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Cobre

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Posición del cobre en la tabla periódica; grupo 11, periodo 4
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Nombre, símbolo, Z: Cobre, Cu, 29
Serie química: Metales de transición
Grupo, periodo, bloque: 11, 4 , d
Configuración electrónica: [Ar] 3d10 4s1
Propiedades atómicas
Masa atómica: 63,536 uma
Radio atómico: 145 pm
 - Medio 135 pm
 - Covalente 138 pm
 - De Van der Waals 140 pm
Nº de oxidación (óxido): 2, 1 (levemente básico)
Electronegatividad: 1,9 (Pauling)
Potencial de ionización: 745,5 kJ/mol
 - 2.º = 1957,9  - 3.º = 3555  - 4.º = 5536

† Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico.

Propiedades físicas
Estado: Sólido
Estructura cristalina: Cúbica centrada
en las caras
Color: Cobrizo metálico
Densidad: 8920 (kg/)
Dureza: 3,0 (Mohs)
Conductividad eléctrica: 59,6×106 S/m
Conductividad térmica: 401 W/(m·K)
Calor específico: 380 J/kg·K
Punto de fusión: 1357,6 K
Entalpía de fusión: 13,05 kJ/mol
Punto de ebullición: 2840 K
Entalpía de vaporización: 300,3 kJ/mol
Presión de vapor: 0,0505 Pa a 1358 K
Velocidad del sonido: 3570 m/s a 293,15 K
Isótopos más estables
Iso. AN (%) PsD MD ED (MeV) PD
63Cu 69,17 Estable con 34 neutrones
64Cu Sintético  12,7 h  ε 1,675 64Ni
β- 0,579 64Zn
65Cu 30,83 El Cu es estable con 36 neutrones
67Cu Sintético 61,83 h &beta- 0,577 67Zn
Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo indicación en contra.

El cobre es un elemento químico de número atómico 29 y símbolo Cu. Es uno de los metales más importantes industrialmente. De coloración rojiza es dúctil, maleable y buen conductor de la electricidad.

Características principales

El cobre es un metal de transición rojizo, que presenta una conductividad eléctrica y térmica muy alta, sólo superada por la plata. Es posible que el cobre haya sido el metal más antiguo en haber sido empleado, pues se han encontrado objetos de cobre del 8700 adC. Además de poderse encontrar en distintos minerales, se puede encontrar nativo, en la forma metálica, en algunos lugares.

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.

En la mayoría de sus compuestos 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). 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 500ºC. 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 blanco.

Entre sus propiedades mecánicas destacan su excepcional capacidad de deformación y ductilidad. En general sus propiedades mejoran con las bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas.

Aplicaciones

La aplicación por excelencia del cobre es como material conductor (cable), al que se destina alrededor del 45% del consumo anual de cobre. Otros usos son:

El sulfato de cobre (II) es el compuesto de cobre de mayor importancia industrial y se emplea en en agricultura, en la purificación del agua y como conservante de la madera.

Papel biológico

El cobre es un oligoelemento esencial para muchas formas de vida, entre ellas para los humanos en los que, al igual que el hierro (para cuya absorción es necesario) contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunólogico y huesos. El cobre se encuentra en algunas enzimas como la citocromo c oxidasa, la lisil oxidasa y la superóxido dismutasa y como elemento central de la proteína hemocianina de artrópodos y moluscos, equivalente a la hemoglobina humana, para el transporte del oxígeno.

El cobre es transportado en su mayor parte por el flujo sanguíneo en una proteína denominada ceruloplasmina; sin embargo cuando es absorbido en el intestino es transportado hasta el hígado unido la albúmina. No existe una cantidad diaria recomendada de cobre, ya que es muy raro que se produca una deficiencia en la dieta, pero se estima que puede ser adecuada para adultos una ingesta de 0,9 mg al día [2]. El cobre se encuentra en ostras, mariscos, legumbres, vísceras y nueces entre otros, además del agua potable.

La enfermedad de Wilson es un trastorno hereditario que provoca la acumulación de cobre en el hígado y otros órganos pudiendo producir hepatitis, ateraciones renales y otros trastornos si no recibe tratamiento.

Historia

Ankh, símbolo agipcio de la vida eterna.
El cobre nativo, el primer metal usado por el hombre, era conocido por algunas de las más antiguas civilizaciones de las que se tiene noticia y ha sido utilizado desde al menos hace 10.000 años —en lo que actualmente es el norte de Iraq se encontró un colgante datado hacia 8700 adC— aunque el descubrimiento accidental del metal bien pudo producirse varios milenos antes. 5000 adC ya se realizaba la fusión y refino del cobre a partir de óxidos como malaquita y azurita; por el contrario, los primeros signos de utilización del oro no se vislumbran hacia 4000 adC. Se han recuperado monedas, armas y utensilios domésticos sumerios de cobre y bronce de 3000 adC, así como egipcios de la misma época, incluso tuberías de cobre. Los egipcios también descubrieron que la adición de pequeñas cantidades de estaño facilitaba la fusión del metal y perfeccionaron los métodos de obtención del bronce; al observar además la perdurabilidad del material representaron el cobre con el Ankh, símbolo de la vida eterna.

