Università degli Studi di Napoli
S.I.C.S.I.
Chimica degli elementi nell’ambiente
Docente: prof. Andini
Classe di riferimento: V anno di un istituto tecnico per chimici
Prerequisiti: conoscenza della chimica generale; proprietà della
tavola periodica; reazioni chimiche di scambio e di ossido-riduzione;
Esperimenti di laboratorio: conoscenza delle norme di sicurezza
in laboratorio; della strumentazione in uso, conoscenza della parte
teorica dell’esperienza
Obiettivi: conoscenza delle proprietà chimico- fisiche del rame;del
suo comportamento in soluzione; della sua disponibilità in natura;
delle principali applicazioni
Strumenti: Libri di testo; manuali di laboratorio; supporto informatico
Tempi: 1 lezioni da 1 ora per la parte teorica; 1 lezione da un ora
per la spiegazione della esercitazione; 1 esercitazione da 2 ore per
la parte pratica.
Esperienza di laboratorio
Esperienza:
Reazioni del Cu(II) in Soluzione;
Reazione di Ossido-riduzione del Cu(II) con Zn.
Si trova nel gruppo IB della tavola periodica, insieme ad argento e
ad oro
Simbolo Cu e numero atomico 29
E’ un metallo nobile con potenziale standard maggiore di zero,
reagisce solo con acidi fortemente ossidanti
Configurazione elettronica 4s1 3d10
Possiede gli stati di ossidazione +1 e +2 (rispettivamente sali
rameosi e rameici).
CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE
•Un metallo rossastro
•Struttura cristallina cubica a facce centrate
•È estremamente duttile e malleabile
•Ottimo conduttore elettrico e termico
Temperatura di fusione
1083 °C
Temperatura di ebollizione
2595 °C
Densità a 20 °C
8.94 g/cm3
Carico di rottura (ricotto)
~ 220 N/mm2
Coefficiente di dilatazione termica a 20°C
1,65 10-6 m/(m*K)
Ritiro di solidificazione
4.92 %
Calore specifico a 20°C
0,385 KJ/(Kg*K)
Conduttività termica a 20 °C
391 W/(m*K)
Conducibilitàelettrica
0.596 · 106/cm · ohm
Coefficiente di temperatura della resistività
elettrica
393 *10-5 K-1
Velocità del suono
3600 m/s
Potenziale E° (Cu2+ +2e-
Cu)
0,337 V
CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE
•E’ RESISTENTE ALLA CORROSIONE
il rame esposto all’aria umida si ricopre di una patina
verde di idrossocarbonati basici CuCO3 .Cu(OH)2 che
funge da strato protettivo
2Cu(s) + O2(g) + CO2(g) + H2O(l) CuCO3Cu(OH)2 (s)
CuCO3Cu(OH)2
(Malachite)
CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE
Il rame è un materiale indispensabile e insostituibile in
numerose applicazioni tecnologiche grazie alla sua una spiccata
capacità di legarsi agli altri metalli, a formare delle leghe che
ne rafforzano le caratteristiche meccaniche e chimico-fisiche.
Lo zinco e il rame formano gli OTTONI utilizzati per la
loro elevata lavorabilità.
Lo stagno e il rame danno origine al BRONZO,utile per la
resistenza meccanica e alla corrosione .
Il binomio rame-nickel forma il gruppo delle leghe
denominate CUPRONICKEL, di particolare interesse per la
loro resistenza alla corrosione in ambiente marino .
STORIA DEL RAME
Il rame, dopo l’oro fu il primo metallo
conosciuto e usato dall’uomo (età del rame),
con lavorazioni a freddo per martellamento,
verso la fine dell’età della pietra.
Gli oggetti di rame più antichi sono dei gioielli
provenienti dall’Egitto, che risalgono al 4500
a.C.
ASCIA in rame
del 3200 a.C.
Intorno al 3000 a.C. il rame viene legato allo
stagno (15% Sn) per ottenere il bronzo: è la
cosiddetta età del bronzo, che precede quindi
quella del ferro. Greci e Romani usavano il
rame per fabbricare armi, utensili, ornamenti.
Grandi quantità di rame venivano estratte
dall’isola di Cipro, in latino Cyprum: dal cui
nome derivò cuprum, da cui il simbolo Cu.
I MINERALI del RAME
In natura si trova come metallo puro appena lo 0,01%, ma
industrialmente si ricava dai suoi minerali solforati più abbondanti …
CuFeS2
Cu5FeS4
(Calcopirite)
(bornite)
CuS
(covellite)
CuS
(calcocite)
…e dai suoi minerali ossidati, meno diffusi e comprendono
gli ossidi cuprite e tenorite e il cloruro basico atacamite.
CuO
(Tenorite )
Cu2O
(Cuprite)
CuCl2 · 3Cu(OH)2
(Atacamite )
I carbonati basici, malachite e azzurrite, vengono utilizzati come pietre
ornamentali.
