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| General | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Nombre, símbolo, número | Cobre, Cu, 29 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie química | Metal de transición | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, periodo, bloque | 11 , 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidad, dureza Mohs | 8920 kg/m³, 3,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Apariencia | Metálico, cobrizo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masa atómica | 63,536 uma | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio medio† | 135 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio atómico calculado | 145 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | 138 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio de Van der Waals | 140 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electrónica | [Ar]3d104s¹ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación (óxido) | 2,1 (levemente básico) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | Cúbica centrada en las caras | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estado de la materia | Sólido (ferromagnético) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de fusión | 1357,6 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de ebullición | 2840 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Entalpía de vaporización | 300,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Entalpía de fusión | 13,05 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Presión de vapor | 0,0505 Pa a 1358 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidad del sonido | 3570 m/s a 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Información diversa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | 1,9 (Pauling) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor específico | 380 J/(kg•K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad eléctrica | 59,6 x 106 S/m ≈ 1,6778 x 10-8 Ω•m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad térmica | 401 W/(m•K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1° potencial de ionización | 745,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2° potencial de ionización | 1957,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3° potencial de ionización | 3555 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4° potencial de ionización | 5536 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isótopos más estables | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. †Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El cobre es un elemento químico, de símbolo Cu y número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo que junto con la plata y el oro forman la llamada familia del cobre. Es un metal conocido desde el Neolítico. Una de sus mejores propiedades físicas es que es muy buen conductor de la electricidad, lo cual junto a su gran ductilidad lo hacen la materia prima que más se utiliza para fabricar cables eléctricos.
- El cobre es un metal duradero y reciclable de forma indefinida sin llegar a perder sus propiedades mecánicas. Después del acero y del aluminio es el metal más consumido en el mundo. Su empleo en las economías mundiales en el año 2000 se estima que fue de 20 millones de toneladas, de las cuales el 25% procedían de chatarras recicladas.
- El cobre posee buenas propiedades mecánicas tanto puro como en las aleaciones que forma y por esa causa tiene gran variedad de aplicaciones técnicas.
- La conductividad eléctrica del cobre merece especial mención por ser la adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como base de la norma IACS.[1]
Historia
El cobre en la antigüedad
El cobre es uno de los pocos metales que se encuentran en la naturaleza en estado "nativo", es decir, como metal directamente aprovechable. Por ello fue uno de los primeros en ser utilizado por el ser humano. Los otros metales nativos son el oro, el platino, la plata y el hierro de los meteoritos.
Se han encontrado utensilios de cobre nativo de en torno a 7000 adC en Çayönü Tepesí (actual Turquía) y en Irak. El cobre de Çayönü Tepesí fue recocido pero el proceso aun no estaba perfeccionado. En esta época los hombres de Oriente Próximo también utilizaban carbonatos de cobre (malaquita y azurita) con motivos ornamentales.
De en torno al quinto milenio adC datan los primeros crisoles que permitían producir cobre metálico a partir de carbonatos, reduciéndolos con carbón. Es el inicio de la llamada Edad del Cobre, apareciendo crisoles en toda la zona entre los Balcanes e Irán, incluyendo Egipto. Se han encontrado pruebas de la explotación de minas de carbonatos de cobre desde épocas muy antiguas tanto en Tracia (Ai Bunar) como en la península del Sinaí.
Hacia el 3500 adC la producción de cobre en Europa entró en declive, por el agotamiento de los yacimientos de carbonatos. Por esta época se produjo la irrupción desde el este de unos pueblos, genéricamente denominados kurganes, que portaban una nueva tecnología: el cobre arsenical. Esta tecnología, quizás desarrollada en Oriente Próximo o en el Cáucaso, permitía obtener cobre mediante la oxidación de sulfuro de cobre. Para evitar que el cobre se oxidase, se añadía arsénico al mineral. El cobre arsenical (a veces llamado también "bronce arsenical") era más cortante que el cobre anterior y además podía obtenerse de los muy abundantes yacimientos de sulfuros. Uniéndolo a la también nueva tecnología del molde de dos piezas, que permitía la producción en masa de objetos, los kurganes se equiparon de hachas de guerra y se extendieron rápidamente.
Ötzi, el cadáver hallado en los Alpes y datado hacia el 3300 adC, llevaba un hacha de cobre muy puro, con un 0.22% de arsénico. De en torno a esta época data también el yacimiento de Los Millares (Almería, España), activo centro metalúrgico cercano a las minas de cobre de la sierra de Gádor.