En la antigua China se conoce el uso del cobre desde al menos 2000 años antes de nuestra era y hacia 1200 adC ya se fabricaban bronces de excelente calidad poniendo de manifiesto un dominio de la metalurgia del cobre sin parangón en occidente. En Europa el hombre de hielo encontrado en el Tirol italiano en 1991 cuyos restos tenían una antigüedad de 5300 años estaba acompañado de un hacha de cobre de una pureza del 99,7% y los elevados índices de arsénico encontrados en su cabello lleva a suponer que fundió el metal para fabricar la herramienta.

El «espejo de Venus».
Los fenicios importaron el cobre a Grecia quienes no tardaron en explotar las minas de su territorio como atestiguan los nombres de ciudades como Calce, Calcis y Calcitis (de χαλκος, bronce), aunque fue Chipre, a medio camino entre Grecia y Egipto, por mucho tiempo el país del cobre por excelencia, hasta el punto de que los romanos llamaron al metal aes cyprium o simplemente cyprium y cuprum de donde proviene su nombre. Pero no sólo el nombre tomó de aquella isla ya que por igual razón el cobre se representó con el mismo signo que Venus (la Afrodita griega) pues Chipre estaba consagrada a la diosa de la belleza y los espejos se fabricaban de este metal. El símbolo, espejo de Venus, modificación del Ankh egipcio, fue posteriormente adoptado por Carl Linné para simbolizar el género femenino (♀).

El uso del bronce predominó de tal manera durante un periodo de la historia de la humanidad que terminó denominándose «Era del Bronce» a la que media entre el predominio de la piedra y el auge del hierro; la transición entre el periodo neolítico (final de la Edad de Piedra) y la edad del bronce se denomina periodo calcolítico (del griego Chalcos), límite que marca el paso de la Protohistoria a la Historia.

Símbolo del Cu usado por Dalton, un círculo con la letra C en su interior Símbolo químico empleado por Dalton para el cobre.

Desde 1994 es el mineral del estado de Utah

Abundancia y obtención

Mina de cobre a cielo abierto (Bingham, Utah).
Si bien es un metal menos abundante en la corteza terrestre que otros —0,12% del más abundante, el aluminio— es de fácil obtención aunque ésta sea laboriosa dada la pobreza de la ley de los minerales; se considera económicamente viable un mineral con contenidos superiores al 0,5% de cobre y muy rentable a partir del 2,5%.

El cobre nativo suele acompañar a sus minerales en bolsas que afloran a la superficie explotándose en minas a cielo abierto. Aunque no suele tener mucha importancia como mena, se han encontrado ejemplares notables e incluso peñones de cobre de 400 toneladas en Michigan. Generalmente en la capa superior se encuentran los minerales oxidados (cuprita), junto a cobre nativo en pequeñas cantidades lo que explica su elaboración milenaria ya que el metal podía extraerse fácilmente en hornos de fosa. A continuación, por debajo del nivel freático, se encuentran las piritas (sulfuros) primarias calcosina (S2Cu) y covellina (SCu) y finalmente las secundarias calcopirita (S2FeCu) cuya explotación es más rentable que la de las anteriores. Acompañando a estos minerales se encuentran otros como la bornita (Cu5FeS4), los cobres grises y los carbonatos azurita y malaquita que suelen formar masas importantes en las minas de cobre por ser la forma en la que usualmente se alteran los sulfuros.

Ejemplar de calcopirita.
Mineral procedente de Boinás (Asturias), en el concejo de Belmonte de Miranda.
Ejemplar de azurita procedente de Villamanín (León).

Los recursos mundiales de cobre se estima que ascienden a 1600 millones de toneladas en al corteza terrestre y a 700 millones en el lecho marino. Las reservas demostradas, según datos de agencia estadounidense de prospecciones geológicas (US Geological Survey) a 940 millones de toneladas, estando casi el 40% de ellas en Chile, el principal productor minero de cobre con aproximadamente el 36% de la producción mundial que ronda los 14 millones de toneladas (ver gráfico).

Evolución de la producción minera mundial de cobre desde 1900.

La producción del cobre comienza con la extracción del mineral. Esta puede realizarse a cielo abierto (la explotación más común) en galerías subterráneas o in situ; éste último procedimiento, minoritario, consiste en filtrar ácido sulfúrico en la mena de cobre bombeando posteriormente a la superficie las soluciones ácidas ricas en cobre. El mineral extraido por métodos mecánicos, óxidos y sulfuros, se tritura posteriormente obteniendo un polvo que contiene usualmente menos del 1% de cobre. Este deberá ser enriquecido o concetrado obteniendo una pasta con un 15% de cobre que posteriormente se seca, a partir de este punto pueden seguirse dos métodos.

