Cuivre

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Nickel ← Cuivre → Zinc  ?     29 Cu                                                                                                                                                                                                                                           Cu Ag Table complète • Table étendue
Général
Nom, Symbole, Numéro	Cuivre, Cu, 29
Série chimique	métaux de transition
Groupe, Période, Bloc	11,4, d
Masse volumique	8920 kg/m3
Couleur	Cuivré, métallique
Propriétés atomiques
Masse atomique	63,546 u
Rayon atomique (calc)	135 (145) pm
Rayon de covalence	138 pm
Rayon de van der Waals	140 pm
Configuration électronique	[Ar]3d10 4s1
Électrons par niveau d'énergie	2,8,18,1
État (s) d'oxydation	2, 1
Oxyde	faiblement basique
Structure cristalline	Cubique face centrée
Propriétés physiques
État ordinaire	solide
Température de fusion	1357,6 K
Température de vaporisation	2840 K
Énergie de fusion	13,05 kJ/mol
Énergie de vaporisation	300,3 kJ/mol
Volume molaire	7,11×10-6 m3/mol
Pression de la vapeur	0,0505 Pa à 1358 K
Vélocité du son	3570 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,9
Chaleur massique	380 J/ (kg·K)
Conductivité électrique	59,6×106 S/m
Conductivité thermique	401 W/ (m·K)
1e potentiel d'ionisation	745,5 kJ/mol
2e potentiel d'ionisation	1957,9 kJ/mol
3e potentiel d'ionisation	3555 kJ/mol
4e potentiel d'ionisation	5536 kJ/mol
5e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e potentiel d'ionisation	{{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD MeV 63Cu 69,17% stable avec 34 neutrons 64Cu {syn. } 12,705 h ε (41%) 1,675 64Ni 64Cu {syn. } 12,705 h β- (40%) 0,578 64Zn 64Cu {syn. } 12,705 h β+ (19%) PA 0,511 (38%) EA 0,00031 (36%) EA 0,00114 (16,8%) RG 1,346 (0,473%) 64Zn 65Cu 30,83% stable avec 36 neutrons 67Cu {syn. } 61,9 h β- 0,6 67Zn
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29.

Le cuivre et l'homme

Le cuivre pourrait bien être le premier métal à avoir été utilisé par l'homme, dans la mesure où des objets en cuivre datant de 8700 avant J. -C. ont été trouvés ^{[réf.  nécessaire]}. Traditionnellement, on situe l'âge du cuivre au Chalcolithique, c'est-à-dire entre 2 300 et 1 800 av. J. C. Dans l'Antiquité le cuivre était pincipalement extrait dans l'île de Chypre. Le «métal de Chypre» était appelé æs cyprium, puis cuprum. C'est là l'origine du mot cuivre^[1].

Caractéristiques

Métal de couleur rougeâtre, il possède une excellente conductivité thermique et électrique (à température ambiante, l'unique métal pur présentant une meilleure conductivité électrique est l'argent). Sa couleur rougeâtre le différencie de la couleur le plus souvent grise des métaux.

• Dureté : 3.5-4.5
• Densité : 8.93
• Clivage : absent
• Fracture : écailleuse
• Rupture : ductile (peu d'impuretés ou impuretés insolubles) ou cassante (impuretés solubles comme le Phosphore)
• Couleur de la poudre : rouge métallisé
• Éclat : métallique
• Fluorescence : aucune
• Classe : élément
• Système cristallin : cubique à face centrée

Minerai de cuivre

Le cuivre est un des rares métaux qui existe à l'état natif. Ce fait d'ailleurs expliquant certainement qu'il fut le premier métal utilisé par les hommes. L'occurrence du cuivre natif est cependant assez faible. On le trouve le plus souvent sous forme de sulfure ou de sulfo-sel. On le trouvait en quantités importantes dans l'île de Chypre surnommée l'île aux mille mines.

Sulfures

• La chalcopyrite : CuFeS₂ : (Cu₂S, Fe₂S₃)
• La bornite : Cu₅FeS₄ : (5Cu₂S, Fe₂S₃)
• La covelline : CuS
• La chalcocite : Cu₂S

Souvent utilisé pour faire des instruments de cuisines et quelquefois certains sous vêtements peuvent avoir des fibres de cuivre véritables.

