Cobre
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O cobre é um elemento químico de símbolo Cu (Cuprum), número atômico 29 (29 prótons e 29 elétrons) e de massa atómica 63,6 uma. À temperatura ambiente, o cobre encontra-se no estado sólido. Classificado como metal de transição, pertence ao grupo 11 (1B) da Classificação Periódica dos Elementos. É um dos metais mais importantes industrialmente, de coloração avermelhada, dúctil, maleável e bom condutor de eletricidade.
Conhecido desde a antiguidade é utilizado, atualmente, para a produção de materiais condutores de eletricidade (fios e cabos ), e em ligas metálicas como latão e bronze.
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| Geral | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Nome, símbolo, número | Cobre, Cu, 29 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Classe , Série química | Metal , metal de transição | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, Período, Bloco | 11, 4 , d | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidade, Dureza | 8920 kg/m3, 3.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Cor e aparência | cobre, metálico |
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| Propriedades atômicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Massa atómica | 63.536 uma. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Raio atómico (calc.) | 135 (145) picómetro | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Raio covalente | 138 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Raio de van der Waals | 140 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuração electrónica | [Ar]3d104s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| elétrons por Nível de energia | 2, 8, 18, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidação (óxido) | 2,1 (básico) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Estrutura cristalina | Cúbica de face centrada | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Estado da matéria | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ponto de fusão | 1357,6 K (1984.3 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ponto de ebulição | 2840 K (4653 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume molar | 7,11 ×10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Entalpia de vaporização | 300,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusão | 13,05 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Pressão de vapor | 0,0505 Pa a 1358 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidade do som | 3570 m/s a 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Informações diversas | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Eletronegatividade | 1,9 (Escala de Pauling) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidade calorífica | 380 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Condutividade elétrica | 59.6 106/m ohm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Condutividade térmica | 401 W/(m*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1° Potencial de ionização | 745.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2° Potencial de ionização | 1957.9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 3° Potencial de ionização | 3555 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 4° Potencial de ionização | 5536 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Isótopos mais estáveis | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Unidades SI e CNPT excepto onde indicado | |||||||||||||||||||||||||||||||
Índice |
[editar] Características principais
O cobre é um metal de transição avermelhado, que apresenta alta condutibilidade elétrica e térmica, só superada pela da prata.
É possível que o cobre tenha sido o metal mais antigo a ser utilizado, pois se têm encontrado objetos de cobre de 8.700 a.C. Pode ser encontrado em diversos minerais e pode ser encontrado nativo, na forma metálica, em alguns lugares.
A condutividade elétrica do cobre merece especial menção por ter sido adotada pela Comissão Eletrotécnica Internacional em 1913 como base da norma IACS.
Na maioria de seus compostos apresenta estados de oxidação baixos, sendo o mais comum o +2 , ainda que existam alguns com estado de oxidação +1. Exposto ao ar, a coloração vermelho salmão inicial torna-se vermelho violeta devido à formação do óxido cuproso ( Cu2O ) para enegrecer-se posteriormente devido à formação do óxido cúprico ( CuO ). Exposto longamente ao ar úmido forma uma capa aderente e impermeável de carbonato básico de coloração verde, característica de seus sais, que é venenosa. Quando se utilizam caçarolas de cobre para a cocção de alimentos não são infrequentes as intoxicações, devido à ação dos ácidos da comida que originam óxidos, contaminando os alimentos.
Os halogênios atacam com facilidade o cobre, especialmente em presença de umidade; no seco o cloro e o bromo não produzem efeito e o flúor só o ataca a temperaturas superiores a 500ºC. Os oxiácidos atacam o cobre.
Conhecido desde a antiguidade é utilizado, actualmente, para a produção de materiais condutores de eletricidade (fios e cabos), e em ligas metálicas como latão e bronze. Com o enxofre forma um sulfeto (CuS) de coloração branca.
Entre as suas propriedades mecânicas destacam-se sua excepcional capacidade de deformação e ductibilidade. Em geral, suas propriedades melhoram em baixas temperaturas, o que permite utilizá-lo em aplicações criogênicas.
