Cobre

El cobre es un elemento químico de símbolo Cu (del latín: cuprum) y número atómico 29. Es un metal blando, maleable y dúctil con una conductividad térmica y eléctrica muy alta. Una superficie recién expuesta de cobre puro tiene un color naranja rosado. El cobre se utiliza como conductor del calor y la electricidad, como material de construcción y como componente de diversas aleaciones metálicas, como la plata esterlina utilizada en joyería, el cuproníquel utilizado para fabricar monedas y ferretería marina, y el constantán utilizado en galgas extensométricas y termopares. para la medición de la temperatura.

El cobre es uno de los pocos metales que pueden existir en la naturaleza en una forma metálica utilizable directamente (metales nativos). Esto condujo a un uso humano muy temprano en varias regiones, desde alrededor del año 8000 a. Miles de años después, fue el primer metal que se fundió a partir de minerales de sulfuro, alrededor del año 5000 a. C.; el primer metal en ser fundido en una forma en un molde, c. 4000 aC; y el primer metal en ser aleado deliberadamente con otro metal, estaño, para crear bronce, c. 3500 a.C.

En la época romana, el cobre se extraía principalmente en Chipre, origen del nombre del metal, de aes cyprium (metal de Chipre), luego corrompido a cuprum (latín). Coper (inglés antiguo) y cobre se derivaron de esto, la ortografía posterior se usó por primera vez alrededor de 1530.

Los compuestos que se encuentran comúnmente son las sales de cobre (II), que a menudo imparten colores azules o verdes a minerales como la azurita, la malaquita y la turquesa, y se han utilizado ampliamente e históricamente como pigmentos.

El cobre utilizado en edificios, generalmente para techos, se oxida para formar un cardenillo verde (o pátina). El cobre se usa a veces en el arte decorativo, tanto en su forma de metal elemental como en compuestos como pigmentos. Los compuestos de cobre se utilizan como agentes bacteriostáticos, fungicidas y conservantes de la madera.

El cobre es esencial para todos los organismos vivos como oligoelemento dietético porque es un componente clave del complejo de enzimas respiratorias citocromo c oxidasa. En moluscos y crustáceos, el cobre es un constituyente del pigmento sanguíneo hemocianina, reemplazado por la hemoglobina complejada con hierro en peces y otros vertebrados. En los seres humanos, el cobre se encuentra principalmente en el hígado, los músculos y los huesos. El cuerpo adulto contiene entre 1,4 y 2,1 mg de cobre por kilogramo de peso corporal.

Características

Físico

El cobre, la plata y el oro están en el grupo 11 de la tabla periódica; estos tres metales tienen un electrón orbital s encima de una capa llena de electrones d y se caracterizan por una alta ductilidad y conductividad eléctrica y térmica. Las capas d rellenas de estos elementos contribuyen poco a las interacciones interatómicas, que están dominadas por los electrones s a través de enlaces metálicos. A diferencia de los metales con capas d incompletas, los enlaces metálicos en el cobre carecen de carácter covalente y son relativamente débiles. Esta observación explica la baja dureza y la alta ductilidad de los monocristales de cobre.A escala macroscópica, la introducción de defectos extendidos en la red cristalina, como los límites de grano, dificulta el flujo del material bajo tensión aplicada, lo que aumenta su dureza. Por esta razón, el cobre se suele suministrar en forma policristalina de grano fino, que tiene mayor resistencia que las formas monocristalinas.

La suavidad del cobre explica en parte su alta conductividad eléctrica (59,6 × 10 S/m) y alta conductividad térmica, la segunda más alta (solo superada por la plata) entre los metales puros a temperatura ambiente. Esto se debe a que la resistividad al transporte de electrones en los metales a temperatura ambiente se origina principalmente por la dispersión de electrones en las vibraciones térmicas de la red, que son relativamente débiles en un metal blando. La densidad de corriente máxima permisible del cobre al aire libre es de aproximadamente 3,1 × 10 A/m de área transversal, por encima de la cual comienza a calentarse excesivamente.

El cobre es uno de los pocos elementos metálicos con un color natural que no sea gris o plateado. El cobre puro es de color rojo anaranjado y adquiere un deslustre rojizo cuando se expone al aire. El color característico del cobre resulta de las transiciones electrónicas entre las capas atómicas 3d llenas y las 4s medio vacías; la diferencia de energía entre estas capas corresponde a la luz naranja.

Al igual que con otros metales, si el cobre se pone en contacto con otro metal, se producirá corrosión galvánica.

Químico

El cobre no reacciona con el agua, pero reacciona lentamente con el oxígeno atmosférico para formar una capa de óxido de cobre marrón-negro que, a diferencia del óxido que se forma en el hierro en el aire húmedo, protege el metal subyacente de una mayor corrosión (pasivación). Una capa verde de cardenillo (carbonato de cobre) a menudo se puede ver en estructuras de cobre antiguas, como el techo de muchos edificios antiguos y la Estatua de la Libertad. El cobre se empaña cuando se expone a algunos compuestos de azufre, con los que reacciona para formar varios sulfuros de cobre.

Isótopos

Hay 29 isótopos de cobre. Cu y Cu son estables, con Cu comprendiendo aproximadamente el 69% del cobre natural; ambos tienen un giro de ³ ⁄ ₂. Los otros isótopos son radiactivos, siendo el más estable el Cu con una vida media de 61,83 horas. Se han caracterizado siete isótopos metaestables; Cu es el más longevo con una vida media de 3,8 minutos. Los isótopos con un número de masa superior a 64 se descomponen en β, mientras que aquellos con un número de masa inferior a 64 se descomponen en β. Cu, que tiene una vida media de 12,7 horas, se desintegra en ambos sentidos.

Cu y Cu tienen aplicaciones significativas. Cu se utiliza en Cu-PTSM como trazador radiactivo para la tomografía por emisión de positrones.

