Università degli Studi di Napoli Federico II
S.I.C.S.I. VII ciclo
Corso di Chimica degli elementi nell’ambiente
RAME
Prof. S. Andini
Classe di riferimento: terzo anno di un istituto tecnico per chimici
Prerequisiti: conoscenza della proprietà della tavola periodica; stati di
aggregazione della materia e passaggi di stato; legami chimici
intermolecolari e intramolecolari; struttura elettronica degli atomi;
reticoli cristallini semplici; energia di ionizzazione; reazioni chimiche di
ossido-riduzione; equilibrio chimico; elettrolisi
Obiettivi: conoscenza delle proprietà chimico- fisiche del rame;
della sua disponibilità in natura e del suo ottenimento; delle principali
applicazioni; degli effetti sulla salute
Cu
Metallo appartenente agli elementi di
transizione
rame
Proprietà del rame
Elemento
Simbolo
Num.
atomico
Peso
atomico
Temp.
fusione °C
Temp.
ebollizione °C
Rame
Cu
29
63,55
1083
2567
Gruppo 1B: Cu, Ag, Au
Configurazione elettronica gruppo 1B
(n-1) d10 n s1
Configurazione elettronica gruppo 1A
n s1
Poca somiglianza chimica e fisica con i metalli alcalini
Potenziale di prima ionizzazione più elevati del gruppo 1A
(a causa del minor effetto schermante del sottolivello d rispetto al p)
Poco reattivi, resistenti agli agenti atmosferici: Metalli nobili
Stati ossidazione rame
Il rame forma due serie di composti chimici: i composti rameosi nei quali
presenta stato di ossidazione +1, e quelli rameici in cui ha stato di
ossidazione +2.
Lo stato di ossidazione +1 è instabile in soluzione acquosa
2 Cu+ (aq) = Cu2+ (aq) + Cu (s)
Keq =1,2 · 106
i composti del Cu+ in acqua sono sali poco solubili (CuCl, CuCN)
incolori.
del Cu+ sono da ricordare anche l’ossido Cu2O (dal colore rossiccio)
e il solfuro Cu2S (dal colore nero). Possono essere ottenuti per
combinazione diretta degli elementi ad alta temperatura: sono
insolubili in acqua.
Il rame (II)
Lo stato di ossidazione +2 è quello più importante per il rame.
Sali rameici si sciolgono in acqua formando una soluzione azzurra
perché tale è il colore dello ione Cu2+ quando è circondato da acqua.
Es. solfato di rame CuSO4·5H2O noto anche come verderame ed
usato come anti-parassitario in viticoltura.
composti del Cu2+ insolubili sono Cu(OH)2, che per riscaldamento
perde acqua formando l’ossido CuO nero.
Cu(OH)2(s)
CuO(s) + H2O(l)
Disponibilità
Il rame si trova quasi sempre sotto forma di minerali e molto più
raramente allo stato nativo sotto forma di pepite.
Le principali miniere sono situate
lungo la Cordigliera delle Ande e le
Montagne Rocciose: i principali Paesi
estrattori sono il Cile, il Perù, gli
Stati Uniti, l'Indonesia, l'Australia;
altre importanti miniere si trovano in
Canada , Paesi ex-URSS, Polonia e
Finlandia.
Alcune tra le principali miniere sono a cielo aperto.
Minerali del rame
A base di zolfo
calcopirite
CuFeS2
tetragonale a
corpo
centrato
calcocite
Cu2S
monoclino
bornite
Cu5FeS4
cubico
covellite
CuS
esagonale
Minerali del rame
A base di ossigeno
cuprite
Cu2O
azzurrite
Cu3(CO3)2(OH)2
tetragonale
malachite
Cu2(CO3)(OH)2
Metallurgia estrattiva
Attuazione dei processi che permettono di ottenere un metallo dai suoi
giacimenti minerari (minerali solforati)
Estrazione in miniera
Frantumazione e macinazione
Flottazione
Arrostimento
Raffinazione elettrolitica
Flottazione
La flottazione è un processo mediante il
quale il minerale è separato da materiale
indesiderato (GANGA)
La sospensione acquosa del minerale
solforato macinato viene posto in un
recipiente dove viene fatta gorgogliare aria
sotto agitazione. L’aggiunta di talune
sostanze chimiche (flottanti) favorisce la
formazione di una schiuma, alle cui
bollicine si legano le particelle di minerale
desiderato
I flottanti sono molecole che posseggono una estremità polare che si lega alla
superficie del minerale, e una porzione apolare che si protende verso l’esterno
impedendo l’acqua di avvicinarsi.
O
Es. etilxantato di potassio
C2H5
Estremità apolare
K+
Estremità polare
O=C
S-
Arrostimento
È un trattamento termico durante il quale avvengono reazioni
con i costituenti l’atmosfera del forno.
I solfuri vengono dapprima parzialmente ossidati allo stato fuso:
Cu2S + 3/2O2 = Cu2O + SO2
per consentire la reazione:
2Cu2O + Cu2S
calore
6Cu + SO2
In questo modo si diminuisce così la quantità di zolfo presente sfruttando
la sua più elevata affinità chimica con l'ossigeno rispetto al rame
Raffinazione elettrolitica
Il rame grezzo ottenuto da questi trattamenti è impuro perché
contiene Ag, Au, Fe, Ni, Sb. Esso viene purificato per via
elettrochimica.
