7440-50-8

Cuivre

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Cu
Ag
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Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Cuivre, Cu, 29
Série chimique métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 11, 4, d
Masse volumique 8920 kg/m3
Couleur Orange cuivré, métallique
N° CAS 7440-50-8
N° EINECS 231-159-6
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 1 084,4 °C ;
1 357,6 K
Température d'ébullition 2 566,9 °C ;
2 840 K
Énergie de fusion 13,05 kJ/mol
Énergie de vaporisation 300,3 kJ/mol
Température critique  K
Pression critique  Pa
Volume molaire 7,11×10-6 m3/mol
Pression de vapeur 0,050 5 Pa
à 1 084,4 °C
Vitesse 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 Énergie d'ionisation 745,5 kJ/mol
2e Énergie d'ionisation 1957,9 kJ/mol
3e Énergie d'ionisation 3555 kJ/mol
4e Énergie d'ionisation 5536 kJ/mol
5e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e Énergie 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 idem β-
(40 %)
0,578 64Zn
64Cu idem β+
(19 %)
0,511 PA (38 %)
———
0,00031
EA
(36 %)
———
0,00114
EA
(16,8 %)
———
1,346
γ
(0,473 %)
64Ni
65Cu 30,83 % stable avec 36 neutrons
67Cu {syn.} 2,58 h β- 0,6 67Zn
Précautions
NFPA 704
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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

Sommaire

Le cuivre et l'homme

Le cuivre est, avec l'or, le premier métal à avoir été utilisé par l'homme parce qu'il se retrouve parfois sous une forme native. Des objets en cuivre datant de 8700 avant J.-C. ont été trouvés au Moyen-Orient[1][réf. nécessaire].

Traditionnellement en Europe occidentale, on situe l'âge du Cuivre ou Chalcolithique, entre 3 200 et 2 000 environ av. J.C., suivant les régions (Italie, Suisse, Alpes, Cévennes, Espagne et Portugal). Cette période technologique est bien plus ancienne à l'est de la Méditerranée. Dans l'Antiquité le cuivre était principalement extrait dans l'île de Chypre. Le « métal de Chypre » était nommé en latin aes cyprium, puis cuprum. C'est là l'origine du mot cuivre[2].

Caractéristiques physiques

Métal de couleur rougeâtre ou rouge lorsqu'une plaque de ce métal est bien décapée, le cuivre possède une excellente conductivité thermique et électrique. À titre de comparaison, l'argent est le seul métal pur présentant une meilleure conductivité électrique à température ambiante.

La couleur du cuivre le différencie de celles généralement grises et à fort reflet métallique des autres métaux.

Minerai de cuivre

Article détaillé : extraction du cuivre.
Mine du cuivre à ciel ouvert, Chino Copper Mine, Nouveau-Mexique, États-Unis

Le cuivre est un des rares métaux qui existent à l'état natif. Ce fait d'ailleurs expliquant probablement qu'il fut le premier métal utilisé par les hommes. L'occurrence du cuivre natif est cependant assez faible. On le trouve le plus fréquemment 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


Sulfo-sel

Oxydes

Le cuivre s'oxyde :

Les potentiels standards des principales demi-réactions sont :

Cu2O(s) + H2O + 2 e ⇄ 2 Cu(s) + 2 OH
Cu2+ + e ⇄ Cu+ : E0 = +0,159 V ;
Cu2+ + 2 e ⇄ Cu(s) : E0 = +0,340 V ;
Cu+ + e ⇄ Cu(s) : E0 = +0,520 V ;

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

Utilisations

Souvent utilisé pour faire des instruments de cuisine, des fils électriques, de la plomberie, des pièces de monnaie et parfois certains sous vêtements peuvent avoir des fibres de cuivre véritables.