Ocurrencia

El cobre se produce en estrellas masivas y está presente en la corteza terrestre en una proporción de unas 50 partes por millón (ppm). En la naturaleza, el cobre se encuentra en una variedad de minerales, incluido el cobre nativo, los sulfuros de cobre como la calcopirita, la bornita, la digenita, la covellita y la calcocita, las sulfosales de cobre como la tetrahedita-tenantita y la enargita, los carbonatos de cobre como la azurita y la malaquita, y como óxidos de cobre (I) o cobre (II) como cuprita y tenorita, respectivamente. La mayor masa de cobre elemental descubierta pesó 420 toneladas y se encontró en 1857 en la península de Keweenaw en Michigan, EE. UU. El cobre nativo es un policristal, con el cristal único más grande jamás descrito que mide 4,4 × 3,2 × 3,2 cm.El cobre es el vigésimo quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando 50 ppm en comparación con 75 ppm de zinc y 14 ppm de plomo.

Las concentraciones de fondo típicas de cobre no superan 1 ng/m3 en la atmósfera; 150 mg/kg en suelo; 30 mg/kg en vegetación; 2 μg/L en agua dulce y 0,5 μg/L en agua de mar.

Producción

La mayor parte del cobre se extrae o se extrae como sulfuro de cobre de grandes minas a cielo abierto en depósitos de pórfido de cobre que contienen de 0,4 a 1,0 % de cobre. Los sitios incluyen Chuquicamata, en Chile, la mina Bingham Canyon, en Utah, Estados Unidos, y la mina El Chino, en Nuevo México, Estados Unidos. Según el Servicio Geológico Británico, en 2005, Chile era el principal productor de cobre con al menos un tercio de la participación mundial, seguido por Estados Unidos, Indonesia y Perú. El cobre también se puede recuperar a través del proceso de lixiviación in situ. Varios sitios en el estado de Arizona se consideran candidatos principales para este método. La cantidad de cobre en uso está aumentando y la cantidad disponible es apenas suficiente para permitir que todos los países alcancen los niveles de uso del mundo desarrollado.Una fuente alternativa de cobre para la recolección que se está investigando actualmente son los nódulos polimetálicos, que se encuentran en las profundidades del Océano Pacífico, aproximadamente entre 3000 y 6500 metros bajo el nivel del mar. Estos nódulos contienen otros metales valiosos como el cobalto y el níquel.

Reservas y precios

El cobre ha estado en uso durante al menos 10 000 años, pero más del 95 % de todo el cobre extraído y fundido se ha extraído desde 1900. Al igual que con muchos recursos naturales, la cantidad total de cobre en la Tierra es enorme, con alrededor de 10 toneladas en el kilómetro superior de la corteza terrestre, que tiene un valor de unos 5 millones de años al ritmo actual de extracción. Sin embargo, solo una pequeña fracción de estas reservas es económicamente viable con los precios y tecnologías actuales. Las estimaciones de las reservas de cobre disponibles para la minería varían de 25 a 60 años, según los supuestos básicos, como la tasa de crecimiento. El reciclaje es una fuente importante de cobre en el mundo moderno.Debido a estos y otros factores, el futuro de la producción y el suministro de cobre es objeto de mucho debate, incluido el concepto de pico del cobre, análogo al pico del petróleo.

Históricamente, el precio del cobre ha sido inestable y aumentó desde el mínimo en 60 años de US$0,60/lb (US$1,32/kg) en junio de 1999 a $3,75 por libra ($8,27/kg) en mayo de 2006. Bajó a $2,40 /lb ($5,29/kg) en febrero de 2007, luego se recuperó a $3,50/lb ($7,71/kg) en abril de 2007. En febrero de 2009, el debilitamiento de la demanda mundial y una fuerte caída en los precios de las materias primas desde los máximos del año anterior dejaron los precios del cobre en $1,51 /lb ($3.32/kg). Entre septiembre de 2010 y febrero de 2011, el precio del cobre subió de £5.000 la tonelada métrica a £6.250 la tonelada métrica.

Métodos

La concentración de cobre en los minerales promedia solo 0.6%, y la mayoría de los minerales comerciales son sulfuros, especialmente calcopirita (CuFeS ₂), bornita (Cu ₅ FeS ₄) y, en menor medida, covelita (CuS) y calcocita (Cu ₂ S). Por el contrario, la concentración promedio de cobre en los nódulos polimetálicos se estima en 1,3%. Los métodos de extracción de cobre y otros metales que se encuentran en estos nódulos incluyen la lixiviación sulfúrica, la fundición y la aplicación del proceso Cuprion. Los minerales que se encuentran en minerales terrestres se concentran a partir de minerales triturados hasta un nivel de 10 a 15 % de cobre mediante flotación por espuma o biolixiviación.El calentamiento de este material con sílice en la fundición instantánea elimina gran parte del hierro como escoria. El proceso aprovecha la mayor facilidad de convertir sulfuros de hierro en óxidos, que a su vez reaccionan con la sílice para formar la escoria de silicato que flota sobre la masa calentada. La mata de cobre resultante, que consiste en Cu ₂ S, se tuesta para convertir los sulfuros en óxidos:2 Cu ₂ S + 3 O ₂ → 2 Cu ₂ O + 2 SO ₂

El óxido cuproso reacciona con el sulfuro cuproso para convertirse en cobre ampollado al calentarse:2 Cu ₂ O + Cu ₂ S → 6 Cu + 2 SO ₂

El proceso de mate de Sudbury convirtió solo la mitad del sulfuro en óxido y luego usó este óxido para eliminar el resto del azufre como óxido. Luego se refinaba electrolíticamente y el lodo del ánodo se explotaba por el platino y el oro que contenía. Este paso aprovecha la reducción relativamente fácil de óxidos de cobre a cobre metálico. Se sopla gas natural a través de la ampolla para eliminar la mayor parte del oxígeno restante y se realiza electrorrefinación en el material resultante para producir cobre puro:Cu + 2 e → CuDiagrama de flujo de la refinación de cobre (planta de fundición de ánodos de Uralelektromed)

1. Blíster de cobre
2. Fundición
3. horno de reverbero
4. Eliminación de escoria
5. Fundición de cobre de ánodos.
6. Rueda de fundición
7. Máquina de eliminación de ánodos
8. Despegue de ánodos
9. vagones de tren
10. Transporte a la casa del tanque.

