Cobre Metálico

  

 O cobre é um metal de transição maleável, dúctil, (do latim cuprum) e com resistência à corrosão, elemento de cor alaranjada, pode ser encontrado de forma nativa. Aplicável na construção civil, na fabricação de objetos e ferramentas, e em tubos e fios condutores de energia.

O cobre é um material versátil pelas suas propriedades metálicas e, principalmente, pela facilidade de moldagem. Suspeita-se ter sido o primeiro metal manipulado pelo ser humano. Marcou o fim da Idade da Pedra Polida com a substituição das ferramentas de pedra por ferramentas de cobre e ligas de cobre, esse período histórico ficou conhecido como Idade do Bronze.

Propriedades do cobre

• Símbolo: Cu

• Massa atômica: 63,546 u

• Número atômico: 29

• Ponto de fusão: 1357,77 K

• Ponto de ebulição: 2835 K

• Eletronegatividade: 1,9 (Pauling)

• Configuração eletrônica: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰

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  Densidade, dureza 8920 kg/m3, 3,0

• ^{Propriedade atómicas}

• ^{Massa atómica 63,546 u}

• ^{Raio atómico (calculado) 128 pm}

• ^{Raio covalente 132±4 pm}

• ^{Raio de Van der Waals 140 pm}

• ^{Configuração electrónica [Ar] 3d10 4s1}

• ^{Elétrons (por nível de energia) 2, 8, 18, 1 (ver imagem)}

• ^{Estado(s) de oxidação +1, +2, +3, +4 (óxido básico)}

• ^{Estrutura cristalina cúbico de faces centradas}

• ^{Propriedades físicas}

• ^{Estado da matéria sólido}

• ^{Ponto de fusão 1357,77 K}

• ^{Ponto de ebulição 2835 K}

• ^{Entalpia de fusão 13,26 kJ/mol}

• ^{Entalpia de vaporização 300,4 kJ/mol}

• ^{Volume molar 7,11×10−6 m3/mol}

• ^{Pressão de vapor 1 Pa a 1509 K}

• ^{Velocidade do som 3570 m/s a 20 °C}

• ^{Classe magnética Diamagnético}

• ^{Susceptibilidade magnética -9,7x10-6}

• ^Diversos

• ^{Eletronegatividade (Pauling) 1,9}

• ^{Condutividade térmica 401 W/(m·K)}

• ^{1º Potencial de ionização 745,5 kJ/mol}

• ^{2º Potencial de ionização 1957,9 kJ/mol}

• ^{3º Potencial de ionização 3555 kJ/mol}

• ^{4º Potencial de ionização 5536 kJ/mol}

  Características do cobre

  O cobre é um metal, encontra-se no estado sólido em condições normais de temperatura e pressão, possui brilho metálico e coloração avermelhada ou de cor castanha, isso devido a impurezas e óxidos. É um metal dúctil e maleável, reciclável, e que oxida quando em contato com água e/ou oxigênio. No entanto, é resistente à corrosão e a altas temperaturas, é também um bom condutor de eletricidade e calor.

• Aplicações na biologia

  • O cobre pode ser comercializado como suplemento nutricional devido a sua importante influência no bom funcionamento do organismo humano. O cobre participa da formação de células sanguíneas, enzimas antioxidantes, e hormônios; contribui com a síntese de neurotransmissores; e harmoniza a quantidade de ferro no organismo, além de influenciar na absorção de vitamina C.

  • Límulos, ou caranguejo-ferradura, é uma espécie que tem, na composição do seu sangue, o cobre participando do transporte de oxigênio no lugar do ferro. O cobre agrega ao sangue do animal coloração azulada, com propriedades bactericidas e antiendotoxinas (endotoxina é uma toxina produzida por uma membrana da bactéria), esse sangue azul chega a ser comercializado por 15 mil dólares o litro.

  

  Caranguejo-ferradura, conhecido por seu sangue rico em cobre e com propriedades medicinais.

