Proprieta' e Applicazioni del Rame

Messaggio da **Aldebaran** » 05/11/2010, 13:49

Rame (lat. tardo aeramen, da aes, aeris). Metallo di color rosso caratteristico, di media durezza, molto malleabile e duttile. � Oggetto di rame (come utensile di cucina, usato soprattutto al pl.): D Fuma il comignol del villan, che giallo / mesce frumento nel fervente rame (Carducci). I rami splendono alla parete di cucina. � Incisione in rame: Rami colorati a mano.

— Metall. Rame bianco, lega formata da rame, zinco e arsenico. � Rame nero, rame non raffinato. � Rame rosetta, rame puro allo stato nativo.

— Miner. Rame grigio, termine col quale si indica talvolta sia la tetraedrite sia la tennantite. � Rame paonazzo, sin. di bornite.

— Petr. Indice di rame, indice numerico che esprime la stabilità di una benzina all'ossidazione. (Durante la prova si pone in contatto la benzina con una lastrina di rame che funge da catalizzatore della reazione di ossidazione. Così si verifica la bontà degli antiossidanti usati come additivi nella benzina.)

— Preist. Età del rame, quel periodo in cui, accanto agli utensili e alle armi di pietra, ap arvero quelli di metallo, dapprima di rame nativo e poi di rame ottenuto dai minerali per fusione. (Sin. calcolitico, cuprolitico, eneolitico.)

u Chimica

v Chimica e Mineralogia

Il rame è l'elemento chimico di numero atomico 29, peso atomico 63,546, simbolo Cu, appartenente al 1Ί gruppo B del sistema periodico; cristallizza nel sistema cubico; la sua densità è 8,96, il suo punto di fusione 1.083 ΊC. Fra i metalli di uso industriale è il miglior conduttore dell'elettricità. Per martellatura è possibile ridurlo in sottilissimi fogli di trasparenza verde. La corrosione del rame per effetto dell'aria rimane superficiale, in quanto si riveste di uno straterello protettivo di carbonato basico, detto verderame. Può ossidarsi a freddo solo in presenza di acidi; l'aceto e gli acidi degli alimenti possono così dar luogo a sali tossici, perciò gli utensili da cucina in rame vengono di solito stagnati. Anche l'ammoniaca ossida il rame all'aria dando luogo a un composto complesso contenente ammoniaca chiamato “liquido di Schweitzer”, solvente della cellulosa. Il rame si ossida all'aria, al calor rosso; brucia nel cloro e nel vapore di zolfo. Viene attaccato dall'acido solforico concentrato, e si scioglie facilmente nell'acido nitrico anche diluito.

² Composti del rame

Se ne hanno due serie: i composti rameosi, nei quali il rame ha numero di ossidazione 1, e i composti rameici, nei quali ha numero di ossidazione 2. Dei sali ossigenati, solo quelli rameici sono stabili.

L'ossido di dirame o rameoso Cu2O, che si trova in natura in ottaedri rossi (cuprite), si ottiene per riduzione dell'acetato rameico o del liquido di Fehling tramite glucosio. E' impiegato per colorare il vetro in color rosso rubino.

L'ossido di rame o rameico CuO, nero, risulta dall'arrostimento del rame o dalla calcinazione del nitrato. Versando una soluzione alcalina in un sale rameico si ottiene il corrispondente idrossido Cu(OH)2, precipitato azzurro, solubile nell'ammoniaca con formazione di un complesso. L'ossido rameico è impiegato per colorare il vetro in verde.

Il cloruro di rame (I) o rameoso CuCl viene preparato per azione dell'acido cloridrico bollente sul rame in presenza di tracce di acido nitrico. E' una polvere bianca cristallina, insolubile in acqua, ma solubile nell'acido cloridrico e nell'ammoniaca. Le sue soluzioni assorbono l'ossido di carbonio.

Il cloruro di rame (II) o rameico CuCl2, giallo allo stato anidro, cristallizza idrato in aghi verdi. Viene preparato sciogliendo l'ossido rameico nell'acido cloridrico.

Il solfuro di rame (I) Cu2S, che esiste in natura (calcocite), viene preparato anche per sintesi. Il solfuro di rame (II) CuS, nero, è ottenuto per azione dell'idrogeno solforato sopra un sale rameico.

Il solfato di rame CuSO4·5H2O è il più importante fra i sali del rame. Viene preparato per arrostimento di trucioli di rame che vengono ossidati; si scioglie poi l'ossido formatosi nell'acido solforico. Si presenta in bei cristalli triclini azzurri, che, se vengono riscaldati, perdono l'acqua di idratazione trasformandosi in polvere bianca. Le applicazioni del solfato di rame sono numerose. Col solfato ferrico serve per tingere in nero o viola la lana e la seta; viene impiegato in grandi quantità in elettrometallurgia e in galvanoplastica. Serve inoltre per preparare miscele anticrittogamiche, come la poltiglia bordolese.