Reciclaje

Al igual que el aluminio, el cobre es reciclable sin pérdida de calidad, tanto en estado bruto como en productos manufacturados. En volumen, el cobre es el tercer metal más reciclado después del hierro y el aluminio. Se estima que el 80% de todo el cobre jamás extraído todavía está en uso hoy. Según el informe Existencias de metales en la sociedad del Panel Internacional de Recursos, las existencias mundiales per cápita de cobre en uso en la sociedad son de 35 a 55 kg. Gran parte de esto se encuentra en países más desarrollados (140 a 300 kg per cápita) en lugar de países menos desarrollados (30 a 40 kg per cápita).

El proceso de reciclaje de cobre es aproximadamente el mismo que se usa para extraer cobre, pero requiere menos pasos. La chatarra de cobre de alta pureza se funde en un horno y luego se reduce y se moldea en palanquillas y lingotes; la chatarra de menor pureza se refina mediante galvanoplastia en un baño de ácido sulfúrico.

Aleaciones

Se han formulado numerosas aleaciones de cobre, muchas con usos importantes. El latón es una aleación de cobre y zinc. El bronce generalmente se refiere a las aleaciones de cobre y estaño, pero puede referirse a cualquier aleación de cobre como el bronce al aluminio. El cobre es uno de los constituyentes más importantes de las soldaduras de plata y oro de quilates utilizadas en la industria de la joyería, modificando el color, la dureza y el punto de fusión de las aleaciones resultantes. Algunas soldaduras sin plomo consisten en estaño aleado con una pequeña proporción de cobre y otros metales.

La aleación de cobre y níquel, denominada cuproníquel, se utiliza en monedas de baja denominación, a menudo para el revestimiento exterior. La moneda estadounidense de cinco centavos (actualmente denominada moneda de cinco centavos) consta de un 75 % de cobre y un 25 % de níquel en una composición homogénea. Antes de la introducción del cuproníquel, que fue ampliamente adoptado por los países en la segunda mitad del siglo XX, también se usaban aleaciones de cobre y plata, y en los Estados Unidos se usaba una aleación de 90 % de plata y 10 % de cobre hasta 1965, cuando La plata en circulación se eliminó de todas las monedas con la excepción del medio dólar; estas se degradaron a una aleación de 40% de plata y 60% de cobre entre 1965 y 1970.La aleación de 90 % de cobre y 10 % de níquel, notable por su resistencia a la corrosión, se usa para varios objetos expuestos al agua de mar, aunque es vulnerable a los sulfuros que a veces se encuentran en puertos y estuarios contaminados. Las aleaciones de cobre con aluminio (alrededor del 7%) tienen un color dorado y se utilizan en la decoración. Shakudō es una aleación decorativa japonesa de cobre que contiene un bajo porcentaje de oro, típicamente del 4 al 10%, que se puede patinar a un color azul oscuro o negro.

Compuestos

El cobre forma una rica variedad de compuestos, generalmente con estados de oxidación +1 y +2, que a menudo se denominan cuproso y cúprico, respectivamente. Los compuestos de cobre, ya sean complejos orgánicos u organometálicos, promueven o catalizan numerosos procesos químicos y biológicos.

Compuestos binarios

Al igual que con otros elementos, los compuestos más simples de cobre son compuestos binarios, es decir, aquellos que contienen solo dos elementos, siendo los principales ejemplos los óxidos, sulfuros y haluros. Se conocen tanto los óxidos cuprosos como los cúpricos. Entre los numerosos sulfuros de cobre, ejemplos importantes incluyen sulfuro de cobre (I) y sulfuro de cobre (II).

Se conocen haluros cuprosos con flúor, cloro, bromo y yodo, así como haluros cúpricos con flúor, cloro y bromo. Los intentos de preparar yoduro de cobre (II) producen solo yoduro de cobre (I) y yodo.2 Cu + 4 I → 2 Cu I + I ₂

Química de coordinación

El cobre forma complejos de coordinación con ligandos. En solución acuosa, el cobre(II) existe como [Cu(H₂O)₆]. Este complejo exhibe la tasa de intercambio de agua más rápida (velocidad de unión y separación de ligandos de agua) para cualquier complejo acuoso de metal de transición. La adición de hidróxido de sodio acuoso provoca la precipitación de hidróxido de cobre (II) sólido de color azul claro. Una ecuación simplificada es:Cu + 2 OH → Cu(OH) ₂

El amoníaco acuoso da como resultado el mismo precipitado. Al agregar un exceso de amoníaco, el precipitado se disuelve y forma tetraaminocobre (II):Cu(H₂O)₄(OH)_{2+ 4} NH3 → [Cu(H₂O)₂(NUEVA HAMPSHIRE₃)₄]+ 2 H ₂ O + 2 OH

Muchos otros oxianiones forman complejos; estos incluyen acetato de cobre (II), nitrato de cobre (II) y carbonato de cobre (II). El sulfato de cobre (II) forma un pentahidrato cristalino azul, el compuesto de cobre más familiar en el laboratorio. Se utiliza en un fungicida llamado caldo bordelés.

Los polioles, compuestos que contienen más de un grupo funcional alcohólico, generalmente interactúan con las sales cúpricas. Por ejemplo, las sales de cobre se utilizan para probar azúcares reductores. Específicamente, usando el reactivo de Benedict y la solución de Fehling, la presencia del azúcar se señala mediante un cambio de color de azul Cu(II) a óxido de cobre(I) rojizo. El reactivo de Schweizer y los complejos relacionados con etilendiamina y otras aminas disuelven la celulosa. Los aminoácidos forman complejos de quelatos muy estables con el cobre (II). Existen muchas pruebas de química húmeda para iones de cobre, una que involucra ferrocianuro de potasio, que da un precipitado marrón con sales de cobre (II).