Sulfo-sel

• L'énargite : Cu₃AsS₄ : (3Cu₂S, As₂S₅)

Oxydes

• Mélaconite ou tenorite CuO, de couleur noire.
• Oxyde cuivreux ou Cuprite : Cu₂O, de couleur rouge.

le cuivre s'oxyde au contact de l'air humide et de l'eau salée

Carbonates

• Azurite : Cu₃ (CO₃) ₂ (OH) ₂ : (2CuCO₃, Cu (OH) ₂)
• Malachite : Cu₂ (CO₃) (OH) ₂ : (CuCO₃, Cu (OH) ₂)

Silicates

• Chrysocolle : (Cu, Al) ₂H₂ (Si₂O₅) (OH) ₄* n (H₂O)

Sulfate et chlorure

• Brochantite : Cu₄ (SO₄) (OH) ₆
• Atacamite : Cu₂Cl (OH) ₃

Métallurgie et affinage

Le cuivre devient pâteux vers 830 °C^{[réf.  nécessaire]} et fond autour de 1 100 °C (voir température de fusion : 1084,45 °C).

L'affinage industriel du cuivre s'effectue par électrolyse d'anodes de cuivre brut dans une solution de sulfate de cuivre. Les ions cuivre migrent vers la cathode et les impuretés restent dans le bain. Ce procédé permet d'obtenir du métal pur à 99,95 %

Propriétés biologiques et écotoxiques

Le cuivre, à très faible dose est un oligo-élément indispensable à la vie. Il est surtout nécessaire à la formation de l'hémoglobine et remplace même le fer pour le transport de l'oxygène chez une espèce d'arthropode, la limule, dont le sang est bleu^[2]. Chez l'homme et les mammifères, régulé par le foie, le cuivre intervient dans la fonction immunitaire (démontré chez le rat) et contre le stress oxydant. Il est stocké, excrété via la bile ou distribué vers les organes. Ses propriétés anti-infectieuses étaient déjà connues et utilisées dans l'Egypte antique.
Associé au plomb, il semble pouvoir aggraver le risque de maladie de Parkinson^[3].
Le taux osseux moyen «normal» chez l'homme au XX^e siècle a été estimé à 4.2 mg/kg par Scheinberg^[4] en 1979). On connait^[5] des contaminations humaines et animales dès l'âge du bronze, autour surtout des anciennes mines de cuivre et plomb de l'actuelle Jordanie.

Bien que le porc n'ait pas besoin de plus de 6 mg/kg d'aliment (NRC, 1998), du cuivre est ajouté à son alimentation car il s'est montré un puissant facteur de croissance s'il est associé à une supplémentation en Zinc (à 150 à 250 ppm de Cu en post-sevrage dans l'alimentation des porcelets, soit 30 fois leur besoin normal est une pratique courante, qui explique l'augmentation de la charge de cuivre polluante des lisiers. Le mouton serait, lui, tué par le cuivre dès 15 mg de Cu par kg d'aliment ; la mort survenant après une phase hémolytique quand le taux de Cu dans le foie dépasse 350 à 1000 ppm de matière sèche (selon Bremner 1998, Underwood et Suttle 1999). Le mouton semble être le mammifère le plus sensible, parmi ceux dont les réactions au cuivre ont été étudiées.

Le cuivre est aussi - à dose plus élevée et sous ses formes oxydées (vert-de-gris, oxyde cuivreux) - un puissant poison pour l'Homme, comme - à des doses quelquefois infimes - pour de nombreux organismes (algues, mousses, microorganismes marins, champignons microscopiques). Ce fait connu depuis l'antiquité a justifié son utilisation comme pesticide (ex : Bouillie bordelaise) ou comme biocide, surtout dans les antifoulings.