[editar] Aplicações
A aplicação por excelência do cobre é como material condutor (fios e cabos), destinação de aproximadamente 45% do consumo anual de cobre. Outros usos são:
- Tubos de condensadores e encanamentos.
- Eletroimãs.
- Motores elétricos.
- Interruptores e relés, tubos de vácuo e magnetrons de fornos microondas.
- Se tende ao uso do cobre em circuitos integrados em substituição ao alumínio, de menor condutividade.
- Cunhagem de moedas (com o níquel), esculturas, estátuas , construção de sinos , e usos ornamentais em ligas com zinco (latão), estanho (bronzes) e prata (jóias).
- Lentes de cristal de cobre empregadas em radiologia para a detecção de pequenos tumores.
O sulfato de cobre II é um composto de cobre de grande importância industrial, sendo empregado na agricultura, na purificação da água e como conservante da madeira.
[editar] Papel biológico
O cobre é um oligoelemento essencial para muitas formas de vida, entre elas, para o ser humano. Tal qual o ferro (para cuja absorção é necessário) contribui na formação de glóbulos vermelhos e na manutenção dos vasos sanguíneos, nervos, sistema imunológico e ossos. O cobre é encontrado em algumas enzimas como a citocromo c oxidase, a lisil oxidase e a superóxido dismutase e como elemento central da proteína hemocianina de artrópodes e moluscos, equivalente a hemoglobina humana, para o transporte do oxigênio, e pelo fato dessas proteínas sanguíneas terem átomos de cobre, caracteriza a coloração azulada do sangue desses animais.
O cobre é transportado na sua maior parte através do fluxo sanguíneo em uma proteína denominada ceruloplasmina; todavia, quando é absorvido no intestino, é transportado até o fígado unido a albumina. Não existe uma quantidade diária recomendada de cobre, já que é muito raro que se produza uma deficiência na dieta, porém estima-se que pode ser recomendada para adultos uma ingestão de 0,9 mg por dia. [1]. O cobre é encontrado em ostras, mariscos, legumes, vísceras e nozes (entre outros), assim como na água potável.
[editar] História
O cobre nativo, o primeiro metal usado pelo homem, era conhecido por algumas das mais antigas civilizações que se tem notícia e tem sido utilizado pelo menos há 10.000 anos - onde atualmente é o norte do Iraque foi encontrado um colar de cobre de 8.700 a.C.; porém o descobrimento acidental do metal pode ter ocorrido vários milênios antes. Em 5.000 a.C. já se realizava a fusão e refinação do cobre a partir de óxidos como a malaquita e azurita. Os primeiros indícios de utilização do ouro não foram vislumbrados até 4.000 a.C. Descobriram-se moedas, armas, utensílios domésticos sumérios de cobre e bronze de 3.000 a.C., assim como egípcios da mesma época, inclusive tubos de cobre. Os egípcios também descobriram que a adição de pequenas quantidades de estanho facilitava a fusão do metal e aperfeiçoaram os métodos de obtenção do bronze; ao observarem a durabilidade do material representaram o cobre com o Ankh, símbolo da vida eterna.
Na antiga China se conhece o uso do cobre desde, ao menos, 2000 anos antes de nossa era, e em 1200 a.C. já fabricavam-se bronzes de excelente qualidade estabelecendo um manifesto domínio na metalurgia sem comparação com a do Ocidente. Na Europa o homem de gelo encontrado no Tirol (Itália) em 1991, cujos restos têm uma idade de 5.300 anos, estava acompanhado de um machado com uma pureza de 99,7%, e os elevados índices de arsênico encontrados em seu cabelo levam a supor que fundiu o metal para a fabricação da ferramenta. Os fenícios importaram o cobre da Grécia, não tardando em explorar as minas do seu território, como atestam os nomes das cidades Calce, Calcis e Calcitis (de χαλκος, bronze), ainda que tenha sido Chipre, a meio caminho entre Grécia e Egito, por muito tempo o país do cobre por excelência, ao ponto de os romanos chamarem o metal de aes cyprium ou simplesmente cyprium e cuprum, donde provém o seu nome. Além disso, o cobre foi representado com o mesmo signo que Vênus (a afrodite grega), pois Chipre estava consagrada a deusa da beleza e os espelhos eram fabricados com este metal. O símbolo, espelho de Vênus da mitologia e da alquimia, modificação do egípcio Ankh , foi posteriormente adotado por Carl Linné para simbolizar o gênero feminino(♀).