Química organocobre

Los compuestos que contienen un enlace carbono-cobre se conocen como compuestos organocobres. Son muy reactivos con el oxígeno para formar óxido de cobre (I) y tienen muchos usos en química. Se sintetizan mediante el tratamiento de compuestos de cobre (I) con reactivos de Grignard, alquinos terminales o reactivos de organolitio; en particular, la última reacción descrita produce un reactivo de Gilman. Estos pueden sufrir sustitución con haluros de alquilo para formar productos de acoplamiento; como tales, son importantes en el campo de la síntesis orgánica. El acetiluro de cobre (I) es muy sensible a los golpes, pero es un intermediario en reacciones como el acoplamiento de Cadiot-Chodkiewicz y el acoplamiento de Sonogashira. Adición conjugada a enonas y carbocupración de alquinostambién se puede lograr con compuestos organocobres. El cobre (I) forma una variedad de complejos débiles con alquenos y monóxido de carbono, especialmente en presencia de ligandos de amina.

Cobre(III) y cobre(IV)

El cobre (III) se encuentra con mayor frecuencia en óxidos. Un ejemplo simple es el cuprato de potasio, KCuO ₂, un sólido azul-negro. Los compuestos de cobre (III) más estudiados son los superconductores de cuprato. El óxido de itrio, bario y cobre (YBa ₂ Cu ₃ O ₇) consta de centros de Cu(II) y Cu(III). Al igual que el óxido, el fluoruro es un anión muy básico y se sabe que estabiliza los iones metálicos en estados de oxidación elevados. Se conocen fluoruros de cobre (III) e incluso de cobre (IV), K ₃ CuF ₆ y Cs ₂ CuF ₆, respectivamente.

Algunas proteínas de cobre forman complejos oxo, que también contienen cobre (III). Con los tetrapéptidos, los ligandos de amida desprotonados estabilizan los complejos de cobre (III) de color púrpura.

Los complejos de cobre (III) también se encuentran como productos intermedios en las reacciones de los compuestos orgánicos de cobre. Por ejemplo, en la reacción de Kharasch-Sosnovsky.

Historia

Una cronología del cobre ilustra cómo este metal ha hecho avanzar a la civilización humana durante los últimos 11.000 años.

Prehistórico

Edad del Cobre

El cobre se presenta naturalmente como cobre metálico nativo y fue conocido por algunas de las civilizaciones más antiguas registradas. La historia del uso del cobre data del año 9000 aC en el Medio Oriente; se encontró un colgante de cobre en el norte de Irak que data del 8700 a. La evidencia sugiere que el oro y el hierro meteórico (pero no el hierro fundido) fueron los únicos metales utilizados por los humanos antes del cobre. Se cree que la historia de la metalurgia del cobre sigue esta secuencia: primero, el trabajo en frío del cobre nativo, luego el recocido, la fundición y, finalmente, la fundición a la cera perdida. En el sureste de Anatolia, las cuatro técnicas aparecen más o menos simultáneamente a principios del Neolítico c. 7500 a.C.

La fundición de cobre se inventó de forma independiente en diferentes lugares. Probablemente se descubrió en China antes del 2800 a. C., en América Central alrededor del 600 d. C. y en África occidental alrededor del siglo IX o X d. C. La fundición de inversión se inventó entre 4500 y 4000 a. C. en el sudeste asiático y la datación por carbono ha establecido la minería en Alderley Edge en Cheshire, Reino Unido, entre 2280 y 1890 a. Ötzi the Iceman, un varón que data del 3300 al 3200 a. C., fue encontrado con un hacha con una cabeza de cobre con una pureza del 99,7%; los altos niveles de arsénico en su cabello sugieren una participación en la fundición de cobre. La experiencia con el cobre ha ayudado al desarrollo de otros metales; en particular, la fundición de cobre condujo al descubrimiento de la fundición de hierro.La producción en el Old Copper Complex en Michigan y Wisconsin está fechada entre el 6000 y el 3000 a. El bronce natural, un tipo de cobre elaborado a partir de minerales ricos en silicio, arsénico y (rara vez) estaño, se generalizó en los Balcanes alrededor del año 5500 a.

Edad de Bronce

La aleación de cobre con estaño para hacer bronce se practicó por primera vez unos 4000 años después del descubrimiento de la fundición del cobre, y unos 2000 años después de que el "bronce natural" se generalizara. Los artefactos de bronce de la cultura Vinča datan del 4500 a. Los artefactos sumerios y egipcios de aleaciones de cobre y bronce datan del 3000 a.La Edad del Bronce comenzó en el sureste de Europa alrededor del 3700-3300 a. C., en el noroeste de Europa alrededor del 2500 a. Terminó con el comienzo de la Edad del Hierro, 2000-1000 a. C. en el Cercano Oriente y 600 a. C. en el norte de Europa. La transición entre el período Neolítico y la Edad del Bronce se denominó anteriormente período Calcolítico (cobre-piedra), cuando las herramientas de cobre se usaban con herramientas de piedra. El término ha caído gradualmente en desgracia porque en algunas partes del mundo, el Calcolítico y el Neolítico son colindantes en ambos extremos. El latón, una aleación de cobre y zinc, es de origen mucho más reciente. Era conocido por los griegos, pero se convirtió en un importante complemento del bronce durante el Imperio Romano.

Antiguo y posclásico

En Grecia, el cobre se conocía con el nombre de chalkos (χαλκός). Fue un recurso importante para los romanos, griegos y otros pueblos antiguos. En la época romana, se conocía como aes Cyprium, siendo aes el término latino genérico para las aleaciones de cobre y Cyprium de Chipre, donde se extraía mucho cobre. La frase se simplificó a cuprum, de ahí el cobre inglés. Afrodita (Venus en Roma) representó el cobre en la mitología y la alquimia por su belleza brillante y su antiguo uso en la producción de espejos; Chipre, la fuente del cobre, estaba sagrada para la diosa. Los siete cuerpos celestes conocidos por los antiguos estaban asociados con los siete metales conocidos en la antigüedad, y Venus se asignó al cobre, tanto por la conexión con la diosa como porque Venus era el cuerpo celeste más brillante después del Sol y la Luna y por lo tanto correspondía a el metal más lustroso y deseable después del oro y la plata.