El mineral se traslada a un tanque de lixiviado en el que se filtra ácido sulfúrico diluido obteniendo una débil solución de sulfato de cobre de la que se obtiene el cobre cátodo por electrólisis, procedimiento que se denomina procedimiento SX/EW (Solution Extraction/Electrowinning). O bien, con el mineral enriquecido se prepara un mixto, añadiendo los fundentes necesarios de base sílice para sulfuros y sulfuros para óxidos, que se funde obteniendo el cobre blister. Este se refina por procedimientos térmicos obteniendo ánodos de cobre que, a su vez, se refinan mediante electrólisis usándolos junto a láminas madre de cobre como cátodo en medio ácido. De los lodos se recuperan además el oro, la plata y el platino.

Los tipos de cobre usualmente obtenidos son los siguientes:

  • Cobre tenaz (Tough-Pitch, TP): con contenido de oxígeno controlado y que se destina a aplicaciones eléctricas ya que es cobre de alta conductividad (>100% IACS).
  • Cobre desoxidado (Desoxided Phospor, DP): normalmente no son de alta conductividad por lo que se emplean en aplicaciones donde ésta no es importante, como calderería.
  • Cobre exento de oxígeno (Oxigen Free, OF): es el de mayor calidad, el más caro y el menos utilizado. Es de alta conductividad.

El cobre cátodo obtenido mediante uno u otro método tiene una pureza entre 99,9% y 99,99% y es el empleado para la fabricación de los distintos tipos de cobre comercial:

  • Lingote alambre (wire-bar) de sección trapezoidal para laminación y trefilado.
  • Placa (queque o pan) para laminación de chapas o bandas.
  • Tocho de sección circular para punzonado o extrusión seguido de laminación o estirado.

Aleaciones

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 la maquinabilidad (facilidad de mecanizado), resistencia mecánica o resistencia en caliente, conservando la alta conductibilidad térmica y eléctrica del cobre; los elementos utilizados son estaño, cadmio, hierro, telurio, circonio, cromo y berilio. Otras aleaciones de cobre importantes son latones (cinc), bronces (estaño), cuproaluminios (aluminio), cuproníqueles (níquel), cuprosilicios (silicio) y alpacas (níquel-cinc)

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 además 25 isótopos radioactivos de los que los más estables son el Cu-67, Cu-64 y Cu-61 con vidas medias de 61,83 horas, 12,7 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 vidas medias inferiores a 23,7 minutos y la mayoría no alacanzan los 30 segundos. El cobre tiene además dos estados metaestables.

Los isótopos más ligeros que el Cu-63 estable se desintegran principalmente por captura electrónica originando isótopos de níquel, mientras que los más pesados que el isótopo Cu-65 estable se desintegran por emisión beta dando lugar a isótopos de cinc. El isótopo Cu-64 se desintegra según ambos modos, por captura electrónica el 69% y desintegración beta el 31% restante.

Precauciones

Vertido contaminante de cobre y otros metales de una mina abandonada
Todos los compuestos de cobre deberían tratarse como si fueran tóxicos, una cantidad de 30 g de sulfato de cobre es potencialmente letal en humanos.

El metal en polvo es combustible y sensibilizante y la inhalación puede provocar tos, dolor de cabeza, jadeo y dolor de garganta, por lo que se recomienda para evitar la exposición laboral el uso de guantes y gafas. Los valores límite ambientales son de 0,2 mg/m³ para los humos y 1 mg/m³ para el polvo y las nieblas. Reacciona con oxidantes fuertes tales como cloratos, bromatos y yodatos, originando peligro de explosión.

El agua con contenidos superiores a 1 mg/l puede ensuciar con cobre las ropas y objetos lavados con ella y contenidos por encima de 5 mg/l la colorean y le dan un sabor desagradable. La OMS en la Guía para la calidad del agua potable recomienda un nivel máximo de 2 mg/l, mismo valor adoptado en la Unión Europea como valor límite, mientras que en EE. UU. la Agencia de Protección Ambiental ha establecido un límite de 1,3 mg/l.

Las actividades mineras pueden provocar la contaminación de ríos y aguas subterráneas con cobre y otros metales tanto durante su explotación como una vez abandonada. El vertido mostrado en la foto proviene de una mina abandonada en Idaho. El color turquesa del agua y las rocas se debe a la presencia y precipitado del cobre.

H   He
Li Be   B C N O F Ne
Na Mg   Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra   Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh  
  La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
  Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Referencias

Fuentes empleadas y notas


Otras fuentes de información