No se sabe cómo ni dónde alguien tuvo la idea de añadir estaño al cobre, produciendo el primer bronce. Debió ser un descubrimiento imprevisto porque el estaño es más blando que el cobre y sin embargo al añadirlo el bronce podía endurecerse más y los filos se conservaban más tiempo. Fue el comienzo de la Edad del Bronce, fechado en torno a 3000 adC para Oriente Próximo, 2500 adC para Troya y el Danubio y 2000 adC para China. Durante muchos siglos el bronce tuvo un papel protagonista, cobrando gran importancia los yacimientos de estaño, a menudo alejados de los grandes centros urbanos de esta época.
El declive del bronce sólo empezó cuando, hacia el 1000 adC, surgió en Oriente Próximo una nueva tecnología que posibilitó la producción de hierro metálico a partir de minerales. Hubo también zonas del mundo donde nunca llegó a utilizarse el bronce, por ejemplo el África Subsahariana, que pasó directamente del Neolítico a la Edad del Hierro.
El cobre y el bronce durante la Edad del Hierro
La mayor parte del cobre romano vino de la isla de Chipre[cita requerida], que ellos llamaron Cyprium y de la cual derivó la palabra Cuprum dando origen a Cu como símbolo químico del cobre.
La propiedad del cobre, del bronce y el latón, para resistir la corrosión hizo que estos metales permanecieran no sólo como decorativos, sino también como funcionales, durante la Edad Media y los sucesivos siglos de la revolución industrial, hasta nuestros días.
La Revolución Industrial
El cobre inició su protagonismo en el desarrollo industrial del mundo en 1831, cuando Faraday descubrió el generador eléctrico. Desde entonces la demanda por él ha crecido en forma muy notable.
Durante gran parte del siglo XIX Gran Bretaña fue el mayor productor de cobre del mundo, pero la importancia que el metal rojo adquiría cada día motivó la apertura de nuevas minas en otros países, Estados Unidos, Chile y posteriormente África, superándose en 1911 el millón de toneladas de cobre fino.
Con el aumento de todas las ramas de la actividad humana que siguió a la revolución industrial, se descubrieron nuevos e importantes usos para el cobre y los adelantos logrados en metalurgia permitieron producir numerosas y nuevas aleaciones de este metal, incrementándose sus campos de aplicación.
Isótopos
En la naturaleza se encuentran 2 isótopos estables Cu-63 y Cu-65, siendo el más ligero el más abundante (69,17%). Se han caracterizado hasta el momento 25 isótopos radiactivos de los cuales, los más estables son el Cu-67, Cu-64 y Cu-61 con periodos de semidesintegración de 61,83 horas, 12,70 horas y 3,333 horas respectivamente. Los demás radioisótopos, con masas atómicas desde 54,966 uma (Cu-55) a 78,955 uma (Cu-79), tienen periodos de semidesintegración inferiores a 23,7 minutos y la mayoría no alcanzan los 30 segundos. Los isótopos Cu-68 y Cu-70 presentan estados metaestables con un periodo de semidesintegración mayor al del estado fundamental.
Los isótopos más ligeros que el Cu-63 estable se desintegran principalmente por emisión beta positiva, originando isótopos de níquel, mientras que los más pesados que el isótopo Cu-65 estable se desintegran por emisión beta negativa dando lugar a isótopos de cinc. El isótopo Cu-64 se desintegra generando Zn-64, por captura electrónica y emisión beta positiva en un 69% y por desintegración beta negativa genera Ni-64 en el 31% restante. [2]
Características del cobre
Características físicas
Entre las características físicas del cobre se tienen las siguientes:
- Es un metal de transición, cuya densidad o peso específico es de 8920 kg/m3 .
- Tiene un punto de fusión de 1083ºC (1356 aprox. K).
- El peso atómico del cobre es de 63,54.
- Es de color rojizo.
- Buen conductor del calor.
- Después de la plata es el de mayor conductividad eléctrica.
- Material abundante en la Naturaleza.
- Material fácil y barato de reciclar de forma indefinida.
- Forma aleaciónes para mejorar las prestaciones mecánicas.
- Resistente a la corrosión y oxidación.
Características mecánicas
Entre las características mecánicas del cobre se tienen las siguientes:
- De fácil mecanizado.
- Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
- Muy dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos muy finos.
- Material blando.Escala de Mohs 3. Resistencia en tracción 25-30 kg/mm2.
- Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
- Material soldable.
- Permite tratamiento térmico. Temple y recocido.
- En general sus propiedades mejoran con las bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas.
Características químicas
En la mayoría de sus compuestos el cobre presenta estados de oxidación bajos, siendo el más común el +2, aunque también hay algunos con estado de oxidación +1.
- Expuesto al aire, el color rojo salmón inicial se torna rojo violeta por la formación de óxido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse posteriormente por la formación de óxido cúprico (CuO).La coloración azul del Cu+2 se debe a la formación del ion hexacuobre[Cu(oh2)6]+2].