El cobre se extrajo por primera vez en la antigua Gran Bretaña ya en el año 2100 a. La minería en la mayor de estas minas, Great Orme, continuó hasta finales de la Edad del Bronce. La minería parece haberse restringido en gran medida a los minerales supergénicos, que eran más fáciles de fundir. Los ricos depósitos de cobre de Cornualles parecen haber permanecido prácticamente intactos, a pesar de la extensa extracción de estaño en la región, probablemente por razones sociales y políticas más que tecnológicas.

En América del Norte, la minería del cobre comenzó con trabajos marginales de los nativos americanos. Se sabe que el cobre nativo se extrajo de sitios en Isle Royale con herramientas de piedra primitivas entre 800 y 1600. La metalurgia del cobre estaba floreciendo en América del Sur, particularmente en Perú alrededor del año 1000 d.C. Se han descubierto adornos funerarios de cobre del siglo XV, pero la producción comercial del metal no comenzó hasta principios del siglo XX.

El papel cultural del cobre ha sido importante, particularmente en la moneda. Los romanos entre los siglos VI y III a. C. usaban trozos de cobre como dinero. Al principio, se valoraba el cobre en sí, pero gradualmente la forma y el aspecto del cobre se volvieron más importantes. Julio César tenía sus propias monedas hechas de latón, mientras que las monedas de Octavio Augusto César estaban hechas de aleaciones de Cu-Pb-Sn. Con una producción anual estimada en torno a las 15.000 t, las actividades romanas de extracción y fundición del cobre alcanzaron una escala insuperable hasta la época de la Revolución Industrial; las provincias más intensamente minadas fueron las de Hispania, Chipre y Europa Central.

Las puertas del Templo de Jerusalén utilizaron bronce corintio tratado con dorado empobrecido. El proceso fue más frecuente en Alejandría, donde se cree que comenzó la alquimia. En la India antigua, el cobre se usaba en la ciencia médica holística Ayurveda para instrumentos quirúrgicos y otros equipos médicos. Los antiguos egipcios (~2400 a. C.) usaban cobre para esterilizar heridas y beber agua, y más tarde para tratar dolores de cabeza, quemaduras y picazón.

Moderno

La Gran Montaña de Cobre fue una mina en Falun, Suecia, que operó desde el siglo X hasta 1992. Satisfizo dos tercios del consumo de cobre de Europa en el siglo XVII y ayudó a financiar muchas de las guerras de Suecia durante ese tiempo. Se le conocía como el tesoro de la nación; Suecia tenía una moneda respaldada por cobre.

El cobre se usa en techos, moneda y para la tecnología fotográfica conocida como daguerrotipo. El cobre se usó en la escultura renacentista y se usó para construir la Estatua de la Libertad; el cobre se sigue utilizando en la construcción de varios tipos. El recubrimiento de cobre y el revestimiento de cobre se utilizaron ampliamente para proteger los cascos submarinos de los barcos, una técnica iniciada por el Almirantazgo británico en el siglo XVIII. La Norddeutsche Affinerie en Hamburgo fue la primera planta de galvanoplastia moderna y comenzó su producción en 1876. El científico alemán Gottfried Osann inventó la pulvimetalurgia en 1830 mientras determinaba la masa atómica del metal; por entonces se descubrió que la cantidad y el tipo de elemento de aleación (p. ej., estaño) con el cobre afectaría a los tonos de las campanas.

Durante el aumento de la demanda de cobre para la Era de la Electricidad, desde la década de 1880 hasta la Gran Depresión de la década de 1930, Estados Unidos produjo entre un tercio y la mitad del cobre recién extraído del mundo. Los principales distritos incluyeron el distrito de Keweenaw del norte de Michigan, principalmente depósitos de cobre nativo, que fue eclipsado por los vastos depósitos de sulfuro de Butte, Montana a fines de la década de 1880, que a su vez fue eclipsado por depósitos de pórfido del suroeste de los Estados Unidos, especialmente en Bingham Canyon. Utah y Morenci, Arizona. La introducción de la minería a cielo abierto con palas de vapor y las innovaciones en fundición, refinación, concentración por flotación y otros pasos de procesamiento llevaron a la producción en masa. A principios del siglo XX, Arizona ocupó el primer lugar, seguido de Montana, luego Utah y Michigan.

La fundición flash fue desarrollada por Outokumpu en Finlandia y se aplicó por primera vez en Harjavalta en 1949; el proceso de eficiencia energética representa el 50% de la producción de cobre primario del mundo.

El Consejo Intergubernamental de Países Exportadores de Cobre, formado en 1967 por Chile, Perú, Zaire y Zambia, operó en el mercado del cobre como lo hace la OPEP en el petróleo, aunque nunca logró la misma influencia, particularmente porque el segundo mayor productor, Estados Unidos, nunca fue miembro; se disolvió en 1988.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones del cobre son cables eléctricos (60%), techado y plomería (20%) y maquinaria industrial (15%). El cobre se utiliza principalmente como metal puro, pero cuando se requiere mayor dureza, se incorpora a aleaciones como el latón y el bronce (5% del uso total). Durante más de dos siglos, la pintura de cobre se ha utilizado en los cascos de los barcos para controlar el crecimiento de plantas y mariscos. Una pequeña parte del suministro de cobre se utiliza para suplementos nutricionales y fungicidas en la agricultura. El mecanizado de cobre es posible, aunque se prefieren las aleaciones por su buena maquinabilidad en la creación de piezas complejas.

Alambre y cable

A pesar de la competencia de otros materiales, el cobre sigue siendo el conductor eléctrico preferido en casi todas las categorías de cableado eléctrico, excepto en la transmisión de energía eléctrica aérea, donde a menudo se prefiere el aluminio. El alambre de cobre se utiliza en la generación de energía, transmisión de energía, distribución de energía, telecomunicaciones, circuitos electrónicos e innumerables tipos de equipos eléctricos. El cableado eléctrico es el mercado más importante para la industria del cobre. Esto incluye el cableado de energía estructural, el cable de distribución de energía, el cable de electrodomésticos, el cable de comunicaciones, el alambre y el cable para automóviles y el alambre magnético. Aproximadamente la mitad de todo el cobre extraído se utiliza para conductores de cables y alambres eléctricos.Muchos dispositivos eléctricos dependen del cableado de cobre debido a su multitud de propiedades beneficiosas inherentes, como su alta conductividad eléctrica, resistencia a la tracción, ductilidad, resistencia a la fluencia (deformación), resistencia a la corrosión, baja expansión térmica, alta conductividad térmica, facilidad de soldadura, maleabilidad y facilidad de instalación.