O uso do bronze predominou de tal maneira durante um período da história da humanidade que terminou denominando-se «Era do Bronze». O período de transição entre o neolítico (final da Idade da Pedra) e a Idade do Bronze foi denominado período calcolítico (do grego Chalcos), limite que marca a passagem da pré-história para a história.
[editar] Abundância e obtenção
Apesar de ser um dos metais menos abundantes da crosta terrestre - 0,12% do mais abundante, o alumínio - é de fácil obtenção apesar de laboriosa, devido a pobreza do metal nos minerais; se considera econômicamente viável extraí-lo de um mineral com quantidades superiores a 0,5% de cobre e muito rentável a partir de 2,5%.
O cobre nativo só acompanha seus minerais em bolsas que afloram na superfície podendo-se explorá-lo a céu aberto. Ainda que não tenham muita importância como minas, tem-se encontrado exemplares notáveis como pedras de cobre de 400 toneladas em Michigan (EUA). Geralmente na capa superficial são encontrados minerais oxidados (cuprita) junto ao cobre nativo em pequenas quantidades, o que explica a sua utilização milenar já que o metal podia facilmente ser extraido em fornos de fossa. Na continuação, por debaixo do nível freático, são encontradas as piritas (sulfetos) primárias, calcosina (S2Cu) e covelina (SCu) e, finalmente, as secundárias calcopiritas (S2FeCu) cuja exploração é mais rentável que as anteriores. Acompanhando estes minerais se encontram outros como a bornita (Cu5FeS4), os cobres cinzas, os carbonatos azurita e malaquita que formam massas importantes nas minas de cobre por serem as formas normalmente derivadas dos sulfetos.
Para os recursos mundiais de cobre estima-se que ultrapasse os 1.600 milhões de toneladas na crosta terrestre e a 700 milhões de toneladas nos leitos marítimos. As reservas comprovadas, segundo dados da agência estadounidense de prospeccções geológicas (US Geological Survey) é de 940 milhões de toneladas, 40% delas no Chile, o principal minerador de cobre com cerca de 5 milhões de toneladas anuais (aproximadamente 36% da produção mundial).
A produção do cobre começa com a extração do mineral. Esta pode ser realizada a céu aberto (a exploração mais comum), em galerias subterrêneas ou in situ; este último procedimento, minoritário, consiste em filtrar ácido sulfúrico na mina de cobre bombeando, posteriormente, para a superfície as soluções ácidas ricas em cobre. O mineral extraido por métodos mecânicos , óxidos e sulfetos, é triturado obtendo-se um pó que contém usualmente menos de 1% de cobre. Este deverá ser enriquecido ou concentrado obtendo-se uma pasta com aproximadamente 15% de cobre que, posteriormente, é secado. A partir deste ponto pode-se utilizar outros métodos.
O mineral é transladado a um tanque de lixiviado no qual se filtra ácido sulfúrico diluido obtendo-se uma solução fraca de sulfato de cobre, do qual se obtém o cobre catodo, por eletrólise, procedimento denominado SX/EW (Solution Extraction/Electrowinning). Com o mineral enriquecido se prepara um misto, adicionado os fundentes necessários de base sílica para sulfetos e sulfetos para óxidos, que fundido produz o cobre blister. Este é refinado através de procedimentos térmicos obtendo-se anodos de cobre que, por sua vez, se refinam por eletrólise usando-os junto a lâminas mãe de cobre como catodo em meio ácido. Do lodo (subproduto da eletrólise) retira-se o ouro, a prata e a platina.
Os tipos de cobre usualmente obtidos são os seguintes:
- Cobre tenaz (Tough-Pitch, TP): com conteudo de oxigênio controlado, destinado para aplicações elétricas já que é um cobre de alta condutibilidade (>100% IACS).
