Rame (Copper)

Il rame, un elemento chimico, è indicato con il simbolo Cu (derivato dal termine latino cuprum) e possiede un numero atomico pari a 29. Questo metallo presenta caratteristiche di morbidezza, malleabilità e duttilità, abbinate a un'eccezionale conduttività termica ed elettrica. Quando appena esposto, il rame puro presenta una caratteristica tonalità rosa-arancio. Le sue applicazioni sono diverse e comprendono ruoli come conduttore di calore ed elettricità, materiale da costruzione e componente fondamentale in varie leghe metalliche, tra cui argento sterling per gioielli, cupronichel per hardware marino e monete e costantana per estensimetri e termocoppie per la misurazione della temperatura.

Il rame è un elemento chimico; ha simbolo Cu (dal latino cuprum) e numero atomico 29. È un metallo morbido, malleabile e duttile con altissima conduttività termica ed elettrica. Una superficie di rame puro appena esposta ha un colore rosa-arancio. Il rame è utilizzato come conduttore di calore ed elettricità, come materiale da costruzione e come componente di varie leghe metalliche, come l'argento sterling utilizzato in gioielleria, il cupronichel utilizzato per realizzare monete e hardware marino e la costantana utilizzata negli estensimetri e nelle termocoppie per la misurazione della temperatura.

Essendo uno dei rari metalli nativi, il rame si trova naturalmente in uno stato metallico non legato, direttamente utilizzabile. Questa caratteristica ne ha facilitato l'adozione molto precoce da parte degli esseri umani in più regioni, risalente a circa c. 8000 a.C.. I millenni successivi videro il rame diventare il primo metallo ad essere fuso dai minerali di solfuro intorno al ca. 5000 a.C., il primo ad essere fuso in forme specifiche utilizzando stampi intorno al ca. 4000 a.C., e il metallo iniziale intenzionalmente legato con un altro, in particolare lo stagno, per produrre bronzo, circa c. 3500 a.C..

I sali di rame(II) rappresentano composti frequentemente incontrati, che spesso conferiscono una colorazione blu o verde a minerali come azzurrite, malachite e turchese. Questi composti sono stati storicamente utilizzati come pigmenti ampiamente utilizzati.

Nelle applicazioni architettoniche, in particolare nelle coperture, il rame subisce un'ossidazione, con conseguente formazione di una patina verde composta da composti noti collettivamente come verderame. Inoltre, il rame trova uso occasionale nelle arti decorative, sia come metallo elementare che nelle sue forme composte come pigmenti. I composti del rame funzionano anche come agenti batteriostatici, fungicidi e preservanti del legno.

Il rame è un elemento indispensabile per tutti gli organismi aerobici e svolge un ruolo cruciale nel metabolismo dell'ossigeno. La sua presenza è nota in componenti biologici chiave, tra cui il complesso enzimatico respiratorio citocromo c ossidasi, la proteina emocianina che trasporta l'ossigeno e varie idrossilasi. Il tipico corpo umano adulto contiene circa 1,4-2,1 milligrammi di rame per chilogrammo di peso corporeo.

Etimologia

La nomenclatura di questo metallo deriva dalla frase latina aes cyprium, che significa "metallo di Cipro". Questo termine successivamente si è evoluto in cuprum nel tardo latino. L'inglese antico lo assimilò come Coper, da cui deriva la parola moderna rame, documentata per la prima volta nel XII secolo.

Caratteristiche

Fisico

Rame, argento e oro sono posizionati nel gruppo 11 della tavola periodica. Questi tre metalli si distinguono per la presenza di un singolo elettrone orbitale s sovrapposto a un guscio di elettrone d completamente riempito e mostrano una notevole duttilità, insieme a un'elevata conduttività elettrica e termica. I gusci D riempiti all'interno di questi elementi esercitano un'influenza minima sulle interazioni interatomiche, che sono prevalentemente governate da elettroni s che formano legami metallici. A differenza dei metalli che possiedono gusci a D incompleti, i legami metallici del rame mancano di un carattere covalente significativo e sono relativamente deboli. Questa caratteristica spiega la bassa durezza e l'elevata duttilità osservate nei singoli cristalli di rame. A livello macroscopico, l’incorporazione di difetti estesi, come i bordi dei grani, nel reticolo cristallino impedisce il flusso del materiale sotto stress applicato, aumentandone di conseguenza la durezza. Pertanto, il rame viene generalmente fornito in uno stato policristallino a grana fine, che offre una resistenza superiore rispetto alle sue controparti monocristalline.