Métallurgie et affinage

Cuivre, métal pur à 99,95 %

Le cuivre devient pâteux vers 830 °C[réf. nécessaire] et fond autour de 1 100 °C (voir température de fusion : 1 084,45 °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 notamment 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[3]. 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'Égypte antique.
Associé au plomb, il semble pouvoir aggraver le risque de maladie de Parkinson[4].
Le taux osseux moyen « normal » chez l’homme au XXe siècle a été estimé à 4,2 mg/kg par Scheinberg[5] en 1979). On connait[6] des contaminations humaines et animales dès l'âge du bronze, autour notamment 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 lorsque le taux de Cu dans le foie dépasse 350 à 1000 ppm de matière sèche [7]). 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 parfois 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, notamment 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 souvent de bronze (clous, hublots, accastillage, hélice). 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 d'atomes 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 toujours 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, à la suite de contacts avec du matériel en cuivre, en laiton ou en bronze. Dans les vins blancs maintenus à l’abri de l’air, lorsque 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), favorise beaucoup 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.[8]

Écotoxicologie

Outre des impacts sur la fertilité du rat, en laboratoire, le cuivre (utilisé comme pesticide depuis l'antiquité) a une action toxique très importante sur les algues et mousses. Comme c'est un produit non biodégradable, il s'accumule et finit par atteindre des taux suffisant pour tuer par exemple des moutons pâturant en aval de vignes traitées depuis plusieurs décennies. En France, environ un million d’hectares de vignobles anciens sont ainsi si chargés de cuivre que d'ici quelques années ou décennies le seuil toxique y sera atteint pour les mammifères. Dans les régions d'épandage des lisiers porcins, la teneur en cuivre et zinc des sols est également en augmentation préoccupante[9].

Applications en construction mécanique et électrique

Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où l'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. À l'heure actuelle, le cuivre est souvent 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 aujourd'hui en cuivre. Quand on sait également que l'aluminium est beaucoup moins cher que le cuivre, on comprend pourquoi il en est de même pour les câbles électriques HT.

Les alliages de cuivre, en revanche, sont très largement utilisés dans de nombreux domaines. Les alliages les plus célèbres sont certainement 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 facilement 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 généralement pas utilisé en raison de sa densité élevée (comparé au magnésium et à l'aluminium ou même au fer), sa rareté et son coût d'élaboration (et donc d'achat) limite fortement son utilisation. Actuellement, 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 généralement par une fine couche isolante les pièces en cuivre. Il est assez semblable à l'aluminium à ce niveau.
  • ...

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 plupart du temps, effectuer une digestion à l’aide d’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[10] et l’ICP-OES pour les analyses dans l’eau[11] 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 donc 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 par rapport à 2005, due principalement 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

  1. (fr) Pascal Mongne (dir.), Archéologies : Vingt ans de recherches françaises dans le monde, éditions Maisonneuve et Larose, Paris, 2005, 734 p. (ISBN 2-7068-1886-7).
    « La chronologie de Dja'de », p. 453
     
  2. (fr) Définitions lexicographiques et étymologiques de Cuivre du CNRTL.
  3. La faculté d'adaptation
  4. Gorell, J.M., Johnson, C.C., Rybicki, B.A., 1999. « Occupational exposure to manganese, copper, lead, iron, mercury and zinc and the risk of Parkinson’s disease ». Neurotoxicology 20 (2–3), 239–247
  5. Scheinberg, I.H., 1979. Human health effects. In: Nriagu, J. (Ed.), Copper in the Environment. Pt. II, Human Health. Wiley, London, p. 17–39.
  6. The heavy metal content of skeletons from an ancient metalliferous polluted area in southern Jordan with particular reference to bioaccumulation and human health, F.B. Pyatt,a, A.J. Pyatt,b C. Walker,a T. Sheen,a and J.P. Grattanc, Ecotoxicology and Environmental Safety 60 (2005) 295–300
  7. Bremner 1998, Underwood et Suttle 1999
  8. Page 16 - Le Guide canadien d'évaluation des incidences sur la santé : Volume 4 : Impacts sur la santé par secteur industriel
  9. Bilan IFEN 20006 sur l'agriculture et la sylviculture
  10. http://www.ceaeq.gouv.qc.ca/methodes/pdf/MA207Met20.pdf
  11. MA. 203 - Mét. 3.2

Voir aussi

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6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
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