Cuivre

Cuivre

Cu (Z = 29)

 

 Il s'agit d'une très brève introduction à l'élément cuivre. Pour en savoir plus et obtenir des données supplémentaires, consulter la sitographie, la bibliographie et les autres documents joints.

 

Le cuivre est un élément de transition. Le métal est un excellent conducteur de la chaleur et de l’électricité. Il très utilisé dans l’industrie et la distribution électriques. Les composés au degré d’oxydation II, où la sphère de coordination du cuivre est très flexible grâce à l’effet Jahn-Teller, connaissent de multiples applications, de la bouillie bordelaise à la biologie en passant par la chimie de coordination.

 

Structure électronique de l’élément à l’état fondamental

Le cuivre a pour structure électronique (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)10(4s)1 ou [Ar](3d)10(4s)1.

 

Place dans la classification périodique

Le cuivre appartient à la 4ème ligne et à la 11ème colonne de la classification périodique. C’est la première ligne des éléments de transition et la colonne des métaux « nobles » - peu réactifs -, cuivre, argent et or.

 

Abondance dans la nature

Le cuivre est peu abondant (25ème élément dans la croûte terrestre, 68 ppm) mais plus abondant que l’argent (0,005 ppm) et l’or (0,004 ppm) de numéros atomiques plus élevés. Il existe à l’état natif ou sous forme d’oxydes, de sulfures, de carbonates

 

Propriétés chimiques du métal

Le cuivre métal est peu réactif. Il s’oxyde cependant à l’état de cuivre(I) [Ar](3d)10 ou de cuivre(II) [Ar](3d)9. On peut donc s’en servir comme pièce de monnaie d’usage courant. Au contact de l’atmosphère (dioxygène, dioxyde de carbone), il donne le carbonate basique connu sous le nom de « vert de gris ». Il ne réagit pas avec les solutions acides non oxydantes. Son potentiel standard redox ((E°Cu2+/Cu = +0,34V) permet de l’utiliser dans des piles comme la pile Daniell (Cu/Zn, E=1,10V).

 

Principaux états d'oxydation

Le cuivre existe essentiellement aux degrés d’oxydation 0 (métal), +I et +II. On le trouve de manière plus rare aux degrés d’oxydation –I et, +III et +IV. Dans l’eau, le seul degré d’oxydation stable est +II, dans l’ion cuivre(II) hydraté, [Cu(H2O)6]2+ qui donne l’hydroxyde Cu(OH)2 en milieu basique. Le cuivre(III) oxyde l’eau à l’état de dioxygène et l’ion cuivre(I) se dismute dans l’eau en cuivre(0) et cuivre(II).

Cu(I) : [Ar](3d)10, diamagnétique

Cu(II) : [Ar](3d)9, paramagnétique, S=1/2,

Cu(III) : [Ar](3d)8, K3CuF6, octaédrique, paramagnétique, S=1 ; les autres dérivés de géométrie plan carré sont diamagnétiques, S=0, [Cu(III)(biuret)2]

Les degrés d’oxydation I et II donnent de très nombreux complexes de coordination et d’intérêt biologique.

Le cuivre (IV), [Ar](3d)7, est une curiosité : D. Kissel, R. Hoppe, On fluorides with tetravalent copper: Cs2[CuF6], Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1988559, 40-48.

 

Structure du métal

La structure du métal est cubique à faces centrées (a = 361.47 pm), groupe d’espace Fm3m. Ceci explique la grande malléabilité et la ductilité du métal.

 

Principaux composés

Le cuivre métallique, l’oxyde cuivreux Cu2O, l’oxyde cuivrique CuO, le sulfate de cuivre(II) CuSO4.5H2O, les oxydes supraconducteurs à haute température, par exemple YBa2Cu3O6+∂, les complexes moléculaires : Cu(II)(H2O)6, l’acétate de cuivre Cu(II)2(CH3CO2)4.2H2O, les hémocyanines, les cytochromes a et a3 (transport d’électrons), les superoxydes dismutases (Cu-Zn SOD1), les protéines bleues …

Principaux minerais

Chalcopyrite, CuFeS2, à lustre métallique et semblable à la pyrite FeS2, l’or des fous, mais un peu plus rouge. Minerai souvent peu concentré en cuivre (0,4-1%). Les chalcopyrites contiennent 50% du cuivre minéral.

Bornite (Cu5FeS4). Chalcocite, Cu2S, gris foncé. Covellite, CuS, bleu indigo, supraconducteur naturel à 1,63K … Malachite, carbonate basique, Cu(CO3)2, Cu(OH)2, vert. Groupe d’espace P 21/a; ou 2/m. L’azurite, (Cu3(CO3)2(OH)2 , la cuprite, Oxyde cuivreux, Cu2O, rouge.

Autres minéraux :

Turquoise : CuAl6(PO4)4(OH)8.4H2O, pierre précieuse bleu céleste à veinage délicat. Gisements : Mexique, Etats-Unis, Moyen Orient (Iran, Sinaï).