La morbidezza intrinseca del rame spiega parzialmente la sua eccezionale conduttività elettrica (59,6×10⁶ S/m) e l'elevata conduttività termica, classificandosi secondo solo all'argento tra i metalli puri a temperatura ambiente. Questo fenomeno è attribuito al fatto che la resistività al trasporto degli elettroni nei metalli a temperatura ambiente deriva principalmente dalla dispersione degli elettroni da parte delle vibrazioni del reticolo termico, che sono relativamente attenuate in un metallo morbido.

Il rame si distingue come uno dei pochi elementi metallici che esibisce un colore naturale distinto dal grigio o dall'argento. Il rame puro mostra una tonalità rosso-arancio e sviluppa un appannamento rossastro se esposto alle condizioni atmosferiche. Questa colorazione è una conseguenza della bassa frequenza del plasma del metallo, che rientra nella regione rossa dello spettro visibile, portando così all'assorbimento della luce verde e blu a frequenza più elevata.

Coerentemente con altri elementi metallici, quando il rame viene messo a contatto con un metallo diverso in presenza di un elettrolita, si verifica una corrosione galvanica.

Chimico

Il rame non reagisce con l'acqua; tuttavia, interagisce gradualmente con l'ossigeno atmosferico, dando luogo alla formazione di uno strato di ossido di rame marrone-nero. Questo strato, distinto dalla ruggine che si sviluppa sul ferro in condizioni umide, serve a proteggere il metallo sottostante dalla successiva corrosione attraverso un processo noto come passivazione. Spesso, una patina verde di verderame, o carbonato di rame, diventa visibile su strutture in rame invecchiato, esemplificate dalle coperture di numerosi edifici storici e dalla Statua della Libertà. L'esposizione a determinati composti dello zolfo provoca l'ossidazione del rame, poiché reagisce producendo vari solfuri di rame.

Isotopi

Il rame possiede 29 isotopi conosciuti. Tra questi, ⁶³
Cu e ⁶⁵
Cu sono stabili, con ⁶³
Cu che costituisce circa il 69% del rame naturale. Entrambi gli isotopi stabili mostrano uno spin di §34^{35§⁄§3637§. Gli isotopi rimanenti sono radioattivi, con 67
Cu che è il più stabile, con un tempo di dimezzamento di 61,83 ore. Inoltre, sono stati identificati dieci isomeri metastabili, con 68m
Cu con l'emivita più lunga pari a 3,8 minuti. Gli isotopi che possiedono un numero di massa maggiore di 64 subiscono un decadimento β−, mentre quelli con un numero di massa inferiore a 64 decadono tramite β+. In particolare, §68}69§
Cu, con un'emivita di 12,7 ore, mostra un decadimento attraverso entrambi i percorsi.

Entrambi ⁶²
Cu e ⁶⁴
Cu possiede notevoli applicazioni. Nello specifico, ⁶²
Cu è impiegato all'interno di ⁶²
Cu-PTSM come tracciante radioattivo per scansioni di tomografia a emissione di positroni (PET).