- Cobre desoxidado (Desoxided Phospor, DP): normalmente não são de alta condutibilidade, por isso empregado onde a propriedade elétrica não é importante como em caldeiras.
- Cobre isennto de oxígênio (Oxigen Free, OF): é o de maior qualidade, é o mais caro e o menos utilizado. É de alta condutibilidade elétrica.
O cobre catodo obtido mediante um ou outro método tem uma pureza entre 99,9% e 99,99% e é empregado para a fabricação de diferentes tipos de cobre comercial:
- Lingotes (wire-bar) de secção trapezoidal para laminação e trefilado.
- Placas para laminação de chapas ou fitas.
- barras de secção circular para laminação ou fiação.
[editar] Isótopos
Na natureza são encontrados 2 isótopos estáveis: Cu-63 e Cu-65, sendo o mais leve o mais abundante ( 69,17% ). Se tem caracterizado 25 isótopos radioativos, sendo os mais estáveis o Cu-67, Cu-64 e Cu-61 com vidas médias de 61,83 horas, 12,7 horas e 3,333 horas respectivamente. Os demais radioisótopos, com massas atômicas desde 54,966 (Cu-55) a 78,955 (Cu-79), têm vidas médias inferiores a 23,7 minutos, e a maioria não alcançam os 30 segundos. O cobre apresenta, ainda, 2 estados metaestáveis.
Os isótopos mais leves que o Cu-63 estável se desintegram principalmente por captura eletrônica originando isótopos de níquel, os mais pesados que o isótopo Cu-65 estável se desintegram por emissão beta dando lugar a isótopos de zinco. O isótopo Cu-64 se desintegra dos dois modos, por captura eletrônica ( 69% ) e os demais por desintegração beta.
[editar] Ligas metálicas
Os cobres débilmente ligados são aqueles que contém uma porcentagem inferior a 3 de algum elemento adicionado para melhorar alguma das características do cobre como a maquinabilidade ( facilidade de mecanização ) , resistência mecânica e outras, conservando a alta condutibilidade elétrica e térmica do cobre. Os elementos utilizados são estanho, cádmio, ferro, telúrio, zircônio, cromo e berílio. Outras ligas de cobre importantes são latões (zinco), bronzes (estanho), cuproalumínios (alumínio), cuproníqueis ( níquel ), cuprosilícios (silício) e alpacas (níquel-zinco).
[editar] Precauções
Todos os compostos de cobre deveriam ser tratados como se fossem tóxicos, uma quantidade de 30 g de sulfato de cobre é potencialmente letal em humanos.
O metal em pó é combustível, inalado pode provocar tosse, dor de cabeça e dor de garganta, recomenda-se evitar a exposição laboral e a utilização de protetores como óculos, luvas e máscaras. O valores limites ambientais são de 0,2 mg/m³ para os humos (???)e 1 mg/m³ para o pó e névoas. Reage com oxidantes fortes tais como cloratos, bromatos e iodatos, originando o perigo de explosões.
A água com conteudo superiores a 1 mg/l pode contaminar com cobre as roupas e objetos lavados com ela, e conteúdos acima de 5 mg/L tornam a água colorida com sabor desagradável. A Organização Mundial da Saúde ( OMS ) no Guia para a qualidade da água potável recomenda um nível máximo de 2 mg/L , mesmo valor adotado na União Européia. Nos Estados Unidos a Agência de Proteção Ambiental tem estabelecido um limíte de 1,3 mg/L.
As atividades mineiras podem provocar a contaminação de rios e águas subterrâneas com cobre e outros metais tanto durante a exploração como uma vez abandonada. O derramento mostrado na foto provem de uma mina abandonada em Idaho. A coloração turqueza da água e rochas se deve a presença de precipitados de cobre.
[editar] Ciclo do Cobre
O ciclo do cobre, chama-se assim porque é um conjunto de reacções que começam no cobre para formar cobre outra vez, é um processo de reciclagem do cobre.