- Expuesto largamente al aire húmedo forma una capa adherente e impermeable de carbonato básico de color verde, característico de sus sales, denominada «cardenillo» («pátina» en el caso del bronce) que es venenoso. Cuando se empleaban cacerolas de cobre para la cocción de alimentos no eran infrecuentes las intoxicaciones ya que si se dejan enfriar en la misma cacerola se originan óxidos por la acción de los ácidos de la comida que contaminan los alimentos.
- Los halógenos atacan con facilidad al cobre especialmente en presencia de humedad; en seco el cloro y el bromo no producen efecto y el flúor sólo le ataca a temperaturas superiores a 500°C. Los oxiácidos atacan al cobre, aprovechándose dicha circunstancia para emplearlos como decapantes (ácido sulfúrico) y abrillantadores (ácido nítrico). Con el azufre forma un sulfuro (CuS) de color negro.
- El óxido de cobre se disuelve en ácido cítrico limpiando, lustrando el metal y formando citrato de cobre, si se vuelve a utilizar el ácido cítrico luego de limpiar el cobre para limpiar el plomo, el plomo se bañara de una capa externa de citrato de cobre y plomo que le da un color rojizo y negro.
Tipos de cobres
Los tipos de cobre actualmente comercializados son los siguientes:[3]
- Cobre electrolítico Cu-a1, (Cu ETP: Electrolic Tough Pitch). Pureza mínima 99,90% de Cu, 200 a 400 ppm de O. Conductividad eléctrica en estado recocido de 100 IACS.
- Cobre térmico, (refinado a fuego), Cu-a2: Cu-FRHC (Fire Refined High Conductivity). Es semejante en composición y conductividad eléctrica al Cu-a1, pero contiene mayor cantidad de impurezas como Se, Te y Pb.
- Cobre térmico, Cu-a3 (Cu-FRTP: Fire Refined Tough Pitch). Es menos puro que el Cu-a2, composición mínima de cobre 99,85% de Cu y su conductividad no está garantizada.
- Cobres desoxidados. Pueden ser cobres refinados electrolíticamente o térmicamente. La desoxidación se logra en la fundición agregando fósforo en forma de fosfuro de cobre. La desoxidación elimina la fragilización en atmósferas reductoras de alta temperatura, teniendo además, buena soldabilidad. El exceso de fósforo queda disuelto en solución sólida en el cobre, produciendo una fuerte reducción de la conductividad eléctrica. Hay dos tipos de cobre con contenido mínimo de 99,90%, los cuales se nombran a continuación:
- Cobre Cu-b1 (Cu-DHP: desoxidado con fósforo y alto fósforo residual). Contiene 130 a 500 ppm de P con una conductividad eléctrica de 70 a 90 IACS. Se utiliza en tuberías de cobre y en planchas para techumbres.
- Cobre Cu-b2 (Cu-DLP: desoxidado con fósforo y bajo fósforo residual). Contiene 40 a 120 ppm de P y una conductividad eléctrica de 85 a 98 IACS. Se usa en soportes de componentes eléctricos.
- Cobres libres de oxígeno. Estos se producen a partir de cobre electrolítico y se funden en hornos de atmósfera inerte o con desoxidante en cantidades muy controladas. Tienen alta conductividad eléctrica, alta deformabilidad e insensibilidad a las atmósferas reductoras. Son característicos del cobre libre de oxígeno los siguientes tipos:
- Cobre Cu-c1 (Cu-OF: Oxigen Free). Contenido mínimo de Cu es de 99,95%, poseen una conductividad eléctrica, una vez recocido, de 100 IACS.
- Cobre Cu-c2 (Cu-OFE: Oxigen Free Electronic Grade). Contenido mínimo de Cu es de 99,99%, poseen una conductividad eléctrica, una vez recocido, de 101 IACS.
Aleaciones de cobre
Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee una resistencia muy baja a la tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el cobre adquiere características mecánicas muy superiores.
Hay varios tipos de aleaciones, las más conocidas son las siguientes:
- Los cobres débilmente aleados son aquellos que contienen un porcentaje inferior a 3% de algún elemento añadido para mejorar alguna de las características del cobre como por ejemplo cuando se le añade plomo (Pb) para mejorar su mecanizado.
Las dos aleaciones más importantes son el latón y el bronce
Latón
El latón es una aleación de cobre y zinc, además de otros metales. El latón tiene un color amarillo brillante, con gran parecido al oro y por eso se utiliza mucho en joyería conocida como bisutería, y elementos decorativos.
El latón es blando, fácil de mecanizar, grabar y fundir. Es altamente resistente al ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos.
Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 30-45% de zinc, y se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y candelabros.