Cu2(CO3)(OH)2
(Malachite)
Cu3(CO3)2(OH)2
(Azzurrite)
Di tutto il rame impiegato nel mondo solo il 60% proviene dalle
miniere mentre il restante 40% è ricavato dal riciclo dei
rottami.
Il rame non emette sostanze nocive per l’ambiente e risulta
riciclabile 100%.
IL rame riciclato ha le stesse caratteristiche chimico-fisiche
e tecnologiche del rame primario e quindi non subisce
limitazioni di utilizzo o diminuzione di valore.
Il riciclo consente un notevole risparmio di energia, rispetto ai
processi di estrazione e di raffinazione.
I Composti del Rame
I composti rameosi, Cu(I), sono solo composti solidi,
essi sono poco colorati es.
Cu2O rosso - giallo (Cuprite)
CuCO3 giallo -verde
CuI
marrone
I composti rameici Cu(II) sono solidi blu o verdi
come:
CuSO4.5H2O sali rameici di colore blu
CuO blu scuro (tenorite)
La chimica del Rame in soluzione
Il Cu (II) e’ piu’ stabile in soluzione perche’
essendo di dimensioni ridotte, la grande
energia di idratazione che ne deriva
compensa l’energia necessaria per la
seconda ionizzazione tanto che la chimica
del Rame in soluzione è quasi esclusivamente
a n.o. 2
La chimica del Rame in soluzione
In soluzione acquosa esistono composti di rame(I) solo
sotto forma di complessi ottenibili per riduzione dei
rispettivi sali rameici con opportune sostanze
riducenti, ad esempio:
CuIICl2 + Cu
2CuICl (s) + 3Cl- [CuICl4 ]3
gli alogenuri rameosi CuCl sono insolubili in acqua
ma solubili in soluzioni contenenti ioni cloruro per la
formazione di complessi come CuCl43alogenocuprati
La chimica del Rame in soluzione
Lo ione Cu+ (Rame(I)), in acqua, non è stabile in
quanto esso dismuta (o disproporziona) a Cu2+ e Cu
secondo la reazione:
2Cu+ Cu2+ + Cu
La costante dell’equilibrio di disproporzionamento è
circa 106, così il rame in soluzione è praticamente
solo rame(II).
ELETTROLISI DEL RAME METALLICO
Il rame è un metallo “nobile” ha un potenziale ossido - riduttivo > 0
Cu 2+ + 2e- Cu
E°=0.314 V
necessita di un ossidante energico quale l’acido nitrico in ambiente acido di H2SO4
per essere portato in soluzione
4H+ + NO3- + 3e NO(g) + H2O
E°=~ 0.96 V
L’acido solforico ha due funzioni:
Fornisce ioni solfato
Accresce l’acidità della soluzione
3Cu(s) + 2HNO3 + 3H2SO4 3CuSO4 + 2NO(g)+4H2O
Usi del Rame
Le principali proprietà del rame puro e delle
sue leghe, alle quali si devono i suoi impieghi
industriali, sono:
elevata conducibilità elettrica : utilizzato per cavi e fili conduttori,
apparecchiature elettriche.
un'eccellente conducibilità termica: utilizzato traporto di fluidi
(scambiatori di calore, pannelli solari, i caldaie, alambicchi,).
una sufficiente resistenza alla corrosione atmosferica: utilizzato
per tubazioni, rivestimenti di edifici coperture, grondaie .
buone proprietà meccaniche e lavorabilità: utilizzato in
artigianato
Monete
Il Rame nell’ambiente
Gli uomini usano ampiamente il rame, sia in industria che in
agricoltura (verderame, anticriptogamico).ed è liberato nell'ambiente
sia naturalmente sia attraverso l'attività umana.
La maggior parte dei composti di rame solubili si depositano e legano
a particelle di sedimenti dell'acqua o a particelle del terreno. I fiumi
stanno depositando sulle loro rive fango contaminato con rame, a
causa dello scarico di acque reflue contenenti rame
.
Il rame entra nell'aria, soprattutto attraverso il rilascio durante la
combustione dei combustibili fossili. Il rame presente nell'aria rimane
là per un periodo di tempo elevato, prima che di depositarsi nel
terreno quando comincia a piovere.
I composti solubili di rame costituiscono una minaccia alla salute
umana.
Effetti del Rame sulla Salute (I)
Vie di esposizione:
Il rame può essere trovato in molti tipi di alimenti, in acqua potabile ed
in aria. A causa di cio assorbiamo quantità ingenti di rame ogni
giorno mangiando, bevendo e respirando. L'assorbimento di rame è
necessario, perché il rame è un oligoelemento indispensabile per la
salute umana.
Le concentrazioni di rame nell’aria sono solitamente abbastanza basse,
quinidi l'esposizione a rame attraverso la respirazione è
trascurabile. Le persone che vivono nei pressi di fonderie o hanno
rame nell'ambiente del posto di lavoro possono avere problemi .