Protocolo Experimental
Equações Químicas:
- Reacção A (Reacção de Oxidação - Redução)
- Cu (s) + 4HNO3 (aq) ------> Cu(NO3)2 (aq) + 2H2O (l) + 2 NO2 (g)
- Reacção B (Reacção de Substituição)
- Cu(NO3)2 (aq) + 2 NaOH (aq) ---------> Cu(OH)2 (s) + 2 NaNO3 (aq)
- Reacção C (Reacção de Decomposição)
- Cu(OH)2 (s) ---------> CuO (s) + H2O (l) (por aquecimento)
- Reacção D (Reacção de Substituição)
- CuO (s) + H2SO4 (aq) -----> CuSO4 (aq) + H2O (l)
- Reacção E (Reacção de Oxidação-Redução)
- CuSO4 (aq) + Zn (s) ------> Cu (s) + Zn SO4 (s)
Material:
2 gobelés de 250 mL; Balão volumétrico; Placa de aquecimento; Balança analítica; Vareta de vidro; 4 Papéis de filtro; Vidro de relógio; Pipeta graduada; Pompette; Pinça; Luvas de borracha; Óculos de segurança; Máscara; Espátula.
Reagentes: Água desionizada;Álcool etílico;Zinco em pó; NaOH 2mol/dm³; H2SO4 6mol/dm³; HNO3 15mol/dm³; Cu(NO3) 1mol/dm³; Fio de Cobre; Acetona; HCl 3mol/dm³.
Procedimento:
Ponto de partida: cobre metálico
1- Cortar um fio de cobre de modo a obter uma amostra de 0,3 g. 2- Se o fio não estiver limpo e brilhante, mergulhá-lo numa solução de ácido, lavá-lo com álcool e secá-lo com papel. 3- Pesá-lo até ao centigrama, e registar esse valor. Enrolar o fio e colocá-lo no fundo de um copo de 250 cm3.
Reacção A: de Cu(s) a Cu(NO3)2(aq)
4- Adicionar 4,0 cm3 de HNO3 concentrado (16 mol dm-3 ) e agitar suavemente até dissolução completa. Observar e registar as alterações. Adicionar cerca de 100 cm3 de água.
Reacção B: de Cu(NO3)2(aq) a Cu(OH)2(s)
5- Adicionar, agitando sempre com uma vareta de vidro, 30 cm3 de NaOH 3 mol dm-3 para promover a precipitação de Cu(OH)2. Registar todas as observações efectuadas.
Reacção C: de Cu(OH)2(s) a CuO(s)
6- Aquecer a solução quase até à ebulição, agitando sempre para uniformizar o aquecimento da solução. 7- Quando a reacção estiver completa, retirar o aquecimento e continuar a agitar por um ou dois minutos. 8- Deixar repousar o óxido de cobre e decantar o líquido cuidadosamente para não perder CuO. Adicionar cerca de 200 cm3 de água destilada e decantar uma vez mais.
Reacção D: de CuO(s) a CuSO4(s)
9- Adicionar, agitando sempre, 15 cm3 de H2SO4 6 mol dm-3. Registar as alterações observadas.
Reacção E: de CuSO4(s) a Cu(s)
10- Na hotte, adicionar, de uma só vez, 1,3 g de zinco em pó, agitando até que o líquido sobrenadante fique incolor. Registar as observações verificadas.
11- Quando a libertação de gás for muito pouco intensa, decantar o líquido sobrenadante e despejar no recipiente apropriado (recolha de resíduos).
12- Se ainda houver zinco por reagir, adicionar 10 cm3 de HCl 6 mol dm-3 e aquecer ligeiramente a solução.
13- Quando não se observar libertação de gás, decantar o líquido. Lavar com cerca de 10 cm3 de água destilada, deixar repousar e decantar o líquido. Repetir este procedimento mais duas vezes, pelo menos.
14- Com a ajuda de uma espátula, transferir o cobre para um vidro de relógio. Fazer uma lavagem com acetona e secar na estufa.
15- Transferir o cobre seco para um copo previamente pesado e pesar até ao centigrama. Calcular a massa de cobre obtido.