  História do cobre

  O uso do cobre para confecção de objetos e ferramentas acontece desde 8 mil a.C. Isso se deve a sua obtenção de forma nativa, a sua fácil manipulação e a propriedades metálicas, como condutividade e resistência.

  Estima-se que o cobre tenha sido descoberto em 9 mil a.C., no Oriente Médio. Alguns registros do seu uso na Antiguidade podem ser encontrados na Bíblia, na qual o metal é citado na construção de templos (Êxodo e Crônicas), por exemplo. Com o passar dos anos, disseminaram-se técnicas de fusão e refino do cobre.

  A China, que, atualmente, tem domínio das técnicas de metalurgia, também fez uso do cobre na Antiguidade. Em 1200 a.C., já se produzia no país o bronze (uma liga metálica contendo cobre) de alta qualidade. O bronze teve tamanha importância e aplicação nas relações sociais e econômicas que marcou o fim do Período Neolítico ou Idade da Pedra Polida, tal período de transição ficou conhecido como Idade do Bronze.

  O uso do cobre foi propagado pelos romanos, que o levaram como recurso aos territórios conquistados. O gerador de Faraday (dínamo), invenção confeccionada com cobre, que converte energia magnética em energia elétrica, foi criado em 1831, a partir de então, o desenvolvimento no setor tecnológico e eletrônico foi alavancado, e o uso desse elemento tornou-se indispensável.

  Obtenção do cobre

  O cobre é refinado com base em minerais como:

  • calcopirite (CuFeS₂)

  • cuprita (Cu₂O)

  • calcocita (Cu₂S)

  • enargita (Cu₃As₅S₄)

  • covelita (CuS)

  • bornita (Cu₅FeS₄)

  • tetraedrita ((Cu, Fe) 12Sb₄S₁₃)

  Esses minerais são obtidos de reservas do Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia e Zâmbia (minas economicamente mais importantes). O processo de extração e beneficiamento do cobre dá-se em cinco passos:

  • Fragmentação

  • Moagem (reduz-se a granulometria do mineral.)

  • Classificação (de acordo com o tamanho do granulo)

  • Concentração: o processo químico de separação do cobre dos demais elementos do mineral dá-se nestas etapas:

  - Flotação: separa a parte concentrada (teor médio de cobre 30%);
  - Ustulação: aquecimento do sulfeto para obtenção do matte (teor de cobre 60%);
  - Conversão do matte em blister: essa conversão é a oxidação do matte em altas temperaturas, obtendo-se o blister (teor de cobre: 98,5% a 99,5%).

• Refino e eletrólise: após refino do blister e sua eletrólise, obtém-se o cobre puro com teor de 99,9%.

• Estimativas iniciais da descoberta do cobre sugerem por volta de 9000 a.C. no Oriente Médio. Foi o mais importante dos materiais da humanidade durante a Era do Cobre e Bronze. Objetos de cobre de 6000 a.C. foram encontrados em Çatal Höyük, Anatolia.^[2] Em 5000 a.C. já se realizava a fusão e refinação do cobre a partir de óxidos como a malaquita e azurita. Os primeiros indícios de utilização do ouro não foram vislumbrados até 4000 a.C. Descobriram-se moedas, armas, utensílios domésticos sumérios de cobre e bronze de 3000 a.C., assim como egípcios da mesma época, inclusive tubos de cobre. Os egípcios também descobriram que a adição de pequenas quantidades de estanho facilitava a fusão do metal e aperfeiçoaram os métodos de obtenção do bronze; ao observarem a durabilidade do material representaram o cobre com o Ankh, símbolo da vida eterna.

• Na antiga China o uso do cobre é conhecido desde, pelo menos, 2000 anos antes da nossa era, e em 1200 a.C. já fabricavam-se bronzes de excelente qualidade estabelecendo um manifesto domínio na metalurgia sem comparação com a do Ocidente. Na Europa o homem de gelo encontrado no Tirol (Itália) em 1991, cujos restos têm uma idade de 5300 anos, estava acompanhado de um machado de cobre com uma pureza de 99,7%, e os elevados índices de arsênico encontrados em seu cabelo levam a supor que fundiu o metal para a fabricação da ferramenta.

