato alla semireazione Cu → Cu²⁺ + 2 e^–  che è pari a – 0.34 V il metallo è inerte agli acidi non ossidanti come l’acido cloridrico mentre si scioglie in acidi ossidanti tra cui l’acido nitrico.

Composti

Sia come Cu⁺ che come Cu²⁺ forma numerosi composti ed in particolare ossidi, solfuri e alogenuri.

Ossidi

L’ossido di rame (II) ha carattere basico infatti si scioglie a contatto con gli acidi con formazione di sali di rame (II):

CuO_(s) + H₂SO_4(aq)→ CuSO_4(aq) + H₂O_(l)

CuO_(s) + 2 HCl _(aq)→ CuCl_2(aq) + H₂O_(l)

CuO_(s) +2 HNO_3(aq)→ Cu(NO₃)_2(aq) + H₂O_(l)

L’aggiunta di idrogenocarbonato di sodio a una soluzione contenente ioni Cu²⁺ dà luogo alla formazione di un precipitato azzurro di carbonato di rame (II):

Cu²⁺_(aq) + 2 HCO₃^–_(aq) → CuCO_3(s) + H₂O_(l)+ CO_2(g)

Ioduri

L’aggiunta di uno ioduro a una soluzione contenente ioni Cu²⁺ dà luogo alla formazione di un precipitato di ioduro di rame (II):

Cu²⁺_(aq) + 4 I^–_(aq) → 2 CuI_(s) + I_2(aq)

Tale reazione può essere utilizzata nelle titolazioni iodometriche per la determinazione del rame presente in un campione: lo iodio sviluppato dalla reazione viene infatti titolato con tiosolfato di sodio usando come indicatore la salda d’amido.

L’ossido di rame (I) si solubilizza in presenza di acido solforico dando un precipitato di rame metallico e una soluzione di solfato di rame (II) secondo la reazione di disproporzione:

Cu₂O_(s) + H₂SO_4(aq)→ Cu_(s) + CuSO_4(aq) + H₂O_(l)

Complessi

Forma molti complessi tra cui il tetrammino rame (II) [Cu(NH₃)₄²⁺] di colore blu intenso, il tetracianocuprato (II) [Cu(CN)₄^2-], l’esaacquo rame(II) [Cu(H₂O )₆²⁺] di colore azzurro, il tetraacquo rame(II) [Cu(H₂O )₄²⁺]

Quando ad una soluzione contenente lo ione esaacquorame (II) è aggiunto idrossido di sodio si ha la precipitazione di un idrossido blu gelatinoso:

[Cu(H₂O )₆²⁺]_(aq) + 2 OH^–_(aq) → [Cu(H₂O )₄ (OH)₂]_(s) + 2 H₂O_(l)

Se alla soluzione contenente lo ione esaacquorame (II) è aggiunta ammoniaca, quest’ultima agisce sia da legante che da base. Quando è aggiunta una piccola quantità di ammoniaca si forma un complesso neutro secondo la reazione:

[Cu(H₂O )₆²⁺]_(aq) + 2 NH_3(aq) → [Cu(H₂O )₄ (OH)₂]_(s) + 2 NH₄⁺_(aq)

Tale precipitato si scioglie se è aggiunto un eccesso di ammoniaca per la formazione del tetraammino complesso:

[Cu(H₂O )₆²⁺]_(aq) + 4 NH_3(aq) → [Cu(NH₃)₄(H₂O )₂]²⁺_(aq) + H₂O_(l)

Anche il rame (I) dà luogo alla formazione di complessi: ad esempio dalla reazione tra il cloruro di rame (I) e acido cloridrico si forma lo ione complesso diclorocuprato (I) secondo la reazione:

CuCl_(s) + Cl^–_(aq)→ [Cu(Cl)₂]^–_(aq)

Dalla reazione tra il cloruro di rame (I) con il cianuro di sodio si forma lo ione complesso tetracianocuprato (I):
CuCl_(s) + 4 CN^–_(aq) → [Cu(CN)₄]^3-_(aq) + Cl^–_(aq)