Cobre. Química. QUÍM.

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Química

Metal, de símbolo Cu (del latín cuprum), de número atómico 29 y peso atómico 63,546. Pertenece al grupo IB del Sistema periódico, juntamente con la plata y el oro, comportándose como un metal seminoble (v. ELEMENTOS QUÍMICOS). Es de color rojo. Muchas de las propiedades del c. metálico se pueden interpretar teniendo en cuenta que sus electrones más externos, 3d94s2, participan en la formación de enlaces (índice de enlace 5,5), lo que tiene como consecuencia que sea un metal pesado (densidad=8,92 gr/cm3), en el que los átomos manifiestan un radio atómico pequeño (1,18 A); y al estar fuertemente enlazados, un punto de fusión muy alto, 1.083° C, todo lo cual es expresión de la estabilidad de la red metálica y de su carácter seminoble. Como el oro y la plata, el c. se caracteriza por su extraordinaria ductilidad y maleabilidad. Se pueden obtener hilos de hasta 3 ~¿ de diámetro y láminas sumamente delgadas. Se comporta como un metal deformable cuando se somete a tracción o a elevadas presiones. Su resistencia a la tracción es de 40 Kg/mm2.

Una de las características más importantes del c., desde el punto de vista de sus aplicaciones, es su elevada conductividad eléctrica y térmica. La conductividad eléctrica es el 96% de la de la plata (tal que un hilo de 1 mm2 de sección y 100 cm. de long. tiene a 20° C una resistencia de 0,0155 11), lo que hace que, dado su precio, el c. sea el metal más adecuado para la construcción de conductores eléctricos. Sin embargo, las impurezas pueden reducir considerablemente su conductividad; así, un 0,02% de fósforo la reduce en un 30%. Por ello, el metal destinado a electrotecnia debe purificarse electrolíticamente. También es muy alta su conductividad térmica que es el 94% de la de la plata (mientras que, p. ej., la del hierro sólo es el 21%); de ahí que se use en termotecnia cuando se quiere reducir a un mínimo la resistencia a la transmisión del calor, como en los tubos de las calderas de vapor, en los serpentines de refrigeración y dispositivos semejantes.

El c. forma parte de un gran número de aleaciones (v.) sumamente importantes. Aparte de usarse como metal de acuñar aleado con el oro y la plata (a los que da mayor dureza), tienen mucha importancia las aleaciones con el estaño (bronces) y con el zinc (latones). El bronce aparece desde la Antigüedad (Edad del Bronce), como aleación más dura y de mayor resistencia mecánica que el c. En Egipto y Grecia se usó el c. desde el 3000 al 2500 a. C., conociéndose el bronce mil años después, seguido del hierro. Los bronces antiguos tenían un 94% de c. y un 6% de estaño. Una de las ventajas del bronce es que puede moldearse por colada. Los latones precedieron en la técnica metalúrgica al zinc. Su composición y propiedades varían dentro de amplios límites: desde el latón rojo, con 80% de c., dúctil; hasta el amarillo, con 50-80% de zinc, que se moldea por colada. Aparte de éstas, otras muchas aleaciones del c., como el metal Monel, la alpaca, el constantán, la manganina y el duraluminio, tienen gran aplicación en la industria.

Yacimientos y metalurgia. El c. constituye un 0,01% de la litosfera y ocupa, en cuanto a su abundancia, el lugar 26 entre todos los elementos. Se considera que los yacimientos conocidos quedarán agotados en 40-50 años al ritmo de explotación actual. No suele encontrarse nativo, aunque aparezca en masas considerables en los yacimientos del Lago Superior y de Nuevo México. Los dos minerales de c. más importantes y extendidos son la calcopirita (CuFeS2) y la calcosina (CuZS), que suelen presentarse mezclados con otros minerales sulfurados de hierro, zinc, plomo, antimonio y arsénico y que, a menudo, contienen oro y plata. El contenido en c. es, por término medio, del 2 al 4%. Además de estos minerales hay otros que se consideran originados por acción de los agentes atmosféricos sobre ellos, del tipo de la cuprita (Cu20), tenorita (CuO, más raro), malaquita (Cu(OH)2CUC03), azúrita (Cu(OH)2-2CUC03) y atacamita (3Cu(OH)2.CUC12). Entre los países que producen mayores cantidades de c. se encuentran Estados Unidos, Perú, Bolivia, Rhodesia, Congo (Katanga), Japón y la URSS. En Europa, uno de los mayores yacimientos es el de Río Tinto (Huelva).