Durante un breve período, desde finales de la década de 1960 hasta finales de la década de 1970, el cableado de cobre fue reemplazado por cableado de aluminio en muchos proyectos de construcción de viviendas en Estados Unidos. El nuevo cableado estuvo implicado en varios incendios domésticos y la industria volvió al cobre.

Electrónica y dispositivos relacionados

Los circuitos integrados y las placas de circuito impreso presentan cada vez más cobre en lugar de aluminio debido a su conductividad eléctrica superior; Los disipadores de calor y los intercambiadores de calor usan cobre debido a sus propiedades superiores de disipación de calor. Los electroimanes, los tubos de vacío, los tubos de rayos catódicos y los magnetrones de los hornos de microondas utilizan cobre, al igual que las guías de ondas para la radiación de microondas.

Motor electrico

La conductividad superior del cobre mejora la eficiencia de los motores eléctricos. Esto es importante porque los motores y los sistemas accionados por motores representan entre el 43 % y el 46 % de todo el consumo mundial de electricidad y el 69 % de toda la electricidad utilizada por la industria. El aumento de la masa y la sección transversal del cobre en una bobina aumenta la eficiencia del motor. Los rotores de motor de cobre, una nueva tecnología diseñada para aplicaciones de motores donde el ahorro de energía es un objetivo de diseño principal, permiten que los motores de inducción de uso general cumplan y superen los estándares de eficiencia premium de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA).

Producción de energía renovable

Las fuentes de energía renovables como la solar, eólica, mareomotriz, hidráulica, de biomasa y geotérmica se han convertido en sectores importantes del mercado energético. El rápido crecimiento de estas fuentes en el siglo XXI ha sido impulsado por el aumento de los costos de los combustibles fósiles, así como por los problemas de impacto ambiental que redujeron significativamente su uso.

El cobre juega un papel importante en estos sistemas de energía renovable. El uso de cobre promedia hasta cinco veces más en los sistemas de energía renovable que en la generación de energía tradicional, como las plantas de energía nuclear y de combustibles fósiles. Dado que el cobre es un excelente conductor térmico y eléctrico entre los metales de ingeniería (solo superado por la plata), los sistemas eléctricos que utilizan cobre generan y transmiten energía con alta eficiencia y con impactos ambientales mínimos.

Al elegir conductores eléctricos, los planificadores e ingenieros de instalaciones tienen en cuenta los costos de inversión de capital de los materiales frente a los ahorros operativos debido a sus eficiencias de energía eléctrica durante su vida útil, más los costos de mantenimiento. Al cobre a menudo le va bien en estos cálculos. Un factor llamado "intensidad de uso de cobre" es una medida de la cantidad de cobre necesaria para instalar un megavatio de nueva capacidad de generación de energía.

Al planificar una nueva instalación de energía renovable, los ingenieros y especificadores de productos buscan evitar la escasez de suministro de materiales seleccionados. Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos, las reservas de cobre subterráneo han aumentado más del 700 % desde 1950, de casi 100 millones de toneladas a 720 millones de toneladas en 2017, a pesar de que el uso mundial de refinado se ha más que triplicado en los últimos 50 años.. Se estima que los recursos de cobre superan los 5.000 millones de toneladas.

Reforzando el suministro de la extracción de cobre está el hecho de que más del 30 por ciento del cobre instalado durante la última década provino de fuentes recicladas. Su tasa de reciclaje es más alta que la de cualquier otro metal.Este artículo analiza el papel del cobre en varios sistemas de generación de energía renovable.

Arquitectura

El cobre se ha utilizado desde la antigüedad como material arquitectónico duradero, resistente a la corrosión y resistente a la intemperie. Los techos, tapajuntas, canaletas de lluvia, bajantes, cúpulas, chapiteles, bóvedas y puertas se han fabricado con cobre durante cientos o miles de años. El uso arquitectónico del cobre se ha ampliado en los tiempos modernos para incluir revestimientos de paredes interiores y exteriores, juntas de expansión de edificios, blindaje de radiofrecuencia y productos antimicrobianos y decorativos para interiores, como atractivos pasamanos, accesorios de baño y encimeras. Algunos de los otros beneficios importantes del cobre como material arquitectónico incluyen bajo movimiento térmico, peso ligero, protección contra rayos y reciclabilidad.

La distintiva pátina verde natural del metal ha sido codiciada durante mucho tiempo por arquitectos y diseñadores. La pátina final es una capa particularmente duradera que es altamente resistente a la corrosión atmosférica, protegiendo así el metal subyacente contra la intemperie adicional. Puede ser una mezcla de compuestos de carbonato y sulfato en varias cantidades, según las condiciones ambientales, como la lluvia ácida que contiene azufre. El cobre arquitectónico y sus aleaciones también se pueden 'acabar' para que adquieran un aspecto, tacto o color particular. Los acabados incluyen tratamientos superficiales mecánicos, coloración química y recubrimientos.

El cobre tiene excelentes propiedades de soldadura fuerte y blanda y se puede soldar; los mejores resultados se obtienen con la soldadura por arco metálico con gas.

Antibioincrustación

El cobre es bioestático, lo que significa que las bacterias y muchas otras formas de vida no crecerán en él. Por esta razón, se ha utilizado durante mucho tiempo para revestir partes de barcos para protegerlos contra percebes y mejillones. Originalmente se usó puro, pero desde entonces ha sido reemplazado por pintura a base de cobre y metal Muntz. De manera similar, como se discutió en las aleaciones de cobre en la acuicultura, las aleaciones de cobre se han convertido en materiales de malla importantes en la industria de la acuicultura porque son antimicrobianos y evitan la bioincrustación, incluso en condiciones extremas, y tienen fuertes propiedades estructurales y resistentes a la corrosión en ambientes marinos.