Il nitrato Cu(NO3)2, solido cristallino azzurro, risulta dall'azione dell'acido nitrico sul rame.

Fra i sali ossigenati hanno qualche importanza i due carbonati basici, uno verde, la malachite, l'altro azzurro, l'azzurrite, e l'arsenito acido o verde di Scheele.

² Caratteristiche dei sali di rame

Le soluzioni dei sali rameosi sono incolori, ma diventano azzurre per ossidazione al contatto dell'aria. Con gli alcali danno luogo a un precipitato giallo arancio.

I sali rameici sono azzurri o verdi in soluzione; gli alcali danno luogo a un precipitato azzurro, solubile nell'ammoniaca con colorazione azzurro cupo; l'idrogeno solforato origina un precipitato nero; il ferrocianuro di potassio un precipitato rosso cupo.

² Minerali di rame

Il rame si può trovare allo stato nativo anche in giacimenti sfruttabili economicamente, i più importanti dei quali sono in America, nella zona del Lago Superiore, e in Bolivia, a Corocoro.

I minerali di rame sfruttati per l'estrazione del metallo si possono dividere in due tipi: solforati e ossidati.

I minerali solforati sono i più diffusi e comprendono i solfuri: calcopirite, che è il principale, bornite, calcosina e covellite, e i solfosali tetraedrite, tennantite ed enargite. Sono estratti soprattutto negli Stati Uniti, nelle repubbliche dell'ex URSS, nel Giappone, in Canada e, in quantità più ridotte, in Germania e in Spagna. In Italia si trovano in giacimenti coltivabili, ma non ricchi, in Liguria, Toscana e Sardegna. I minerali ossidati sono i meno diffusi e comprendono gli ossidi cuprite e tenorite, il silicato idrato crisocolla e il cloruro basico atacamite. I carbonati basici, malachite e azzurrite, vengono sfruttati non per estrarne il metallo ma come pietre ornamentali. Giacimenti importanti di minerali ossidati si trovano negli Stati Uniti, nel Messico, in Cile, in Perù, negli Urali, in Rhodesia, nel Katanga, in Giappone.

v Metallurgia

I trattamenti di arricchimento e di estrazione differiscono in base alla composizione dei minerali e al contenuto in rame di questi.

1. Trattamento dei minerali solforati. Il metodo consiste nella separazione del ferro dal rame per via secca, sfruttando la grande affinità del rame per lo zolfo e la grande affinità del ferro per l'ossigeno. Il minerale, arricchito per flottazione, subisce prima un parziale arrostimento ossidante, che trasforma una parte del solfuro di ferro in ossido, poi una fusione scorificante al forno a riverbero in presenza di silice, che permette di eliminare una parte del ferro sotto forma di scoria silicea. Rimane a questo punto una matta bronzea ricca di rame (40% circa) che viene sottoposta a conversione, con la quale è possibile separare completamente il solfuro di ferro dalla matta stessa per ottenere il rame grezzo. Quest'ultima operazione avviene in due fasi: nella prima la corrente d'aria ossida il ferro residuo che scorifica in presenza di silice ed è separato dalla matta bianca all'80% di rame secondo la reazione

Cu2S, nFeS+3/2 nO2+nSiO2D

DCu2S+nFeSiO3+nSO2.

Nella seconda fase l'ossidazione della matta prosegue con formazione di ossido e di solfuro di rame; a questo punto i due composti interreagiscono con liberazione di biossido di zolfo e formazione di rame grezzo:

3 Cu2S+3 O2DCu2S+2 Cu2O+2 SO2

Cu2S+2Cu2OD6 Cu+SO2.

I convertitori sono a rivestimento basico di ossido di ferro Fe3O4 resistente all'usura. La silice destinata a scorificare il ferro è aggiunta al bagno sotto forma di minerali silicei. Un trattamento dei minerali solforati poveri, con meno del 3% di rame, segue il metodo per via umida (lisciviazione), in cui si precipita il rame con ferro da una soluzione di cloruro o di solfato di rame.

2. Trattamento dei minerali ossidati. Il metodo per via secca si pratica in forni a tino raffreddati a camicia d'acqua, per riduzione del minerale fuso in presenza di carbone; l'addizione di un fondente (silice o calce) permette di eliminare la ganga del minerale sotto forma di scoria. Esiste anche un metodo per via umida analogo a quello impiegato per i minerali solforati, ma è poco usato.