Evento

Il rame ha origine nelle stelle massicce e costituisce circa 50 parti per milione (ppm) della crosta terrestre. Naturalmente, il rame si trova in diverse forme minerali, tra cui rame nativo, vari solfuri di rame (ad esempio calcopirite,bornite, digenite, covellite, calcocite), solfosali di rame (ad esempio tetraedrite-tennantite, enargite), carbonati di rame (ad esempio azzurrite, malachite) e come ossidi di rame (I) o rame (II) (ad esempio cuprite, tenorite). La massa più consistente di rame elementare mai scoperta pesava 420 tonnellate e fu portata alla luce nel 1857 nella penisola di Keweenaw nel Michigan, negli Stati Uniti. Il rame nativo si forma tipicamente come un policristallo; tuttavia, il cristallo singolo più grande documentato misurava 4,4 × 3,2 × 3,2 cm. Classificato come il 26° elemento più abbondante nella crosta terrestre, la concentrazione di rame di 50 ppm contrasta con 75 ppm di zinco e 14 ppm di piombo.

Le concentrazioni di fondo di rame rimangono tipicamente inferiori a 1 ng/m³ nell'atmosfera, 150 mg/kg nel suolo, 30 mg/kg nella vegetazione, 2 μg/L in acqua dolce e 0,5 μg/L in acqua di mare.

Produzione

La maggior parte del rame viene ottenuta attraverso l'estrazione mineraria o l'estrazione come solfuri di rame da estese operazioni a cielo aperto all'interno di depositi di rame porfirico, che in genere contengono dallo 0,4 all'1,0% di rame. Luoghi minerari degni di nota includono Chuquicamata in Cile, la miniera di Bingham Canyon nello Utah, Stati Uniti, e la miniera di El Chino nel New Mexico, Stati Uniti. Il British Geological Survey ha riferito che nel 2005 il Cile guidava la produzione mondiale di rame, rappresentando almeno un terzo della quota mondiale, seguito da Stati Uniti, Indonesia e Perù. Essendo il principale produttore di rame al mondo, si prevede che il Cile fornirà il 70% delle importazioni di rame raffinato e leghe agli Stati Uniti fino al 2024. Insieme al Canada (17%) e al Perù (7%), queste nazioni contribuiscono collettivamente al 94% delle importazioni di rame degli Stati Uniti. Inoltre, il rame può essere recuperato utilizzando il processo di lisciviazione in situ. Molteplici località all'interno dell'Arizona sono considerate siti promettenti per l'implementazione di questa tecnica di recupero. Il consumo globale di rame è in aumento, ma la quantità disponibile è appena sufficiente affinché tutte le nazioni raggiungano livelli di utilizzo paragonabili a quelli dei paesi sviluppati. I noduli polimetallici, trovati a una profondità di circa 3.000-6.500 metri sotto il livello del mare nell'Oceano Pacifico, rappresentano una fonte alternativa di rame attualmente oggetto di studio per la raccolta. Questi noduli contengono anche altri metalli preziosi, tra cui cobalto e nichel.

Riserve e prezzi

Il rame è stato utilizzato per almeno dieci millenni, ma oltre il 95% del rame totale mai estratto e lavorato è stato ottenuto a partire dall'inizio del XX secolo. Analogamente a numerose altre risorse naturali, la Terra possiede un'immensa quantità totale di rame; nel chilometro più superficiale della crosta terrestre sono presenti circa 10¹⁴ tonnellate, che rappresentano una fornitura stimata per cinque milioni di anni agli attuali ritmi di estrazione. Tuttavia, solo una piccola parte di queste vaste riserve è attualmente considerata economicamente fattibile per l’estrazione, dati gli attuali prezzi di mercato e le capacità tecnologiche. Le proiezioni per le riserve di rame estraibile vanno da 25 a 60 anni, a seconda delle ipotesi fondamentali, compresi i tassi di crescita futuri. Nei mercati globali contemporanei, il riciclaggio costituisce una fonte significativa di rame.

I prezzi del rame mostrano una volatilità significativa. Dopo un picco osservato nel 2022, il prezzo della merce ha subito un calo inaspettato. Tuttavia, nel maggio 2024, il prezzo sul London Metal Exchange era salito a un livello senza precedenti, superando gli 11.000 dollari per tonnellata.

