Cuivre

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Pour les articles homonymes, voir Cu et Cuivre (homonymie).

Cuivre

Nickel ← Cuivre → Zinc

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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)

1^e potentiel d'ionisation

745,5 kJ/mol

2^e potentiel d'ionisation

1957,9 kJ/mol

3^e potentiel d'ionisation

3555 kJ/mol

4^e potentiel d'ionisation

5536 kJ/mol

5^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol

6^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol

7^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol

8^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol

9^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol

10^e potentiel d'ionisation

{{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol

Isotopes les plus stables

iso	AN	Période	MD	Ed	PD
iso	AN	Période	MD	MeV	PD
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, étant donné que 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 principalement extrait dans l'île de Chypre. Le « métal de Chypre » était nommé aes 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, le seul métal pur présentant une meilleure conductivité électrique est l'argent). Sa couleur rougeâtre le différencie de la couleur généralement 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

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 existe 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

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

Sulfo-sel

L’énargite: Cu₃AsS₄: (3Cu₂S, As₂S₅)

Oxydes

Quelques oxydes de cuivre

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

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

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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 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^[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 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 (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 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 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 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.^[6]

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^[7].

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. A 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.

Le cuivre est couramment utilisé en laboratoire comme cible dans les tubes à rayons X pour la diffraction sur poudres. La raie K $α$ 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 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^[8] et l’ICP-OES pour les analyses dans l’eau^[9] 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

↑ (fr) Définitions lexicographiques et étymologiques de Cuivre du CNRTL.
↑ La faculté d'adaptation
↑ 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
↑ Scheinberg, I.H., 1979. Human health effects. In: Nriagu, J. (Ed.),Copper in the Environment. Pt. II, Human Health. Wiley, London, pp. 17–39.
↑ 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
↑ Page 16 - Le Guide canadien d'évaluation des incidences sur la santé : Volume 4 : Impacts sur la santé par secteur industriel
↑ Bilan IFEN 20006 sur l'agriculture et la sylviculture
↑ http://www.ceaeq.gouv.qc.ca/methodes/pdf/MA207Met20.pdf
↑ MA. 203 - Mét. 3.2

Voir aussi

Liens externes

Wikimedia Commons propose des documents multimédia libres sur Cuivre.

Voir « cuivre » sur le Wiktionnaire.

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