  O cobre é um metal de transição avermelhado, que apresenta alta condutibilidade elétrica e térmica, só superada pela da prata. É possível que o cobre tenha sido o metal mais antigo a ser utilizado, pois se têm encontrado objetos de cobre de 8700 a.C. Pode ser encontrado em diversos minerais e pode ser encontrado nativo, na forma metálica, em alguns lugares. Fenícios importaram o cobre da Grécia, não tardando em explorar as minas do seu território, como atestam os nomes das cidades Calce, Calcis e Calcitis (de χαλκος, bronze), ainda que tenha sido Chipre, a meio caminho entre Grécia e Egito, por muito tempo o país do cobre por excelência, ao ponto de os romanos chamarem o metal de aes cyprium ou simplesmente cyprium e cuprum, donde provém o seu nome. Além disso, o cobre foi representado com o mesmo signo que Vênus (a afrodite grega), pois Chipre estava consagrada a deusa da beleza e os espelhos eram fabricados com este metal. O símbolo, espelho de Vênus da mitologia e da alquimia, modificação do egípcio Ankh, foi posteriormente adotado por Carl Linné para simbolizar o gênero feminino(♀).

  O uso do bronze predominou de tal maneira durante um período da história da humanidade que terminou denominando-se «Era do Bronze». O período de transição entre o neolítico (final da Idade da Pedra) e a Idade do Bronze foi denominado período calcolítico (do grego Chalcos), limite que marca a passagem da pré-história para a história.

• Na natureza são encontrados dois isótopos estáveis: Cu-63 e Cu-65, sendo o mais leve o mais abundante ( 69,17% ). Se tem caracterizado 25 isótopos radioativos, sendo os mais estáveis o Cu-67, Cu-64 e Cu-61 com vidas médias de 61,83 horas, 12,7 horas e 3,333 horas respectivamente. Os demais radioisótopos, com massas atômicas desde 54,966 (Cu-55) a 78,955 (Cu-79), têm vidas médias inferiores a 23,7 minutos, e a maioria não alcançam os 30 segundos. O cobre apresenta, ainda, 2 estados metaestáveis.

  Os isótopos mais leves que o Cu-63 estável se desintegram principalmente por captura eletrônica originando isótopos de níquel, os mais pesados que o isótopo Cu-65 estável se desintegram por emissão beta dando lugar a isótopos de zinco. O isótopo Cu-64 se desintegra dos dois modos, por captura eletrônica ( 69% ) e os demais por desintegração beta.

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• Propriedades.

• Físicas

  

  Um disco de cobre.
  

  Cobre acima do seu ponto de fusão mantém sua cor rosa brilhante quando a luz da suficiente ofusca a cor laranja incandescente.

  O cobre ocupa a mesma família na tabela periódica que a prata e o ouro. Em termos de estrutura eletrônica, o cobre tem um elétron orbital em cima de uma cheia escudo do elétron (o elétron que faz as ligações) , que faz ligações metálicas . A prata e o ouro são semelhantes.^[3]

  O cobre é normalmente fornecido, como quase todos os metais de uso industrial e comercial, em um grão fino de formulário policristalino . Metais policristalinos tem mais força do que formas monocristalinas, e a diferença é maior para o menor grão (de cristal) em tamanho. É facilmente trabalhado, sendo que ele tem ambas as propriedades de dúctil e maleável. A facilidade com que pode ser levado a cabo o torna útil para trabalhos elétricos, assim como sua alta condutividade elétrica.^[4][5]

  O cobre tem um tom avermelhado, alaranjado ou cor acastanhada devido a uma fina camada de manchas (incluindo óxidos ). O cobre puro é rosa ou cor de pêssego. Cobre junto de ósmio (azulada), césio e de ouro (tanto amarelo) são os únicos quatro metais elementais com uma cor natural que não o cinza ou prata. Cobre resultados cor característica de sua configuração eletrônica.^[6][7]

