Rame

Rame
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	Cu
Numero CAS	7440-50-8
Numero EINECS	231-159-6
PubChem	23978
DrugBank	DBDB09130
SMILES	[Cu]
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
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Rame
; 29	Cu
Aspetto
	Aspetto dell'elementoRame nativo
	Linea spettrale; Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	rame, Cu, 29
Serie	metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco	11, 4, d
Densità	8,92 g/cm³
Durezza	3,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	2S1/2
Proprietà atomiche
Massa atomica	63,546 u
Raggio atomico (calc.)	135(145) pm
Raggio covalente	138 pm
Raggio di van der Waals	140 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d104s1
e− per livello energetico	2, 8, 18, 1
Stati di ossidazione	+1, +2, +3, +4 (debolmente basico)
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (diamagnetico)
Punto di fusione	1 357,6 K (1 084,4 °C)
Punto di ebollizione	2 840 K (2 570 °C)
Volume molare	7,11×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	300,3 kJ/mol
Calore di fusione	13,05 kJ/mol
Tensione di vapore	50,5 mPa a 1 358 K
Velocità del suono	3570 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-50-8
Elettronegatività	1,9 (Scala di Pauling)
Calore specifico	385 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	59,6×106S/m
Conducibilità termica	390 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	745,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 957,9 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 555 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	5 536 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso: isotopo; NA: abbondanza in natura; TD: tempo di dimezzamento; DM: modalità di decadimento; DE: energia di decadimento in MeV; DP: prodotto del decadimento

Il rame è l'elemento chimico di numero atomico 29 e il cui simbolo è Cu.^[1] È il primo elemento del gruppo 11 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi un elemento della prima serie di transizione.^[2]

È chiamato anche "oro rosso" per via della sua colorazione e in parte per il suo valore.^[3]^[4]

Storia ed etimologia

Etimologia

Il nome "rame", attestato in italiano fin dal XIII secolo,^[5] deriva dal latino parlato aramen (parola già attestata nel 950), formatosi dal tardo aeramen,^[6] e questo da aeramentum (piatto o utensile in bronzo o rame).^[7]^[8] Questo è a sua volta un derivato della voce del latino classico aes (genitivo: aeris), che significa "rame" o "bronzo".^[9] Nomi odierni derivati da questo si ritrovano in italiano (rame), in aragonese (arambre) e in alcuni dialetti italiani.^[10]

Solo più tardi Plinio sostituì il termine con cuprum (grafia alternativa di cyprium),^[11] da cui deriva il simbolo chimico dell'elemento, Cu. Cupra, nome molto simile al greco Κύπρος (Kýpros), nome dell'isola di Cipro ed anche un soprannome di Venere (Venere Cipria, nell'Iliade (V, 330)), era una divinità adorata nel territorio piceno^[12] e legata al commercio e alla fertilità. Secondo diversi studi il nome cuprum, molto antico, sarebbe legato a Cipro:^[13] in epoca romana infatti la maggior parte del rame era estratta dall'isola di Cipro; tale rame era chiamato "aes Cyprium", cioè "rame/bronzo di Cipro" (in epoca romana non si faceva differenza tra rame e bronzo).^[14]^[15]

In greco antico il termine che indicava il rame era invece χαλκός (khalkós),^[16] dal quale derivano i nomi di alcuni minerali del rame, come la calcopirite e la calcocite, il nome dei calcogeni^[17] (elementi del gruppo 16) e quello dei calcofili (elementi metallici che preferiscono legarsi allo zolfo invece che all'ossigeno, dei quali il rame è l'elemento rappresentativo).^[18]

Storia

Il rame era noto ad alcune delle civiltà più antiche conosciute e ha una storia di almeno 10.000 anni. Un pendente in rame nativo datato attorno al 9.500 a.C. è stato trovato in Iraq nei monti Zagros nella grotta Šhanidar.^[19]^[20]