Ses vertus bactériostatiques et antifongiques et sa ductilité ont aussi, comme pour le plomb (qui est lui bien plus toxique) justifié son utilisation dans les canalisations d'eau et dans certains pays pour les toitures et gouttières (ni mousse ni plantes ne s'y installent, mais l'eau s'y charge de cuivre). Le cuivre a été utilisé pour les cuves et tuyauteries de fabrication de la bière et de distillation d'alcool, pour les marmites à confiture et pour la fabrication de fromages à pâte cuite. Sa résistance à la corrosion et sa toxicité empêchant la prolifération et la fixation d'algues et d'organismes marins a encouragé ses usages dans la marine, sous forme de cuivre ou plus fréquemment de laiton (clous, hublots, serrures, charnières, etc). Les sels de cuivre, comme le sulfate ou l'oxychlorure, présentent des propriétés fongicides mises à profit pour la viticulture et l'agriculture. Un simple fil de cuivre tendu sur le faite d'une toiture tue toutes les mousses et algues qui pourraient y pousser, bien que la pluie ne s'y charge que d'une quantité infime de molécules de cuivre.

L'oxyde cuivreux des peintures antifouling récentes, pour certaines volontairement érodables pour libérer plus longtemps leurs biocides, tuent les bernacles et bien d'autres espèces dès leur stade larvaire, mais en relâchant du cuivre qui contamine à cette occasion les eaux environnantes. Le cuivre utilisé sur les vignes n'étant pas dégradable, il finit par s'accumuler dans les points bas où il atteint des taux préoccupants dans le sol et l'eau, pouvant localement provoquer la mort d'animaux qui y sont sensibles, comme le mouton.

Les moûts de raisin renferment systématiquement des teneurs importantes de cuivre ; quelques dixièmes de mg/l sont issus de la vigne, mais la majeure partie vient des différents traitements subis. Lors de la fermentation ce cuivre, réduit en sulfure, est éliminé avec les levures et les lies. Le vin nouveau n'en contient que 0,2 à 0,3 mg/l, pourcentage qui peut augmenter après quelques mois de conservation, suite à contacts avec du matériel en cuivre, en laiton ou en bronze. Dans les vins blancs maintenus à l'abri de l'air, quand le potentiel d'oxydo-réduction atteint un niveau suffisamment bas, le cuivre est réduit en présence d'anhydride sulfureux libre et précipité à l'état de sulfures qui troublent le vin si la dose de cuivre approche de 1 mg/l. De plus, le cuivre, agissant comme catalyseur (même à faible dose), facilite énormément l'oxydation du fer et la casse blanche. On élimine le cuivre des vins par traitement au ferrocyanure de potassium ou par le monosulfure de sodium qui le précipite à l'état de sulfures.

Toxicologie

Le cuivre est un oligo-élément pour l'Homme, mais Holland et White ont montré expérimentalement, in vitro, en 1988 qu'il provoque chez le rat une immobilisation non réversible du sperme (in vitro, après inhalation provoquée d'un aérosol de chlorure de cuivre). Des changements histomorphologiques, et dans la mobilité du sperme sont observés corrélativement à une modification du poids des testicules et des taux d'hormones sexuelles après 4 mois d'exposition à 19,6 mg/m³ de cuivre (Gabuchyan, 1987). Les auteurs remarquent que cette toxicité pourrait expliquer l'efficacité contraceptive des stérilets en cuivre. Pour en savoir plus, voir le rapport INERIS sur le cuivre. À des concentrations extrêmement élevés, le cuivre peut entraîner la nécrose du foie. ^[6]

Applications en construction mécanique et électrique

Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où on souhaite une grande conductivité thermique. Le cuivre pur est très ductile (élongation à la rupture élevée).

• les pièces de conduction : Il est montré que la conductivité thermique et électrique du cuivre sont liées très fortement. Cela résulte du mode de transmission de la chaleur et de l'électricité dans les métaux qui se fait majoritairement par déplacement d'électrons. On notera à ce titre que le cuivre servant dans ce domaine doit être extrêmement pur (couramment 99,999% Cu). Les impuretés solubles dans la matrice de cuivre telles que le phosphore (même en très faible proportion) diminuent très fortement la conductivité. A l'heure actuelle, le cuivre est fréquemment écarté au profit de l'aluminium. Ce dernier présente de fait un rapport conductivité sur densité bien plus favorable. Plus aucun radiateur d'automobile n'est actuellement en cuivre. Lorsque on sait aussi que l'aluminium est nettement moins cher que le cuivre, on comprend pourquoi il en est de même pour les câbles électriques HT.