  Elétricas

  A estrutura eletrônica torna comparáveis o cobre, prata e o ouro, semelhantes em muitos aspectos: os três têm alta condutividade térmica e elétrica, e os três são maleáveis. Entre os metais puros na temperatura ambiente , o cobre tem a segunda maior condutividade elétrica e térmica , depois da prata , com uma condutividade de 59,6 × 10⁶S/m. Este valor alto é devido à praticamente todos os elétrons na camada de valência (um por átomo) tomarem parte na condução. O resultado são elétrons livres no montante de cobre para uma densidade de carga enorme de 13,6 × 10⁹C/m³.^[8]

  Esta alta densidade de carga é responsável pela mais lenta velocidade de deriva das correntes em cabos de cobre, onde a velocidade de deriva pode ser calculado como a relação entre a densidade da corrente de densidade de carga. Por exemplo, em uma densidade de corrente de 5 × 10 ⁶A/m² , a densidade de corrente máxima presente na fiação da casa e distribuição da rede, a velocidade de deriva é apenas um pouco mais de ⅓ mm/s.^[9]

  Durante o século XX nos Estados Unidos, a popularidade temporária do alumínio para uso doméstico na fiação elétrica resultou em muitas casas com uma combinação de cobre e alumínio fiação necessitando o contato físico entre os dois metais para fornecer uma conexão elétrica. Devido a corrosão galvânica , algumas questões foram experimentados por proprietários e empreiteiros de habitação. Em eletrônica, a pureza do cobre é expresso em noves : 4N para 99,99% e 6N para 99,9999%. Quanto maior o número, mais puro o cobre é.

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• Química.

• O cobre forma uma rica variedade de compostos com estados de oxidação de +1 e +2. Ele não reage com água, mas reage lentamente com o oxigênio atmosférico, formando uma camada marrom escura de oxido de cobre.

  Em contraste com a oxidação do ferro pelo ar úmido, essa camada de óxido para a corrosão. Uma camada verde de carbonato de cobre, chamado azinhavre, muitas vezes pode ser visto em construções antigas de cobre, como a Estátua da Liberdade, a maior estátua de cobre do mundo.

  O cobre reage com o sulfeto de hidrogênio e com soluções contendo sulfeto, formando sulfetos de cobre diversos em sua superfície. Em soluções contendo sulfeto de cobre, é menos nobre do que o hidrogênio e a corrosão. Isto é observado no cotidiano, quando as superfícies metálicas de cobre são manchadas após a exposição ao ar que contêm compostos de enxofre.

  Cobre dissolve lentamente em soluções contendo oxigênio e amoníaco para dar vários complexos solúveis em água com cobre. O cobre reage com uma combinação de oxigênio e ácido clorídrico para formar uma série de cloretos de cobre. (Verde-azul de cobre II), cloreto (quando fervido com metal de cobre, sofre comprapartinação para formar branco cobre (I) de cloro.

  O cobre reage com uma mistura ácida de peróxido de hidrogênio para formar o correspondente sal de cobre: Cu + 2 HX + H₂O₂ → CuX₂ + 2 H₂O 

• ligas metálicas

• Os cobres debilmente ligados são aqueles que contém uma porcentagem inferior a 3 de algum elemento adicionado para melhorar alguma das características do cobre como a maquinabilidade (facilidade de mecanização), resistência mecânica e outras, conservando a alta condutibilidade elétrica e térmica do cobre. Os elementos utilizados são estanho, cádmio, ferro, telúrio, zircônio, crômio e berílio. Outras ligas de cobre importantes são latões (zinco), bronzes (estanho), cuproalumínios (alumínio), cuproníqueis (níquel), cuprosilícios (silício) e alpacas (níquel-zinco).

  

  Contaminação de água por cobre

  Todos os compostos de cobre deveriam ser tratados como se fossem tóxicos; uma quantidade de 30 g de sulfato de cobre é potencialmente letal em humanos.

  O metal em pó é combustível, inalado pode provocar tosse, dor de cabeça e dor de garganta, recomenda-se evitar a exposição laboral e a utilização de protetores como óculos, luvas e máscaras. O valores limites ambientais são de 0,2 mg/m³ para vapor de cobre e 1 mg/m³ para o pó e névoas. Reage com oxidantes fortes tais como cloratos, bromatos e iodatos, originando o perigo de explosões.