Et en cette année du centenaire du prix Nobel de Chimie de Marie Sklodowska Curie, un silicate, d’un joli vert, la cuprosklodowskite Cu(II)(H3O)2(UO2)2 (SiO4)2.2H2O baptisé ainsi par H. Buttenbach en 1933.

 

Principales propriétés physicochimiques

La structure électronique de l’état fondamental 3d10, 4s1 et non 3d9, 4s2 (comme le voudrait un remplissage simple des couches électroniques) est due aux répulsions inter-électroniques qui stabilisent les couches complètes ou demi-complètes qui permettent de stabiliser les couches complètes ou demi-complètes.

Electronégativité 1,9 (Pauling). Le métal est électropositif (E°Cu2+/Cu = +0,34V).

Stable dans les composés au degré d’oxydation(II). Oxydes et sulfures sont faciles à réduire à l’état métallique. Ceci explique que l’on puisse le trouver dans la nature à l’état natif. Les 10 électrons d10 écrantent mal la couche 4s et donc la première énergie d’ionisation est plus faible que pour les métaux alcalins proches : les dérivés du cuivre seront plus covalents. La structure électronique en d10 comme pour le Zn(II), permet une grande variété de géométrie des dérivés du Cuivre(I) et la structure en d9 du cuivre(II) favorise de multiples géométries par déformation de la géométrie octaédrique des complexes (t2g)6(eg)3 où la dégénérescence orbitale (eg)3 provoque nécessairement une abaissement de symétrie (effet de M.M. Jahn et Teller) dont la nature exacte est inconnue a priori et déterminée par les interactions faibles avec l’environnement, intransigeance et charme de l’effet Jahn-Teller.

Elle donne aussi sa couleur rose saumon au métal, qui évolue vers la couleur « cuivre » grâce la formation d’une couche superficielle d’oxyde. Cette couleur agréable, comme le jaune de l’or, est rare parmi les métaux (qui donnent le plus souvent un reflet gris métallique). Elle est à l’origine de l’utilisation fréquente du cuivre dans les bijoux, les colifichets ou la décoration.

 

Isotopes 

Deux isotopes naturels stables : 63Cu (69,17%, 34 neutrons)) et 65Cu (30,83%, 36 neutrons) et de nombreux isotopes artificiels de masses atomiques comprises entre 57 et 80 dont 64Cu et 67Cu.

 

Importance industrielle et économique

Le métal est très bon conducteur de l’électricité (le deuxième meilleur conducteur métallique après l’argent, 59,6×106 S·m-1). Cela est dû à l’électron 4s1 qui assure la conduction. Le cuivre est malléable et ductile, on peut facilement le mettre en forme (fils, lames, couches minces pour l’électronique). Plus dur et doté de meilleures propriétés mécaniques que l’aluminium, moins cher que l’argent, il est utilisé massivement dans l’industrie : électrique (alimentation en électricité, bobinage, moteurs …), thermique (échangeurs), et aussi dans l’aquaculture (grillages), les canalisations, l’architecture (décoration), l’électronique ... Il est utilisé comme fongicide et bactéricide. La couleur de ses dérivés (vert, bleu …) le font utiliser dans des pigments.

Il donne naissance à de nombreux alliages notamment les laitons (alliage cuivre –zinc avec 5 à 45% de zinc) et les bronzes (alliage avec l’étain, 3 à 20% d’étain) et de très nombreux autres avec divers métaux.

Le cuivre est produit à plus de 16000 tonnes par an dans le monde (Chili 34%, Pérou, Chine, Etats-Unis ...) (2010). Il est présent en général en faible pourcentage dans les minerais, qui sont traités de différentes manières s’il s’agit de sulfures, d’oxydes ou de minerais très pauvres (oxydation aidée par des bactéries - biolixiviation). Le cuivre très pur est préparé et raffiné par électrolyse. Très souvent, les minerais contiennent d’autres métaux de transition qui font l’objet d’extractions adaptées et contribuent à rentabiliser le traitement de minerais pauvres en cuivre – et la manipulation de quantités énormes de minerai. Eu égard à ses propriétés chimiques, le cuivre est facilement recyclé et purifié. La quantité recyclée est plus importante aujourd’hui que la partie extraite. Paradoxalement, ceci en fait une proie facile pour les bandits de grands chemins car le cuivre métallique est un métal familier.

Il est partout dans nos poches (tous les pièces d’euros en contiennent sous forme de plusieurs alliages – couleurs rouge, jaune, argent –), sur nos dessus de cheminées et dans nos fosses d’orchestre «  les cuivres », également sous forme d’alliages, mais « les alliages » sonnerait moins bien !, dans nos clochers bien sûr, dans nos équipements électroménagers, dans nos murs et nos plafonds et nos ordinateurs (fils), dans les rues et le long des voies ferrées … Le prix de revente est attractif … et les incidents de retard de train à la SNCF ou sur les RER parisiens sont désormais (trop ?) fréquemment attribués à des vols de cuivre conducteur ! Comme beaucoup de matières premières son prix est l’objet de grandes fluctuations dues au marché et à la spéculation …

 

Importance biologique

Le cuivre est un métal essentiel à la vie. Le corps humain en contient 100 mg - derrière le fer (2,5-4g) et le zinc (2g). La dose quotidienne recommandée est de 1,5 à 3mg. On le trouve dans l’alimentation quotidienne. Comme tout produit essentiel à faible dose, il devient mortel à forte dose (dose létale, 15 mg par kg). Une carence entraine l’anémie, un excès la maladie de Wilson.