Effetti del Rame sulla Salute (II)
Effetti:
L'esposizione a lungo termine al rame può causare
irritazione di naso, bocca e occhi ed causare emicranie,
dolori di stomaco, stordimento, vomito e diarrea. Elevata
assunzione intenzionale di rame puo' causare danni a
fegato e reni. Se il rame sia cancerogeno non è stato
ancora stabilito.
L'esposizione di lunga durata ad alte concentrazioni di
rame e un declino nell'intelligenza nei giovani adolescenti.
L'avvelenamento cronico da rame provoca la malattia di
Wilson, caratterizzata tramite da cirrosi epatica, danni
cerebrali, demi-alienazione, disturbi renali e deposizione
di rame nella cornea.
ESPERIENZA DI LABORATORIO
Esperienza:
Reazioni del Cu(II) in Soluzione;
Reazione di Ossido-riduzione del Cu(II)
con Zn.
Obiettivo:
Osservare la chimica acquosa del Rame nei suoi aspetti
più importanti;
Condurre reazioni acido-base, di ossido-riduzione, di
complessazione in cui è coinvolto il rame nei suoi stati di
ossidazione più comuni;
Il Cu (II) in soluzione
(Le reazioni del rame)
CuSO4·5H2O
NH3(aq)
NaOH(aq)
Na2CO3
CuSO4(s)
Porre CuSO4 solido in soluzione.
La soluzione è azzurra perché tale è il
colore dello ione Cu2+ quando è pentaidrato.
Infatti, anche il solfato di rame solido
cristallizzato da acqua è azzurro perché lo
ione metallico vi è presente unito a 5
molecole. I Sali anidri sono incolori.
Versare goccia a goccia la soluzione alcalina
(NaOH 5M) nel bicchiere che contiene la
soluzione di solfato di rame. Si nota la
formazione di un corpo solido (si chiama
precipitato) costituito dal composto Cu(OH)2
(idrossido rameico, gelatinoso di colore
celeste). La reazione che avviene è:
Cu2+
+
2 OH- → Cu(OH)2(s)
L' idrossido rameico, essendo poco solubile in
acqua, precipita, cioè si separa dalla soluzione
come un solido.
Riscaldare ora la soluzione.
A mano a mano che la soluzione si riscalda, il
colore del precipitato diventa sempre più scuro
fino ad essere quasi nero.
Il precipitato è costituito da ossido rameico CuO (nero)
formatosi durante il riscaldamento secondo la reazione:
Cu(OH)2(s)
∆
→ CuO(s) + H2O
Poiché anche CuO è insolubile in acqua lo si ritrova
separato come solido.
Sciogliere
il precipitato rimasto sul filtro
versandovi goccia a goccia una soluzione di
acido cloridrico (HCl) 1M, raccogliendo in una
provetta la soluzione che cola dall'imbuto.
E’avvenuta la reazione:
CuO(S) +
2H+ →
Cu2+ + H2O
(H+ indica in breve H3O+)
La colorazione azzurra della soluzione
raccolta indica che è presente lo ione rameico
idratato.
Prendere a questo punto ancora una porzione di soluzione di
solfato rameico versandola in una provetta ed aggiungere
poco a poco del carbonato sodico. Si nota la formazione di
un precipitato color turchese costituito da carbonato
rameico basico, secondo la reazione:
2Cu2+ + 2CO32- + H2O → Cu2(OH)2CO3 + CO2
L' anidride carbonica, CO2 , sviluppandosi in soluzione,
produce effervescenza.
Prendere una parte della soluzione iniziale
di CuSO4 ed aggiungere NH3 goccia a goccia
agitando la soluzione. La soluzione apparirà
intensamente colorata di blu a causa della
formazione di un complesso dell’ammoniaca
(tetrammino) con gli ioni Cu2+.
Cu2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+(aq)
(blu intenso)
Reazioni ossido-riduttive
Aggiungere una lamina di zinco all’ interno
di una soluzione di solfato rameico.
Lasciare da parte per un'ora circa e di
tanto in tanto agitare ed osservare ciò che
accade.
CuSO4(aq)
Avviene la reazione :
Cu2+ + Zn(s)
→ Cu(s) + Zn2+
Si osserva dopo un’ora che la soluzione
è diventata incolore
poiché sono
scomparsi gli ioni Cu2+, sostituiti dagli
ioni Zn2+ incolori e si è formata una
patina di rame metallico.
Zn(s)
Precauzioni
Tutti i composti del rame devono essere
considerati tossici. Il rame metallico, in polvere, è
infiammabile.
30 grammi di solfato di rame sono potenzialmente
letali per gli esseri umani.
Il livello massimo di rame suggerito nell'acqua
potabile varia a seconda della fonte, ma in genere è
compreso fra 1.5 e 2 mg/L.
La dose complessiva giornaliera massima
tollerabile riportata dal DRI è 10 mg al giorno.