  A água com conteúdo em cobre superiores a 1 mg/l pode contaminar as roupas e objetos lavados com ela, e conteúdos acima de 5 mg/L tornam a água colorida com sabor desagradável. A Organização Mundial da Saúde (OMS) no Guia para a qualidade da água potável recomenda um nível máximo de 2 mg/L , mesmo valor adotado na União Europeia. Nos Estados Unidos a Agência de Proteção Ambiental tem estabelecido um limite de 1,3 mg/L.

  As atividades mineiras podem provocar a contaminação de rios e águas subterrâneas com cobre e outros metais, tanto durante a exploração como uma vez abandonada. O derramamento mostrado na foto provem de uma mina abandonada em Idaho. A coloração turquesa da água e rochas se deve a presença de precipitados de cobre.

• O cobre pertence ao grupo 11 da tabela periódica, sua configuração eletrônica no estado fundamental é [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Ele pode encontrar-se como Cu(I), Cu(II), Cu (III) ou Cu (IV), sendo o único elemento da primeira linha do bloco d que apresenta o estado de oxidação +1 estável ^[12].

  Cu (I): cobre d¹⁰ e, consequentemente, diamagnético. Quando não ligado à ligantes facilmente polarizados são incolores. O cobre pode se estabilizar com um ligante π receptor. A estrutura mais comum é o tetraedro, como no complexo [Cu(py)₄]⁺ . Complexos iônicos com halogênios apresentam diversas estruturas que dependem do cátion envolvido, por exemplo [CuCl₂]^- pode ser linear ou polimérico com centros tetraédricos. Cu⁺ forma compostos com CN^-, como o sal polimérico K[Cu(CN)₂], o íon trigonal planar [Cu(CN)₃]^2- e o íon tetraédrico [Cu(CN)₄]^3- [13].

  Apesar de formar ligações com ligantes O e N (bases fortes, que possuem eletronegatividade alta e são pequenos), cobre monovalente é um metal mole ^[12], ou seja, forma ligações mais forte com bases moles (átomos menos eletronegativos e polarizáveis) como S e P ^[14]. Complexos com a fosfina [Cu₄I₄(PR₃)₄] são exemplos de clusters onde o cobre se encontra nos quatro vértices de um tetraedro, os quatro ligantes fosfina se ligam aos quatro vértices do tetraedro e os quatro átomos de I se situam nas faces do tetraedro (cada I está ligado com três átomos de cobre) ^[15].

  Exemplo de composto com Cu(I): [Cu(η²-BH₄)(dppm)], complexo com boroidreto e bis(difenilfosfina)metano (dppm). Complexos com boroidreto de cobre (I) são interessantes pois apresentam grande emprego em sínteses orgânicas e inorgânicas e como agentes redutores de várias funções presentes em compostos orgânicos. Estes complexos não são muito estáveis (necessitam ficar em baixas temperaturas). A ligação com a fosfina permite a estabilização do composto CuBH₄. Apesar de formar ligações com bases duras como o O e N (possuem eletronegatividade alta e são pequenos), cobre monovalente é um íon metálico mole (grande, baixo nox), ou seja, forma ligações mais forte com bases moles, (átomos menos eletronegativos e polarizáveis), como S e P. O ânion boroidreto está coordenado ao cobre de modo bidentado, o número de coordenação do cobre é quatro e a estrutura do centro metálico é tetraédrica distorcida ^[16].

  Cu (II): cobre d⁹, paramagnético. Forma, muitas vezes, compostos quadrado planar. Complexos com seis ligantes ocorrem em estrutura octaédrica distorcida. Geralmente dois ligantes axiais se encontram mais distantes do que os ligantes equatoriais, embora existe o inverso ^[17]. Essa distorção é consequência da configuração d⁹ e do efeito Jahn-Teller. Em um octaedro com ligantes iguais ocorre o alongamento ou a compressão das ligações axiais. Como consequência, temos a quebra da degenerescência dos orbitais e_g e t_2g. Em um alongamento no eixo axial (z), os orbitais que possuem componentes em z, d_z², d_xz e d_yz, se estabilizam (reduzem sua energia), pois a interação entre os ligantes e estes orbitais diminui, enquanto que os orbitais sem componentes em z, d_x²-y² e d_xy, ficam mais energéticos em uma quantidade correspondente ^[14].