Esistono reperti derivanti dalla fusione del rame datati prima del 5.000 a.C., ottenuti dalla raffinazione del rame a partire da minerali come la malachite o l'azzurrite. Tra i siti archeologici in Anatolia, Çatalhöyük (~6000 a.C.) presenta manufatti di rame e perline di piombo fuso, mentre a Can Hasan (~5000 a.C.) è attestata la conoscenza del rame fuso; in questo sito fu prodotto il più antico manufatto conosciuto di rame fuso: una testa di mazza in rame.^[21] In Turchia sono stati ritrovati altri oggetti in rame risalenti al 7000 a.C.^[19]

La fusione del rame sembra essere stata sviluppata indipendentemente in diverse parti del mondo. Oltre al suo sviluppo in Anatolia intorno al 5000 a.C., è stata sviluppata in Cina prima del 2800 a.C., nelle Ande intorno al 2000 a.C., in America centrale intorno al 600 d.C. e nell'Africa Occidentale intorno al 900 d.C.^[21]

Il rame è presente in molti manufatti della civiltà della valle dell'Indo intorno al terzo millennio a.C. In Europa, la mummia del Similaun (chiamata anche Ötzi), datata al 3200 a.C., è stata trovata con un'ascia con punta di rame il cui metallo era puro al 99,7%. Alti livelli di arsenico nei suoi capelli suggeriscono che l'uomo fosse coinvolto nella fusione del rame.^[21]

Ci sono manufatti di rame e bronzo provenienti dalle città sumeriche datate al 3000 a.C. e manufatti egiziani di rame e leghe rame-stagno quasi altrettanto antichi. In una piramide è stato trovato un sistema idraulico in rame vecchio di 5000 anni. Gli Egizi scoprirono che aggiungendo una piccola quantità di stagno il metallo diventava più facile da fondere, così le leghe di bronzo furono trovate in Egitto quasi subito dopo la scoperta del rame.^[21]

In America, la produzione nel Complesso del Vecchio Rame, situato nell'attuale Michigan e Wisconsin, è stata datata tra il 6000 e il 3000 a.C.^[22]

L'Europa iniziò ad utilizzare leghe bronzee prima del 2000 a.C. Dal 2500 a.C. al 600 a.C. l'uso del bronzo fu così diffuso che tale epoca è stata chiamata "Età del bronzo". In alcune regioni il periodo di transizione tra il precedente periodo neolitico e l'età del bronzo è chiamato "Età del rame", con alcuni utensili di rame di elevata purezza usati accanto agli strumenti di pietra. L'ottone era noto ai Greci, ma divenne un supplemento significativo al bronzo solo durante l'impero romano.^[21]

Verso la fine del III millennio a.C., a Saint-Véran (Francia) era nota la tecnica per staccare un pezzo del minerale, batterlo e scaldarlo presso una miniera di rame a un'altitudine di 2.500 metri.^[23]

Durante l'Età del bronzo il rame veniva estratto in diverse miniere in Gran Bretagna e Irlanda, in particolare nella zona sud-occidentale della contea di Cork, nella Scozia occidentale e settentrionale, sull'isola di Anglesey, nella contea di Cheshire, nelle Staffordshire Moorlands e sull'Isola di Man.^[24]

L'estrazione del rame negli Stati Uniti ebbe inizio con lavorazioni marginali da parte dei nativi americani e con alcuni sviluppi da parte dei primi spagnoli. Si sa che il rame veniva estratto da siti sull'Isola Royale con strumenti primitivi di pietra tra l'800 e il 1600. Gli europei estraevano rame nel Connecticut già nel 1709. La più antica miniera di rame su larga scala probabilmente fu la storica miniera Elizabeth nel Vermont. Risalente al 1700, "la Liz" produsse rame fino alla sua chiusura nel 1958. L'espansione verso ovest portò a un incremento dello sfruttamento del rame con lo sviluppo di depositi significativi nel Michigan e in Arizona durante il 1850 e poi in Montana durante il 1860.^[21]

Il rame fu estratto ampiamente nella Penisola di Keweenaw nel Michigan, con il cuore dell'estrazione presso la produttiva miniera Quincy. L'Arizona possedeva molti depositi notevoli, tra cui la Copper Queen a Bisbee e la United Verde a Jerome. La miniera Anaconda a Butte, Montana, divenne il principale fornitore di rame della nazione nel 1886. Tutt'oggi il rame viene estratto in molte altre aree degli Stati Uniti, inclusi Utah, Nevada e Tennessee.^[21]