On retrouve le cuivre (I et II) dans de nombreux systèmes biologiques où il transporte (dioxygène ou électrons) et où il catalyse : les hémocyanines (transport de dioxygène dans les mollusques), les cytochromes a et a3 (transport d’électrons) dans les chaines du vivant, les superoxydes dismutases (Cu-Zn SOD1), présentes dans pratiquement toutes les cellules d’eucaryotes – rôle antioxydant), les protéines « bleues » (centres catalytiques de très nombreuses réactions biologiques) …La couleur bleue provient dans ce cas non d’une transition d-d mais d’une transition ligang –métal (souvent cystéine-métal).

 

Histoire, Date de la mise en évidence

Le cuivre est connu depuis des temps très anciens sur des sites très différents du globe : moyen orient, amérique du nord et du sud (Pérou, Chili), … Il est l’un des trois métaux utilisés depuis le plus longtemps (avec l’or que l’on trouve à l’état natif) et le fer (d’origine météoritique). Son utilisation est attestée en Anatolie 10000-6000 ans avant JC ainsi que la réduction de ses minerais au Moyen-Orient autour des années 5000-3500 avant JC (les dates changent avec l’avancée des recherches archéologiques). La fabrication et l’utilisation du bronze – alliage cuivre-étain, autour de 12%, plus dur que le cuivre - étaient connues en Inde, Mésopotamie et en Grèce.

« L’âge du cuivre » (chalcolithique), trop bref, n’a pas fait recette, mais « l’âge du bronze » qui le suit de près est l’une des étapes métallurgiques qui ont marqué l’histoire de l’humanité et préparé l’âge du fer (le cuivre est plus facile à réduire que le fer – d’où sa présence à l’état natif). Au risque d’être iconoclaste, on peut avancer que l’histoire de l’humanité peut être suivie et redécouverte – au moins par les chimistes à l’aide du diagramme d’Ellingham DrG° = f(T) : les métaux (éléments) les plus faciles à réduire sont en haut et à gauche (Cu, Ag, Or), les plus difficiles sont de plus en plus profonds (aluminium qui a marqué le 19ème siècle et le silicium, un des repères emblématiques de notre civilisation moderne).  

Origine du nom et du symbole :

Le nom cuivre (copper en anglais, kupfer en allemand) provient du latin cuprum, évolution de aes cyprium – qui témoigne de ce que l’île de Chypre était riche de mines de cuivre et alimentait en cuivre l’empire romain. Le symbole Cu vient de cuprum (le C étant déjà utilisé par le carbone …).

 

Particularités de l'élément

Le métal est très bon conducteur de l’électricité (le deuxième meilleur conducteur métallique après l’argent. Cela est dû à l’électron 4s1 qui participe essentiellement à la conduction. Malléable et ductile, on peut facile le mettre en forme (fils, lames, couches minces). Plus dur et de meilleures propriétés mécaniques que l’aluminium il est utilisé massivement dans l’industrie l’électrique et thermique et dans de très nombreux objets de la vie courante. Ses dérivés de degrés d’oxydation I et II sont de géométrie variable et suffisamment de géométries flexibles pour être utilisés dans de nombreux domaines, y compris biologiques, faisant du cuivre un oligo-élément essentiel à la vie.

 

Le cuivre en un clin d'œil

 

Nom : Cuivre

Symbole : Cu

Numéro atomique : 29

Masse atomique : 63,546

Etat standard : métal à 298 K

Couleur du métal, rose saumon ; de l’ion Cu(II) hydraté: bleu.

dans la classification périodique

Groupe : 11

Nom du groupe : métaux nobles

Période : 4

Bloc : bloc des éléments d

Classification : métallique

 

en savoir davantage :

Sur le site de la SCF (Société chimique de France) le cuivre est le produit du jour du 22 mars 2011 et le 24 mars, le produit du jour est le sulfate de cuivre  

http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/

http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/cuivre.html (22 mars)

http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/sulfate-de-cuivre.html  (24 mars)

Bibliographie

Sitographie 

Images du cuivre

Le cuivre dans la BD

Dernières informations : SCF en ligne 2012 n°5

Une poupée russe moléculaire

Dans la matriochka élaborée par Thomas Fässler de la TU Munich, une capsule de douze

atomes de cuivre enveloppe un seul atome d'étain. Mais, la capsule de cuivre elle-même

est enveloppée par 20 atomes additionnels d'étain. Ce « bronze » possède une grande

surface interne qui pourrait en faire un catalyseur pour le transfert d'hydrogène et

d'autres applications.

Plus d'informations à J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19758–19768 (dx.doi.org/10.1021/ja205934p).

 

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