  Devido aos elétrons desemparelhados, os compostos de Cu²⁺ são geralmente coloridos, existem transições d-d ^[14]. Soluções de cobre apresentam, em sua maioria, a coloração azul, devido a presença dos íons [Cu(OH₂)₆]²⁺, uma exceção comum é o íon verde quase planar [CuCl₄]^2-, entretanto, quando diluído a cor da solução muda para o azul. Essa mudança corresponde a substituições de íons cloretos por moléculas de água ^[17]. O sal azul CuSO₄∙5H₂O contém a unidade quadrada planar [Cu(OH₂)₄]²⁺ com dois oxigênios do ânion SO₄^2- completando o octaedro alongado ^[12].

  Complexos com halogênios incluem [CuCl₃]^-, [CuCl₄]^2- e [CuCl₅]^3-, mas as estruturas no estado sólido destes compostos são dependentes do contra íon envolvido. Por exemplo: [Ph₄P][CuCl₃] contém dímeros, enquanto que o K[CuCl₃] contém cadeias octaédricas distorcidas ^[12].

  Em soluções aquosas o Cu²⁺ forma muitos complexos com amônia e aminas, como [Cu(H₂O)_5-n(NH₃)n]²⁺, sendo n = 1, 2, 3 ou 4. O composto com n = 5 e/ou 6, é instável devido ao efeito Jahn-Teller. A distorção na estrutura octaédrica alonga e enfraquece a ligação entre o cobre e o nitrogênio. É possível obter o [Cu(NH₃)₆]²⁺ usando amônia como solvente ^[15].

  Exemplo de composto com Cu(II): [Cu(doxiciclina)(1,10-fenantrolina)(H₂O)(ClO₄)](ClO₄). Apresenta propriedades antitumorais que ocorre pela clivagem da molécula de DNA. O que acontece é que muitos compostos parecidos com este necessitam de outros reagentes externos para fazer essa clivagem através de reações redox. Este composto não precisa de reagentes externos. O estudo foi feito com a sintetização deste composto, verificação da composição e estrutura e foi testado em células de uma pessoa com leucemia. Foi verificado que o composto é capaz de clivar a molécula do DNA. Os resultados propõe que o composto exibe uma geometria tetragonal distorcida com dois ligantes bidentados, (1,10-fenantrolina e doxiciclina) coordenadas no plano equatorial, uma molécula de água e um íon perclorato nas posições axiais ^[18].

  Cu (III): cobre d⁸ é considerado incomum, pois é facilmente reduzido. O composto K₃[CuF₆] é paramagnético, com dois elétron desemparelhados. Os compostos de coordenação restantes são diamagnéticos e com uma estrutura quadrado planar ^[13]. Exemplos desses compostos: [CuO₂]^- e [Cu(IO₆)₂]^7-. Provavelmente, o uso mais importante de espécies de Cu(III) é em supercondutores de alta temperatura ^[12]. Em 1987 dois pesquisadores foram laureados com prêmio Nobel de Física (“Por seu importante avanço na descoberta de supercondutividade em materiais cerâmicos”). Eles estudaram compostos com cobre como o La_1.85Ba_0.15CuO₄. A supercondutividade surge quando um material condutor é resfriado a uma temperatura crítica bastante baixa (aproximadamente -180º C) ^[19].

  Cu (IV): cobre d⁷ é muito raro, porém existe o composto [CuF₆]^2- que é produzido por fluoração de CsCuCl₃ a 247 ºC. O íon possui uma estrutura octaédrica distorcida (efeito Jahn-Teller) ^[12].

• Fonte: Wikipédia

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