CELLA ELETTROCHIMICA
Anodo (+): rame impuro, cioè rame ottenuto dai trattamenti
precedenti
Catodo (-): rame puro
Soluzione elettrolitica: solfato di rame
Applicando alla cella la tensione
sufficiente il rame si trasferisce
dall’anodo al catodo. Il rame
metallico all’anodo si ossida formando
Cu2+ che al catodo si riduce
formando rame metallico puro.
Pertanto gli anodi si disciolgono e i
catodi si ispessiscono.
i metalli più ossidabili del rame (Fe, Ni) non si depositano al catodo e
restano in soluzione
i metalli meno ossidabili (Ag, Au) non passano in soluzione e precipitano
sotto forma di fanghiglia
I FANGHI ANODICI CHE CONTENGONO METALLI PESANTI
VENGONO POI LAVORATI A PARTE E IL LORO VALORE COPRE
TUTTE LE SPESE DI RAFFINAZIONE DEL RAME
Caratteristiche chimico-fisiche
Il rame è un metallo
rossastro con una struttura
cristallina cubica con facce
centrate
È malleabile, duttile ed e' un
conduttore estremamente buono
sia di calore che di elettricità
Applicazioni
Il rame, essendo un metallo nobile trova largo impiego in diversi campi, in
particolare:
trasporto dell'energia elettrica (maggiore applicazione
60%).
trasporto dell’acqua potabile, gas combustibili, acqua
per il riscaldamento e fluidi per condizionamento e
refrigerazione.
usato dagli artigiani, dagli artisti e dai designer per il
suo colore e la sua facile lavorabilità che lo rendono
adatto per molti usi ornamentali.
strumenti musicali.
monete.
…
Leghe
Il rame ha una spiccatissima tendenza a
formare leghe. A seconda del tipo di metallo
aggiunto e della sua percentuale si otterrà un
prodotto con particolari caratteristiche.
La famiglia più numerosa è quella degli ottoni,
costituiti da rame e zinco, con quantità di
quest’ultimo che possono arrivare fino al 40%.
Un’altra famiglia di leghe molto
importante è quella dei bronzi, ottenuti
da rame e stagno, caratterizzati da un
ottima lavorabilità a freddo e a caldo,
da resistenza meccanica e alla
corrosione.
Il rame è usato anche
per la produzione di
monete in lega
soprattutto con il nichel.
Il rame nell’ambiente
Il rame può essere scaricato nell'ambiente sia da sorgenti naturali che da
attività umane
Esempi di fonti naturali sono polvere soffiata dal
vento, erosione di rocce e spruzzi del mare
L’uomo contribuisce usando sali di rame (come
fungicidi) in agricoltura, nelle vernici e nelle
industrie.
Si ritrova nell’acqua potabile come conseguenza di
infiltrazioni di scarichi industriali e di corrosione
delle tubature. I fiumi stanno depositando sulle loro
rive fango contaminato con rame, a causa dello
scarico di acque reflue contenenti rame.
Riciclo
Il rame e' riciclabile pressoche' al 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.
L’elevato riciclo dei rottami rende
praticamente trascurabile il contributo del
rame all’incremento costante dei rifiuti
solidi e industriali.
Il rame è la materia prima di cui l’Italia dispone
maggiormente, pur non possedendo miniere. Questo
contribuisce a ridurre la dipendenza dalle
importazioni.
Rame negli Alimenti
Una dieta ricca di rame include crostacei, noci, fegato, legumi,
piselli, funghi e cioccolato. Pollo e riso sono relativamente poveri in
rame, ma essendo consumati in quantità più alta possono dare un
contributo significativo.
L’acqua potabile contiene rame: la quantità dipende dalle falde e dai
suoli dai quali proviene.
Il fabbisogno giornaliero di rame si aggira dal milligrammo in su.
Alle donne in gravidanza o in allattamento ne viene raccomandata
una quantità maggiore.
Ecco la quantità di rame (in µg/Kg) contenuta in alcuni cibi:
Rame e salute
Il rame è indispensabile per un buono stato di
salute: estremamente utile per lo sviluppo dei
bambini, per la robustezza delle ossa, la formazione
dei globuli rossi e bianchi, il trasporto del ferro, il
metabolismo del colesterolo e del glucosio, la
contrazione dei muscoli del cuore e lo sviluppo del
cervello.
Una carenza di rame, al contrario, può provocare
problemi di salute come anemia, problemi cardiaci e
circolatori, anomalie nello sviluppo osseo nonché
complicazioni nel funzionamento dei sistemi nervosi, dei
polmoni, della tiroide, del pancreas e reni.
Il rame fornisce un importantissimo contributo all’igiene pubblica:
possiede naturale proprietà batteriostatiche e pertanto, le tubazioni
degli impianti idraulici in rame sono in grado di prevenire la
proliferazione degli organismi patogeni nell'acqua potabile