L'affinazione del rame grezzo (chiamato anche rame blister o rame nero a causa delle bolle che si formano allorquando al termine della conversione si libera anidride solforosa) ha il duplice vantaggio di permettere l'ottenimento di rame puro e il ricupero di impurezze di grande interesse: oro, argento, bismuto, ecc., presenti in piccole quantità (1-2% al massimo). I metodi più usati sono: a) l'affinazione per via secca al forno a riverbero, realizzata ossidando la maggior parte delle impurezze. Permette di ottenere un rame puro al 99,5%: gli elementi volatili (zinco, arsenico, antimonio) vengono eliminati per primi; quindi le altre impurezze (ferro, stagno, bismuto, piombo) scorificano con la silice (rivestimento della suola del forno). Nel corso dell'operazione una parte del rame viene ossidata, per cui si rende necessaria una riduzione finale mediante immersione nel bagno fuso di un tronco di pino; b) l'affinazione elettrolitica permette di ottenere un rame di purezza superiore al 99,95%. Il rame grezzo, colato in anodi a forma di piastre, viene sottoposto a elettrolisi in una soluzione di solfato di rame acido (processo ad anodi solubili). ll rame puro si deposita su catodi che sono successivamente rifusi in lingotti, mentre il fango che si forma al fondo dei bagni è raccolto e trattato per il ricupero dei metalli preziosi (argento e oro).

v Produzione

La produzione mondiale di minerali di rame nella seconda metà degli anni Novanta è stata di 10.138.000 t circa. Il maggior produttore mondiale era il Cile con 3,14 milioni di t, seguito dagli Stati Uniti (1,92). Altri grandi produttori sono il Canada (688.000 t), l'Indonesia (554.000 t), l’Australia e il Perù (484.000), la Polonia (473.000 t), la Cina (436.000 t). La produzione di metallo raffinato è stata di 21 milioni di t.

v Leghe

Numerosi elementi sono solubili nel rame liquido o solido, e tale caratteristica ha permesso da lungo tempo l'elaborazione di leghe dalle più svariate proprietà. L'addizione al rame di altri elementi riduce la conducibilità elettrica e quella termica di alcune leghe, in compenso consente di ottenere migliori caratteristiche meccaniche, maggiore colabilità in getti dato il minore punto di fusione, e maggiore resistenza alla corrosione.

Le principali leghe di rame di uso industriale sono i bronzi comuni e speciali, gli ottoni comuni e speciali, le cuproleghe (cuproberillio, cuprocromo, cuprofosforo, cupromagnesio, cupromanganese, cupronichel, cupropiombo, cuprosilicio, cuprotitanio, cuprovanadio), le argentane.

Le leghe di rame sono utilizzabili sotto forme svariatissime, il che ne facilita l'impiego come getti di fonderia (finiti o grezzi), o come prodotti lavorati a caldo o a freddo per fucinatura, laminazione, trafilatura, estrusione, imbutitura, ecc. (lamiere, piastre, tubi, barre, fili) o infine come pezzi finiti, ottenuti con i procedimenti della metallurgia delle polveri.

Varie leghe a base di rame sono impiegate per le loro qualità particolari: attitudine alla fusione, sfruttata sin dai tempi più antichi (età del bronzo), sulla quale è basata la moderna fonderia dei bronzi d'arte, dei bronzi e degli ottoni per particolari di forma complessa (valvole, rubinetti, corpi di pompe); malleabilità e duttilità del materiale ricotto: sfruttata per lamiere, fogli di ottone, pezzi imbutiti (cartucce, capsule), fili di ottone per tele metalliche, chiodi, spilli; elasticità, che permise la fabbricazione di armi (pugnali, scudi, frecce, cannoni, ecc.) e di utensili (asce, martelli, bulini) sin dai tempi più antichi (caratteristiche molto elevate vengono ottenute con gli ottoni, i bronzi, il cuproalluminio, il cupronichel speciale [pompe, agitatori, eliche, ecc.]); buona conducibilità elettrica, legata a un'alta resistenza meccanica (cuprocromo [elettrodi per saldatura, particolari per contattori], e cuproberillio [lamelle, contatti, prese di corrente]); coefficiente di attrito ridotto, principalmente dei bronzi (comuni, fosforosi, autolubrificanti, per anelli, cuscinetti, di motori elettrici o endotermici, pattini di scorrimento, guide di scorrimento) e del cupropiombo (cuscinetti per motori endotermici); alta conducibilità termica degli ottoni, del cupronichel e cuproberillio (apparecchi di distillazione, tubi di condensatori, casseforti di sicurezza); resistenza alla corrosione atmosferica (bronzi, ottoni, argentane), o salina (bronzi, ottoni, cupronichel speciale, per pezzi di costruzioni navali, eliche, pompe, valvole, particolari per l'industria chimica e alimentare), o dei gas di combustione (resistenza all'ossidazione ad alta temperatura) [cuproalluminio per sedi di valvole e valvole]; facile lavorabilità alla macchina utensile di taluni bronzi e ottoni; proprietà diverse: colore simile a quello dell'oro (oreficeria, coniazione di monete, oggetti ornamentali), levigatezza (specchi di bronzo), sonorità (campane, corde per strumenti musicali, piatti), amagneticità (orologeria), ecc.