Antimicrobiano

Las superficies táctiles de aleación de cobre tienen propiedades naturales que destruyen una amplia gama de microorganismos (p. ej., E. coli O157:H7, Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA), Staphylococcus, Clostridium difficile, virus de la influenza A, adenovirus, SARS-Cov-2 y hongos). Los indios han estado utilizando recipientes de cobre desde la antigüedad para almacenar agua, incluso antes de que la ciencia moderna se diera cuenta de sus propiedades antimicrobianas. Se demostró que algunas aleaciones de cobre eliminan más del 99,9 % de las bacterias que causan enfermedades en solo dos horas cuando se limpian regularmente.La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) ha aprobado los registros de estas aleaciones de cobre como “materiales antimicrobianos con beneficios para la salud pública”; esa aprobación permite a los fabricantes hacer afirmaciones legales sobre los beneficios para la salud pública de los productos fabricados con aleaciones registradas. Además, la EPA ha aprobado una larga lista de productos de cobre antimicrobiano fabricados con estas aleaciones, como barandas de cama, pasamanos, mesas de cama, lavabos, grifos, perillas de puertas, accesorios para inodoros, teclados de computadora, equipos de gimnasios y carritos de compras. manijas (para obtener una lista completa, consulte: Superficies táctiles antimicrobianas de aleación de cobre # Productos aprobados). Los hospitales utilizan picaportes de cobre para reducir la transmisión de enfermedades, y la enfermedad del legionario se suprime con tuberías de cobre en los sistemas de plomería.Los productos de aleación de cobre antimicrobianos ahora se están instalando en instalaciones de atención médica en el Reino Unido, Irlanda, Japón, Corea, Francia, Dinamarca y Brasil, además de solicitarse en los EE. UU. y en el sistema de transporte subterráneo en Santiago, Chile, donde Se instalaron pasamanos de aleación de cobre y zinc en unas 30 estaciones entre 2011 y 2014. Las fibras textiles se pueden mezclar con cobre para crear telas protectoras antimicrobianas.

Inversión especulativa

El cobre puede utilizarse como una inversión especulativa debido al aumento previsto en el uso del crecimiento de la infraestructura mundial y el importante papel que tiene en la producción de turbinas eólicas, paneles solares y otras fuentes de energía renovable. Otra razón por la que se pronostica un aumento de la demanda es el hecho de que los autos eléctricos contienen un promedio de 3,6 veces más cobre que los autos convencionales, aunque se debate el efecto de los autos eléctricos sobre la demanda de cobre. Algunas personas invierten en cobre a través de acciones mineras de cobre, ETF y futuros. Otros almacenan cobre físico en forma de barras o rondas de cobre, aunque tienden a tener una prima más alta en comparación con los metales preciosos. Aquellos que quieren evitar las primas de los lingotes de cobre, alternativamente almacenan alambre de cobre viejo, tubería de cobre o centavos estadounidenses fabricados antes de 1982.

La medicina popular

El cobre se usa comúnmente en joyería y, según algunas leyendas, las pulseras de cobre alivian los síntomas de la artritis. En un ensayo de osteoartritis y un ensayo de artritis reumatoide, no se encontraron diferencias entre el brazalete de cobre y el brazalete de control (sin cobre). Ninguna evidencia muestra que el cobre pueda ser absorbido a través de la piel. Si lo fuera, podría provocar envenenamiento por cobre.

Ropa de compresión

Recientemente, algunas prendas de compresión con cobre entretejido se han comercializado con declaraciones de propiedades saludables similares a las de la medicina popular. Debido a que la ropa de compresión es un tratamiento válido para algunas dolencias, la ropa puede tener ese beneficio, pero el cobre agregado puede no tener ningún beneficio más allá del efecto placebo.

Degradación

Chromobacterium violaceum y Pseudomonas fluorescens pueden movilizar cobre sólido como un compuesto de cianuro. Los hongos micorrízicos ericoides asociados con Calluna, Erica y Vaccinium pueden crecer en suelos metalíferos que contienen cobre. El hongo ectomicorrícico Suillus luteus protege a los pinos jóvenes de la toxicidad del cobre. Se encontró una muestra del hongo Aspergillus niger creciendo a partir de una solución de extracción de oro y se encontró que contenía cianocomplejos de metales como oro, plata, cobre, hierro y zinc. El hongo también juega un papel en la solubilización de sulfuros de metales pesados.

Rol biológico

Bioquímica

Las proteínas de cobre tienen diversas funciones en el transporte biológico de electrones y oxígeno, procesos que aprovechan la fácil interconversión de Cu(I) y Cu(II). El cobre es esencial en la respiración aeróbica de todos los eucariotas. En las mitocondrias, se encuentra en la citocromo c oxidasa, que es la última proteína en la fosforilación oxidativa. La citocromo c oxidasa es la proteína que une el O ₂ entre un cobre y un hierro; la proteína transfiere 8 electrones a la molécula de O ₂ para reducirla a dos moléculas de agua. El cobre también se encuentra en muchas superóxido dismutasas, proteínas que catalizan la descomposición de los superóxidos convirtiéndolos (por desproporción) en oxígeno y peróxido de hidrógeno:

• Cu -SOD + O ₂ → Cu -SOD + O ₂ (reducción de cobre; oxidación de superóxido)
• Cu -SOD + O ₂ + 2H → Cu -SOD + H ₂ O ₂ (oxidación de cobre; reducción de superóxido)

La proteína hemocianina es el transportador de oxígeno en la mayoría de los moluscos y algunos artrópodos como el cangrejo herradura (Limulus polyphemus). Debido a que la hemocianina es azul, estos organismos tienen sangre azul en lugar de la sangre roja de la hemoglobina a base de hierro. Estructuralmente relacionadas con la hemocianina están las lacasas y las tirosinasas. En lugar de unirse reversiblemente al oxígeno, estas proteínas hidroxilan los sustratos, lo que se ilustra por su papel en la formación de lacas. El papel biológico del cobre comenzó con la aparición del oxígeno en la atmósfera terrestre. Varias proteínas de cobre, como las "proteínas de cobre azul", no interactúan directamente con los sustratos; por lo tanto, no son enzimas. Estas proteínas retransmiten electrones mediante el proceso llamado transferencia de electrones.