Los métodos metalúrgicos usados dependen de la riqueza de los minerales y de que sean sulfurados o no. Los minerales del tipo óxido u oXIsal se suelen extraer con disoluciones de ácido sulfúrico y los sulfurados de baja concentración se someten a una oXIdación natural, al aire y con acción de agua, o se tuestan a 450-480° C para obtener sulfato. De las disoluciones conseguidas se desplaza el c. por acción del hierro (cementación) o electrolíticamente. Los minerales sulfurados se concentran, en general, por flotación diferencial; y los concentrados, que pueden ser sometidos a una tostación previa para eliminar el exceso de azufre y los elementos que forman óxidos volátiles como el arsénico y el antimonio, se someten a una fusión reductora, de modo que haya quedado el suficiente azufre para que se pueda formar sulfuro cuproso (Cu2S) y quede algo de hierro en forma de sulfuro ferroso (FeS). La mata así obtenida se trata mediante una fusión oXIdante en presencia de sílice para que el hierro se oXIde, quedando escorificado en forma de silicato. Cuando las matas llegan a tener un 40-50% de c. se benefician por fusión oXIdante en convertidores Manhés, en presencia de sílice. Los convertidores usados tienen generalmente capacidad para 300 t. conjuntamente con 100 t. de sílice, están recubiertos interiormente de magnesita y tienen sus toberas situadas lateralmente. En la corriente de aire se oXIda primeramente el hierro, que da óxido ferroso y se escorifica y, agotado el hierro, se inicia la transformación parcial del c. en óxido cuproso (Cu20) que reacciona con el CuZS produciendo c. (v. METALURGIA).

El afino del metal se puede realizar en hornos (v.) de reverbero, para acabar de oXIdar el azufre, arsénico, antimonio, hierro, zinc y bismuto y la parte de c. que se oXIda se reduce, manteniéndolo fundido bajo una capa de carbón vegetal. La purificación por electrólisis (v.) se realiza entre un cátodo de c. impuro y un ánodo de c. puro, actuando como electrólito una disolución de CUS04 al 15-20% en presencia de ácido sulfúrico (5-8%). Durante la electrólisis se recogen los llamados barros anódicos, cuyo contenido en metales preciosos suele compensar los gastos de la purificación.

Comportamiento químico del cobre. La estructura electrónica del c. permite comprender buena parte de su comportamiento químico. La presencia de la penúltima capa 3d9, no totalmente estabilizada por la atracción nuclear, hace que el c. pueda formar iones Cu2+ e incluso Cu3+, aparte de los iones Cu+. Los potenciales de ionización son 7,72 eV para el primero y 20,2 eV para el segundo. El hecho de que los compuestos de Cu2+ sean, a pesar de ello, los más estables, debe atribuirse a la liberación de energía durante los procesos de hidratación o de formación de redes cristalinas (energía reticular), en virtud del tamaño relativamente pequeño del ion, de su carga relativamente alta y de su falta de simetría. La formación de compuestos de Cu3+ complejos o en estado sólido es más difícil. Requiere la acción de oXIdantes enérgicos como el flúor o los hipocloritos, habiendo sido descritos el K3CuF6, el K7(Cu(106)2).7H20 y algunos cupratos, p. ej., el KCu02 (v. ENLACES QUíMICOS).

Las estabilidades relativas de los iones cuproso y cúprico se pueden deducir de los valores de los potenciales electródicos: Cu°,/Cuy, E=+0,52, Cu+/Cu++, E=+0,153 V. La constante de equilibrio correspondiente al proceso Cu +Cu++ -> 2 Cu+ tiene un valor de 10-6, lo que indica que el ion cuproso sólo puede subsistir en disolución acuosa cuando su concentración es extraordinariamente pequeña como consecuencia de la formación de compuestos insolubles o complejos. El ion Cu+, con capa externa de 18 electrones es diamagnético (v. MATERIA 11, 4), siendo sus compuestos incoloros y poseyendo un poder polarizante que le permite formar compuestos covalentes, poco solubles y un gran número de complejos. Así, el cloruro cuproso, insoluble, se disuelve en presencia de exceso de iones Cl- formando complejos CUC12 y CUC123. La tendencia a formar el complejo Cu(CN)23 es tan grande, que, si se trata el c. metálico con ácido cianhídrico, se disuelve en presencia de aire con desprendimiento de hidrógeno, a pesar de que el c. sea insoluble en ácidos no oXIdantes. Las sales de Cu2+ en presencia de CN- se reducen, dejando en libertad cianógeno (CN)2 y precipitando cianuro cuproso que se redisuelve en exceso para formar el Cu(CN)2-.

Los iones cúpricos se suelen presentar estabilizados en forma de complejos. Entre sus oXIsales destaca por su importancia el sulfato de c. (I1), que suele presentarse en forma de pentahidrato, estando cuatro moléculas de agua coordinadas al Cu(II). El ion en disolución retiene otras dos moléculas de agua a mayor distancia, formando un octaedro deformado. El nitrato de c., Cu(N03)2-6H20 ó Cu(H20)6+(NO3)z , que se obtiene de las disoluciones del c. en ácido nítrico, es también complejo. Con frecuencia se obtienen compuestos con el índice de coordinación 4, como el Cu(NH3)á+, aunque en general en la disolución se presentan toda una serie de especies complejas (V. COMPUESTOS DE COORDINACIÓN).

Las relaciones de estabilidad pueden ser totalmente distintas en ausencia de agua. Así el CU20 y el CU2S son los compuestos más estables del c. a altas temperaturas, por lo que su formación tiene tanta importancia en la metalurgia.

V. t.: METALES; METALURGIA.

J. BELTRÁN MARTÍNEZ.

BIBL.: A. BUTTS, Copper, Nueva York 1954; J. NEWTON y C. L. WILSON, The Metallurgy of Copper, Nueva York 1942; KIRK-OTHMER, Encyclopaedia of Chemical Technology, IV, 1949,F. GRAHL, Ensayo de los metales, Barcelona 1961; J. CUADRENYS, Química inorgánica, Barcelona 1966.