E' possibile effettuare alcuni trattamenti termici su talune leghe del rame, oltre alla normale ricottura, per annullare l'incrudimento e le tensioni interne conseguenti a tutte le deformazioni a freddo. I bronzi, gli ottoni, il cuproalluminio possono essere sottoposti a bonifica (tempra e rinvenimento); sul cuprocromo, cupronichel, cuproberillio, è possibile effettuare un trattamento che migliora le proprietà strutturali. Tali trattamenti termici permettono di ottenere per una stessa lega le migliori caratteristiche di resistenza e insieme di deformabilità.

v Usi

Le principali proprietà del rame puro, alle quali si devono i suoi impieghi industriali, sono:

1. la più elevata conducibilità elettrica fra i metalli industriali (pari al 95% della conducibilità dell'argento, il metallo più conduttore). Pertanto viene utilizzato per cavi e fili conduttori, apparecchiature elettriche (parti di motori, interruttori, contattori, ecc.); 2. un'eccellente conducibilità termica. Ottimo quindi per la costruzione di caldaie, alambicchi, scambiatori di calore, ecc.; 3. una sufficiente resistenza alla corrosione atmosferica. Si utilizza per tubazioni, rivestimenti di edifici (la formazione di verderame protegge da ulteriori ossidazioni). Allo scopo di migliorarne talune caratteristiche (resistenza alla trazione e alla fatica, durezza, lavorabilità alle macchine utensili, aumento della temperatura di ricristallizzazione con conseguente possibilità di meglio conservare l'incrudimento, migliore resistenza alla corrosione) viene addizionato di taluni elementi, in piccole quantità: 0,5% di arsenico, o 0,1 % di argento, oppure 0,8% di cadmio, o infine 0,5% di tellurio, selenio o zolfo.

I vari tipi di rame impiegato industrialmente sono i seguenti: rame comune, per tutte le normali applicazioni che non richiedano una alta conducibilità; rame disossidato, generalmente al fosforo, per le applicazioni che richiedano una saldatura o una brasatura (la presenza del fosforo dà al rame buone qualità di disossidazione, ma ne riduce la conducibilità); rame elettrolito, impiegato per la sua conducibilità e per la sua purezza (elaborazione di leghe ad alta purezza); rame affinato alla fiamma (trattamento del rame impuro al forno a riverbero), di impiego corrente nelle costruzioni meccaniche ed elettriche per la sua buona conducibilità; rame OFHC (oxygen free high conductivity), di origine americana, particolarmente esente da ossigeno e perciò apprezzato per le applicazioni che richiedano altissima conduttività, malleabilità e saldabilità col vetro (elettronica, valvole radio, ecc.).

u Arte

Metallo estremamente duttile, a bassa temperatura di fusione, rinvenibile in natura anche allo stato puro, il rame fu il primo metallo utilizzato in epoca preistorica. Attualmente ha un uso limitato, salvo che per l'incisione. Viene lavorato in lamine, indurite a caldo con successive cotture: la tecnica è quella del martellamento, a sbalzo. Più rara è la fabbricazione di oggetti fusi, dato che è preferito il bronzo (lega di rame e stagno): questa tecnica fu però usata in antico, sia per le monete (aes rude, romano, di età repubblicana) sia per oggetti anche di grandi dimensioni (statua del faraone Pepi I). Gli oggetti così ottenuti vengono generalmente dorati, con ottimi effetti in quanto il colore rosso del rame funge perfettamente da fondo per l'oro; un caso particolare è costituito dai cosiddetti Sheffield plates (Inghilterra, XVIII sec.) ottenuti con una lamina di rame fusa in mezzo a due strati di argento: si ha l'impressione e il peso dell'argento massiccio. Antico è anche l'uso del rame in oggetti ageminati, in cui la lamina viene incisa in solchi entro i quali sono inserite strisce di altro metallo, negli smalti, e nei nielli (lamine incise in solchi sottili, poi riempiti di un impasto nero). Più recente, ma attualmente molto diffuso, l'uso di rame per l'incisione.