• Le cuivre est couramment utilisé en laboratoire comme cible dans les tubes à rayons X pour la diffraction sur poudres. La raie Kα du cuivre a pour longueur d'onde moyenne 1,54182 Å.

Les alliages de cuivre, par contre, sont très largement utilisés dans de nombreux domaines. Les alliages les plus célèbres sont sans doute le laiton (Cu-Zn) et le bronze (Cu-Sn) qui ont été élaborés bien avant qu'on ne fasse les premières coulées de cuivre pur. Les Fonts baptismaux de la collégiale St Barthélémy de Liège ont fasciné les chercheurs à ce niveau. Il a fallu se rendre à l'évidence que le laiton est plus aisément élaborable que le cuivre pur et le zinc pur séparés. Cela résulte simplement de la thermodynamique des solutions, produire un métal impur à partir d'un minerai impur est plus facile qu'extraire un métal pur d'un minerai impur.

• pièces mécaniques : le cuivre pur ou légèrement allié présente des propriétés mécaniques satisfaisantes mais il n'est le plus souvent pas utilisé à cause de sa densité élevée (comparé au magnésium ainsi qu'à l'aluminium ou même au fer), sa rareté et son coût d'élaboration (et par conséquent d'achat) limite fortement son utilisation. Aujourd'hui, la présence de cuivre dans certains alliages est plus pour son caractère semi-noble que mécanique pur.
• pièces de frottement et d'usure : voir l'article tribologie
• pièces devant résister à la corrosion, l'oxyde de cuivre est stable à température ambiante et recouvre le plus souvent par une fine couche isolante les pièces en cuivre. Il est assez comparable à l'aluminium à ce niveau.
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Dosage du cuivre

La quantité de cuivre dans différents milieux est quantifiable par différentes méthodes analytiques. Pour dissocier le cuivre de la matrice de son milieu, il faut, la majorité du temps, effectuer une digestion avec un acide (en général l'acide nitrique et/ou l'acide chlorhydrique). Le centre d'expertise en analyse environnementale du Québec utilise des techniques couplées soient l'ICP-MS pour les analyses dans la chair de poissons et des petits invertébrés^[7] et l'ICP-ŒS pour les analyses dans l'eau^[8] qui doit préalablement être acidifiée.

Symbolique

Les noces de cuivre symbolisent les 32 ans de mariage dans le folklore français.

Traditionnellement, le cuivre est associé à la planète Vénus. Les alchimistes utilisaient le symbole ? pour le représenter. C'est par conséquent un métal associé à la féminité, la jeunesse et l'amour. Des miroirs anciens, symbole de narcissisme, étaient fait de cuivre.

Économie

En 2004, la production mondiale de cuivre est de 16,015 millions de tonnes. Les principaux producteurs sont le Chili (37,3 %), les États-Unis (8 %, dont 62 % en Arizona), le Pérou (7,1 %) et l'Indonésie (5,7 %). En Europe, le principal producteur est la Pologne avec 585 000 tonnes/an.

En avril 2006, le cours du cuivre est à environ 6300 euros/tonne, en forte hausse comparé à 2005, due essentiellement à une forte demande asiatique. Sur les 8 premiers mois de l'année 2006, la hausse s'est montée à 69 %.

Le premier consommateur de cuivre est la Chine, qui absorbe 22 % de la production mondiale (3 Mt).

La production mondiale de cuivre secondaire à partir du recyclage s'est élevée à 2 Mt en 2005, soit 13 % de la production totale de ce métal.

Le CIPEC était un cartel qui a fonctionné entre 1967 et 1988.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• Le Centre d'Information du Cuivre, Laitons et Alliages
• Rapport INERIS sur le cuivre
• un dossier pluridisciplinaire sur le cuivre

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Cuivre.
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 12/11/2008.
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