Bronce
Tradicionalmente el bronce es una aleación de cobre y estaño, aunque ya se incorporan varios metales en los diversos tipos de bronce que existen en al actualidad. Los tipos de bronce más conocidos son: bronce fucustán, bronce fosforoso, bronces de campana.
Dependiendo de los porcentajes del estaño, se obtienen bronces de distintas propiedades. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un producto de máxima dureza (usado en el pasado para la fabricación de espadas y cañones).
El bronce que contiene entre 17-20% de estaño tiene alta calidad de sonido, ideal para la elaboración de campanas, y sobre un 27%, una óptima propiedad de pulido y reflexión (utilizado en la Antigüedad para la fabricación de espejos).
En la actualidad, las aleaciones de bronce se usan en la fabricación de bujes, cojinetes y descansos, entre otras piezas de maquinaria pesada, y como resortes en aplicaciones eléctricas
- Todas las aleaciones de cobre son altamente resistentes al ataque atmosférico, pero para la exposición a la intemperie son preferibles las que contienen más de 80% de cobre (o el cobre mismo) a causa de su resistencia al agrietamiento por esfuerzos introducidos en la elaboración.
Tratamiento térmico del cobre
- Recocido: El cobre duro recocido se presenta muy bien para operaciones en frío como son: doblado, estampado y embutido. El recocido se produce calentando el cobre o el latón a una temperatura adecuado en un horno eléctrico de atmósfera controlada, y luego se deja enfriar al aire. Hay que procurar no superar la temperatura de recocido porque entonces se quema el cobre y se torna quebradizo y queda inutilizado.
- Refinado: Se trata de un proceso controlado de oxidación seguida de una reducción cuyo objeto es volatizar o reducir a escorias todas las impurezas contenidas en el cobre con el fin de obtener cobre de gran pureza.
- Temple: Tanto el latón como el cobre admiten temple para aumentar su dureza y tenacidad. El proceso es mezclar cobre fundido con un porcentaje del 3 al 5% de óxido de manganeso.[4]
Aplicaciones y usos del cobre
Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, el uso industrial del cobre es muy elevado. Es un material importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado un recurso estratégico en situaciones de conflicto.
Cobre no metálico
El sulfato de cobre (II) también conocido como sulfato cúprico es el compuesto de cobre de mayor importancia industrial y se emplea como abono y pesticida en agricultura, algicida en la depuración del agua y como conservante de la madera
Sulfato de cobre está especialmente elaborado para suplir funciones principales del cobre en la planta, en el campo de las enzimas: Oxidazas del ácido ascórbico, polifenol, citocromo, etc. También forma parte de la plastocianina contenida en los cloroplastos y que participa en la cadena de transferencia de electrones de la fotosíntesis. Su absorción se realiza mediante un proceso activo metabólicamente. Prácticamente, no es afectado por la competencia de otros catiónes. Por el contrario, afecta a los demás cationes. Este producto puede ser aplicado a todo tipo de cultivo y en cualquier zona climática en condiciones.[5]
Cobre metálico
El cobre o sus aleaciones se utiliza tanto con un gran nivel de pureza en torno al 100%, como si es aleado con otros metales. El cobre puro se emplea principalmente en la fabricación de cables eléctricos.[6] .
Los principales usos industriales de las aleaciones metálicas de cobre son:
- Acuñación de monedas.[7]
- Azulejos y componentes de Cerámica decorativa.
- Bisutería.
- Bombillas y tubos fluorescentes.
- Calderería.
- Circuitos integrados.
- Electroimanes.
- Estatuas y ornamentos.
- Instrumentos musicales de viento.
- Interruptores eléctricos y enchufes.
- Radiadores de automóviles.
- Sistemas de calefacción y aire acondicionado.
- Transmisión eléctrica.
- Fontanería[8]
- Microondas.
- Motores eléctricos.
- El cobre, el bronce y latón son aptos para los diversos tratamientos de dorado y plateado
- Diferentes y variados componentes de todo tipo de maquinaria. Casquillos, cojinetes, embellecedores, etc.
Aunque la invención de la metalurgia del cobre para ornamentación se remonta al tercer milenio adC., el trabajo con cobre y con sus aleaciones se mantiene presente (2007) en diversas maneras, distintas técnicas y expresiones. Sus manifestaciones estan presentes desde el trabajo con el metal incandescente empleando martillo y yunque -oficio el cual continúa siendo parte de una tradición familiar transmitida a través de los años en algunas comunidades (y el que provee un resultado que puede ser admirado en artesanías creadas o en productos prácticos hechos con este metal, como lo son los cazos, cucharones o platos)-, hasta elementos arquitectónicos en obras de renombre mundial.
Algunas construcciones que emplean el cobre al exterior reciben una cubierta para proteger el material de la oxidación.
Procesos industriales del cobre
Minería del cobre
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