Se ha encontrado un centro de cobre tetranuclear único en la óxido nitroso reductasa.

Los compuestos químicos que se desarrollaron para el tratamiento de la enfermedad de Wilson se han investigado para su uso en la terapia del cáncer.

Nutrición

El cobre es un oligoelemento esencial en plantas y animales, pero no en todos los microorganismos. El cuerpo humano contiene cobre a un nivel de alrededor de 1,4 a 2,1 mg por kg de masa corporal.

Absorción

El cobre se absorbe en el intestino y luego se transporta al hígado unido a la albúmina. Después de procesarse en el hígado, el cobre se distribuye a otros tejidos en una segunda fase, en la que interviene la proteína ceruloplasmina, que transporta la mayor parte del cobre en la sangre. La ceruloplasmina también transporta el cobre que se excreta en la leche y se absorbe particularmente bien como fuente de cobre. El cobre en el cuerpo normalmente se somete a circulación enterohepática (alrededor de 5 mg al día, frente a aproximadamente 1 mg por día absorbido en la dieta y excretado del cuerpo), y el cuerpo puede excretar algo de cobre en exceso, si es necesario, a través de la bilis, que transporta algo de cobre fuera del hígado que luego no es reabsorbido por el intestino.

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM, por sus siglas en inglés) actualizó los requisitos promedio estimados (EAR, por sus siglas en inglés) y las cantidades dietéticas recomendadas (RDA, por sus siglas en inglés) para el cobre en 2001. Si no hay información suficiente para establecer los EAR y las RDA, se utiliza una estimación denominada Ingesta adecuada (AI, por sus siglas en inglés). en cambio. Los AI para el cobre son: 200 μg de cobre para machos y hembras de 0 a 6 meses, y 220 μg de cobre para machos y hembras de 7 a 12 meses. Para ambos sexos, las dosis diarias recomendadas de cobre son: 340 μg de cobre para niños de 1 a 3 años, 440 μg de cobre para niños de 4 a 8 años, 700 μg de cobre para niños de 9 a 13 años, 890 μg de cobre para niños de 14 a 8 años. 18 años y 900 μg de cobre para mayores de 19 años. Para el embarazo, 1.000 μg. Para la lactancia, 1.300 μg.En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del cobre la UL se establece en 10 mg/día. En conjunto, las EAR, RDA, AI y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia.

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores dietéticos de referencia, con Ingesta de referencia de la población (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para mujeres y hombres mayores de 18 años, los IA se establecen en 1,3 y 1,6 mg/día, respectivamente. La IA para el embarazo y la lactancia es de 1,5 mg/día. Para niños de 1 a 17 años, los IA aumentan con la edad de 0,7 a 1,3 mg/día. Estos AI son más altos que los RDA de EE. UU. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria revisó la misma cuestión de seguridad y fijó su UL en 5 mg/día, que es la mitad del valor de EE. UU.

Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos de EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de cobre, el 100 % del valor diario era 2,0 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 0,9 mg para que coincidiera con la RDA. Se proporciona una tabla de los valores diarios para adultos antiguos y nuevos en la Ingesta diaria de referencia.

Deficiencia

Debido a su función de facilitar la absorción de hierro, la deficiencia de cobre puede producir síntomas parecidos a la anemia, neutropenia, anomalías óseas, hipopigmentación, deterioro del crecimiento, mayor incidencia de infecciones, osteoporosis, hipertiroidismo y anomalías en el metabolismo de la glucosa y el colesterol. Por el contrario, la enfermedad de Wilson provoca una acumulación de cobre en los tejidos corporales.

La deficiencia grave se puede encontrar analizando niveles bajos de cobre en plasma o suero, niveles bajos de ceruloplasmina y niveles bajos de superóxido dismutasa de glóbulos rojos; estos no son sensibles al estado marginal del cobre. La "actividad del citocromo c oxidasa de leucocitos y plaquetas" se ha señalado como otro factor de deficiencia, pero los resultados no han sido confirmados por replicación.

Toxicidad

Se han tomado cantidades de gramos de varias sales de cobre en intentos de suicidio y han producido toxicidad aguda por cobre en humanos, posiblemente debido al ciclo redox y la generación de especies reactivas de oxígeno que dañan el ADN. Las cantidades correspondientes de sales de cobre (30 mg/kg) son tóxicas para los animales. Se ha informado que un valor dietético mínimo para un crecimiento saludable en conejos es de al menos 3 ppm en la dieta. Sin embargo, concentraciones más altas de cobre (100 ppm, 200 ppm o 500 ppm) en la dieta de los conejos pueden influir favorablemente en la eficiencia de conversión alimenticia, las tasas de crecimiento y los porcentajes de preparación de la canal.

La toxicidad crónica por cobre normalmente no ocurre en humanos debido a los sistemas de transporte que regulan la absorción y la excreción. Las mutaciones autosómicas recesivas en las proteínas de transporte de cobre pueden desactivar estos sistemas, lo que lleva a la enfermedad de Wilson con acumulación de cobre y cirrosis hepática en personas que han heredado dos genes defectuosos.

Los niveles elevados de cobre también se han relacionado con el empeoramiento de los síntomas de la enfermedad de Alzheimer.

Exposición humana

En los EE. UU., la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha designado un límite de exposición permisible (PEL) para el polvo y los humos de cobre en el lugar de trabajo como un promedio ponderado en el tiempo (TWA) de 1 mg/m. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 1 mg/m3, promedio ponderado en el tiempo. El valor IDLH (inmediatamente peligroso para la vida y la salud) es de 100 mg/m.

El cobre es un componente del humo del tabaco. La planta del tabaco absorbe y acumula fácilmente metales pesados, como el cobre del suelo circundante en sus hojas. Estos se absorben fácilmente en el cuerpo del usuario después de la inhalación de humo. Las implicaciones para la salud no están claras.