cuivre (suite)
Atomes
Le cuivre a le numéro atomique 29 et se trouve dans le groupe IB du tableau de Mendeleïev avec l’argent et l’or. En conséquence, la structure électronique de l’état fondamental de l’atome correspond au symbole 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s1. Il en résulte les énergies suivantes d’ionisations successives : 7,7 eV, 20,3 eV, 30 eV ; le cuivre donne essentiellement naissance à deux séries de dérivés (cuivreux rattachés au nombre d’oxydation I et cuivriques rattachés au nombre d’oxydation II). Le rayon atomique est 1,17 Å, le rayon du cation Cu+ 0,96 Å, et le rayon de Cu++ 0,83 Å.
Corps simple
Le cuivre, de densité 8,9, est un solide rouge qui fond à 1 083 °C, mais, en présence d’air, une légère oxydation conduit à un point de fusion de 1 065 °C seulement. Ce métal est un excellent conducteur de la chaleur et de l’électricité : d’où son utilisation en chaudronnerie et dans la réalisation des conducteurs électriques usuels. Ses propriétés mécaniques permettent la formation de fils, de feuilles et de plaques ainsi que le façonnage des feuilles. Toutefois, le cuivre présente un net phénomène d’écrouissage (il devient cassant sous l’effet de martelages).
Le cuivre est peu oxydable à froid, mais donne CuO noir à moyenne température et Cu2O rouge à plus haute température ; en effet, quand la température s’élève, on a la réaction
Le cuivre réagit facilement avec le soufre, le chlore et le phosphore. Il attaque l’acide azotique à froid en formant du nitrate cuivrique et du monoxyde d’azote, qui s’oxyde d’ailleurs spontanément à l’air en NO2 ; cette attaque est la base de la gravure par l’eau-forte.
Ce métal réduit l’acide sulfurique à chaud. Il attaque l’acide chlorhydrique avec dégagement d’hydrogène par suite d’une formation de sels cuivreux complexes.
Principaux dérivés
Dérivés cuivreux
En solution aqueuse, les ions cuivreux sont en équilibre avec les ions cuivriques et le cuivre métallique selon la réaction de dismutation
2 Cu+ ⇄ Cu + Cu+2.
Or, cet équilibre est tel que le quotient de l’activité de l’ion cuivrique par l’activité de l’ion cuivreux est voisin de 2.104. Il en résulte que les ions cuivreux ne peuvent exister solvatés par l’eau qu’en très faibles concentrations. Ne subsistent donc que les sels cuivreux peu solubles, tels CuCl, CuBr, et les sels contenant des ions cuivreux complexes, comme les sels alcalins correspondant à des anions complexes halogénés (CuCln(n–1)–) [avec n = 2 ou 3], cyanurés (Cu(CN)n(n–1)–) [avec n = 2, 3, 4], sulfatés ou thiosulfatés (Cu(S2O3)2)3–. Inversement, par réduction des ions cuivriques, on obtient du cuivre métallique et de très faibles concentrations de sels cuivreux.
Les potentiels normaux d’oxydo-réduction de ces couples sont, pour :
Cu+ + e– ⇄ Cu,
Cu+2 + e– ⇄ Cu+,
Cu++ + 2e– ⇄ Cu,
E0 = 0,52 V ;
E0 = 0,15 V ;
E0 = 0,34 V.
Les sels complexes cuivreux peuvent former des composés d’addition avec l’oxyde de carbone CO, le phosphure d’hydrogène PH3 ou le dioxyde d’azote NO2. Le chlorure cuivreux ammoniacal sert à l’élimination de l’oxyde de carbone dans le mélange utilisé pour la synthèse de l’ammoniac.
Dérivés cuivriques
L’oxyde cuivrique CuO est facilement réduit. Les sels cuivriques donnent de nombreux complexes, en particulier avec l’ammoniaque, qui communique à une solution une intense coloration bleu céleste. Enfin, on connaît quelques composés complexes de cuivre de nombre d’oxydation III ; tel est le cas de sels alcalins contenant l’anion CuF63–.
Certains produits cuivriques servent comme anticryptogamiques dans le traitement de la vigne.
Les complexes cuivriques de chélation sont généralement plus stables que les complexes simples. On appelle complexe de chélation un complexe dans lequel un même groupement coordonné (coordinat) est lié à l’atome central par plus d’un atome coordinateur ; tel est le cas de l’ion complexe cuivrique avec l’éthylène diamine
H. B.
Métallurgie d’élaboration
• Les minerais sulfurés sont traités suivant le procédé par voie sèche, qui consiste essentiellement à séparer le fer et le soufre grâce aux réactions de plus grande affinité chimique du cuivre pour le soufre et du fer pour l’oxygène. Après les traitements physiques préliminaires de préparation du minerai (concassage, broyage, criblage) et d’enrichissement par flottation, on obtient un minerai concentré, de 15 à 30 p. 100 de cuivre. Par un grillage oxydant au four à réverbère ou par fusion pyritique au four à water-jacket, une partie du sulfure de fer est transformée en oxyde, éliminé par scorification. Il reste alors un mélange de sulfures de cuivre et de fer dit « matte bronze », titrant près de 50 p. 100 de cuivre. Cette matte est traitée au convertisseur à revêtement basique en deux temps :
— durant la première période de fusion oxydante par soufflage d’air et addition de silice, le fer est éliminé dans la scorie, et il reste une « matte blanche », sulfure de cuivre titrant 80 p. 100 de cuivre ;
— au cours de la seconde période de fusion avec oxydation partielle et réaction entre l’oxyde de cuivre formé et le sulfure de cuivre restant, on obtient le cuivre brut, dit « blister » (ampoules de soufflures gazeuses), titrant 99 p. 100 de métal.
• Les minerais oxydés sont traités soit par voie sèche par réduction, soit par voie humide (lixiviation), ou bien ils sont additionnés aux minerais sulfurés et traités avec ces derniers.
Le cuivre brut doit subir un affinage pour que soient éliminées les impuretés telles que le soufre, l’oxygène et les diverses impuretés métalliques, dont la nature et la concentration diffèrent suivant l’origine des minerais. Deux procédés d’affinage sont pratiqués couramment :
— l’affinage thermique au four à réverbère ou au four rotatif par fusion oxydante, scorification, puis oxydation-réduction par le procédé de « perchage » (introduction de perches de bois vert pour le brassage du bain et réactions diverses) ;
— l’affinage électrolytique en milieu sulfurique par le procédé à anodes solubles (cuivre brut à affiner), qui permet de valoriser le cuivre en cathodes titrant au minimum 99,9 p. 100, grâce à la récupération de métaux précieux (argent, or, platine) dans les boues d’électrolyse que l’on recueille et que l’on traite ultérieurement.