Nel XVI secolo diventa predominante la produzione di stampe incise su matrice di rame. I primi esempi di incisione su rame sono rappresentate da mappe geografiche. Il passaggio dall'intaglio della matrice lignea all'incisione su rame diventa schiacciante però intorno alla metà del secolo. Un esempio è rappresentato dalla mappa del Piemonte di Giacomo Gastaldi, riprodotta su rame da Fabio Licinio nel 1556 per l'editore Giolitto de Ferrari.^[25]

Chimica nucleare

Caratteristica^[1]^[26]
Numero atomico	29
Massa atomica relativa	63 m_a/kg
Massa molecolare	63,55 g/mol
Massa monoisotopica	62,929597 u
Volume atomico	1,182 10⁻²⁹ m³

Isotopi

Esistono due isotopi stabili del rame, ⁶³Cu e ⁶⁵Cu: tutti gli altri sono instabili e molto radioattivi.^[27] Gran parte di essi ha una emivita di un minuto o meno. Il meno instabile è il ⁶⁴Cu, con semivita di 12,7 ore, che può decadere in due modi diversi: cattura elettronica (ε)/emissione di positrone (β⁺) (61,5%) dando ⁶⁴Ni (stabile) e decadimento β⁻ (38,5%) dando ⁶⁴Zn (stabile).^[28]

Caratteristiche degli isotopi del rame^[29]^[30]^[31]
Nuclide	Z(p)	N(n)	Massa monoisotopica (u)	Emivita	Spin
Nuclide	Energia di eccitazione			Emivita	Spin
⁵²Cu	29	23	51.99718(28)#		(3+)#
⁵³Cu	29	24	52.98555(28)#	<300 ns	(3/2-)#
⁵⁴Cu	29	25	53.97671(23)#	<75 ns	(3+)#
⁵⁵Cu	29	26	54.96605(32)#	40# ms [>200 ns]	3/2-#
⁵⁶Cu	29	27	55.95856(15)#	93(3) ms	(4+)
⁵⁷Cu	29	28	56.949211(17)	196.3(7) ms	3/2-
⁵⁸Cu	29	29	57.9445385(17)	3.204(7) s	1+
⁵⁹Cu	29	30	58.9394980(8)	81.5(5) s	3/2-
⁶⁰Cu	29	31	59.9373650(18)	23.7(4) min	2+
⁶¹Cu	29	32	60.9334578(11)	3.333(5) h	3/2-
⁶²Cu	29	33	61.932584(4)	9.673(8) min	1+
⁶³Cu	29	34	62.9295975(6)	stabile	3/2-
⁶⁴Cu	29	35	63.9297642(6)	12.700(2) h	1+
⁶⁵Cu	29	36	64.9277895(7)	stabile	3/2-
⁶⁶Cu	29	37	65.9288688(7)	5.120(14) min	1+
⁶⁷Cu	29	38	66.9277303(13)	61.83(12) h	3/2-
⁶⁸Cu	29	39	67.9296109(17)	31.1(15) s	1+
^68mCu	721.6(7) keV			3.75(5) min	(6-)
⁶⁹Cu	29	40	68.9294293(15)	2.85(15) min	3/2-
^69mCu	2741.8(10) keV			360(30) ns	(13/2+)
⁷⁰Cu	29	41	69.9323923(17)	44.5(2) s	(6-)
^70m1Cu	101.1(3) keV			33(2) s	(3-)
^70m2Cu	242.6(5) keV			6.6(2) s	1+
⁷¹Cu	29	42	70.9326768(16)	19.4(14) s	(3/2-)
^71mCu	2756(10) keV			271(13) ns	(19/2-)
⁷²Cu	29	43	71.9358203(15)	6.6(1) s	(1+)
^72mCu	270(3) keV			1.76(3) µs	(4-)
⁷³Cu	29	44	72.936675(4)	4.2(3) s	(3/2-)
⁷⁴Cu	29	45	73.939875(7)	1.594(10) s	(1+,3+)
⁷⁵Cu	29	46	74.94190(105)	1.224(3) s	(3/2-)#
⁷⁶Cu	29	47	75.945275(7)	641(6) ms	(3,5)
^76mCu	0(200)# keV			1.27(30) s	(1,3)
⁷⁷Cu	29	48	76.94785(43)#	469(8) ms	3/2-#
⁷⁸Cu	29	49	77.95196(43)#	342(11) ms
⁷⁹Cu	29	50	78.95456(54)#	188(25) ms	3/2-#
⁸⁰Cu	29	51	79.96087(64)#	100# ms [>300 ns]

Abbondanza e disponibilità

Disponibilità

Il rame è un metallo che si trova naturalmente nell'ambiente, nelle rocce, nel suolo, nell'acqua e nell'aria.^[32] Il rame si trova inoltre anche come metabolita del stipite batterico K12 dell'E. coli.^[33] In natura lo si trova generalmente associato allo zolfo.^[34]

Caratteristiche atomiche

È il primo elemento del gruppo 11 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi un elemento di transizione e un metallo pesante.^[35]

Metodi di preparazione

Il rame puro viene generalmente prodotto attraverso un processo in più fasi, che inizia con l'estrazione e la concentrazione di minerali di rame a bassa qualità contenenti solfuri di rame. Successivamente, si procede con la fusione e la raffinazione elettrolitica per ottenere un catodo di rame puro. Una quota crescente di rame viene prodotta mediante lisciviazione acida di minerali ossidati.^[36]

Caratteristiche chimico-fisiche

Il rame è un solido metallico inodore, di colore rossastro, malleabile^[37] e duttile.^[27] Viene commercializzato anche in forma liquida o cristallina.^[38] Assume un colore verdastro, dovuto alla formazione di un carbonato basico, se esposto per lungo tempo all'umidità.^[39]

Risulta insolubile in acqua,^[37] lentamente solubile in una soluzione di ammoniaca e acqua, nonché lievemente solubile in acidi diluiti.^[40] Il coefficiente di ripartizione ottanolo/acqua è pari a -0.57.^[41] Non risulta combustibile ad eccezione di quando si trova sotto forma di polvere.^[42]

È il secondo miglior conduttore di elettricità dopo l'argento, seguito poi dall'oro, tutti e tre dello stesso gruppo 11.^[43] Nell'accezione fisica dell'espressione, fa parte dei "metalli nobili".^[44]

Il rame puro a pressione e temperatura ambiente cristallizza secondo il sistema cubico, formando un reticolo a facce centrate. La sua temperatura di fusione è relativamente alta (1356 K). Come molti altri metalli, specie se dispersi in goccioline di dimensioni micrometriche,^[45] il liquido può sottoraffreddare anche di 200-300 K sotto la temperature di fusione.^[46]^[47] Le proprietà di sottoraffreddamento sono legate alla peculiare struttura locale che si riscontra in metalli liquidi quali il rame, che contiene una percentuale significativa di strutture a simmetria quinaria,^[46] incompatibili con la simmetria traslazionale tipica dei solidi cristallini.

Informazioni strutturali

Caratteristica
Numero di coordinazione^[42]	2, 4
Stati di ossidazione^[48]	−2, +1, +2, +3, +4
Raggio atomico^[49]	1,96 Å
Raggio covalente	1,22 Å
Raggio di Van der Walls^[21]	140 pm
Gruppo spaziale	O h ⁵ - Fm3m
Reticolo cristallino	cubico a facce centrate
Parametri reticolari a 293K	3,6147 × 10⁻¹⁰ m
Vettore di Burgers	2,556 × 10⁻¹⁰ m
Raggio metallico	1,28 × 10⁻¹⁰ m
Numero di atomi per unità^[26]	4

Caratteristiche elettroniche

Caratteristica
Configurazione elettronica	[Ar] 3d¹⁰4s¹
Energia di ionizzazione^[50]	7,72638 eV
Elettronegatvità	1,90
Affinità elettronica^[51]	1,236 ± 0,033 eV
Energia di 1° ionizzazione

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