Il mercato globale del rame è uno dei più ampiamente mercificati e finanziarizzati all'interno del più ampio settore delle materie prime, una caratteristica che ha mantenuto per diversi decenni. I principali esportatori di rame non raffinato sono lo Zambia (6,95 miliardi di dollari) e il Cile (2,16 miliardi di dollari), seguiti successivamente dalla Repubblica Democratica del Congo (1,41 miliardi di dollari). Al contrario, i principali importatori di rame grezzo sono stati la Cina (6,13 miliardi di dollari), la Svizzera (3,15 miliardi di dollari) e l'India (2,05 miliardi di dollari).

Domanda globale di rame

Per il 2024, si prevede che la produzione globale di rame sarà pari a circa 22,8-22,9 milioni di tonnellate. La domanda di rame sta registrando una tendenza al rialzo, guidata principalmente dalla transizione energetica globale verso l’elettrificazione. La Cina da sola costituisce oltre il 50% di questa domanda globale.

Processi di estrazione del rame

La percentuale predominante dei minerali di rame è costituita da solfuri. Esempi comuni di questi minerali solforati includono calcopirite (CuFeS₂),bornite (Cu₅FeS₄) e, in misura minore, covellite (CuS) e calcocite (Cu§6_{7§S). Questi minerali presentano tipicamente concentrazioni di rame inferiori all'1%. Di conseguenza, la concentrazione del minerale è fondamentale, iniziando con la sminuzzamento e successivamente impiegando la flottazione con schiuma. Il concentrato risultante viene quindi sottoposto a fusione, un processo che può essere chiarito attraverso due equazioni chimiche semplificate:}

• Il solfuro rameoso subisce ossidazione, producendo ossido rameoso:

2 Cu₂S + 3 O₂ → 2 Cu§4_{5§O + 2 SO§67§}

• Dopo riscaldamento, l'ossido rameoso reagisce con il solfuro rameoso, facilitandone la conversione in rame blister:

2 Cu₂O + Cu₂S → 6 Cu + 2 SO§4_5§

Questo processo produce rame grezzo, che in genere comprende circa il 98% di rame in peso. La successiva purificazione tramite elettrolisi affina il rame fino a un livello di purezza fino al 99,99%. Durante la raffinazione elettrolitica, piccole quantità di argento e oro possono precipitare, formando fanghi che possono essere ulteriormente lavorati per il recupero di questi metalli preziosi.

Oltre ai minerali solforati, gli ossidi costituiscono un'altra categoria significativa di minerali contenenti rame. Questi minerali di ossido rappresentano circa il 15% della fornitura globale di rame. Il processo di arricchimento degli ossidi prevede tipicamente l'estrazione utilizzando soluzioni di acido solforico, seguita dall'elettrolisi. Contemporaneamente ai metodi sopra menzionati per i minerali concentrati di solfuri e ossidi, il rame viene anche recuperato dagli sterili delle miniere e dalle operazioni di lisciviazione dei cumuli. Vengono impiegate diverse tecniche, come la lisciviazione con acido solforico, ammoniaca e cloruro ferrico. Inoltre, vengono utilizzati anche metodi biologici.

I noduli polimetallici rappresentano una potenziale fonte di rame, presentando una concentrazione stimata dell'1,3%.

Riciclaggio del rame

Secondo il rapporto "Metal Stocks in Society" dell'International Resource Panel, l'inventario globale pro capite di rame attualmente utilizzato dalla società varia da 35 a 55 kg. Una parte sostanziale di questo stock è concentrata nelle nazioni più sviluppate (140-300 kg pro capite), in contrasto con cifre inferiori nei paesi meno sviluppati (30-40 kg pro capite). Nel 2001, un’automobile standard incorporava tra i 20 e i 30 kg di rame. Nel 2014, il contenuto di rame e leghe di rame nei veicoli con motore a combustione interna era sceso a 16,8 kg, per poi salire a 24,5 kg entro il 2023. Allo stesso tempo, un veicolo elettrico a batteria incorpora in genere circa 91 kg di rame e sue leghe.

Similmente all'alluminio, il rame può essere riciclato indefinitamente senza alcun degrado della qualità, sia proveniente dallo stato grezzo che da manufatti. Si stima che l’80% di tutto il rame mai estratto rimanga in circolazione attiva. In termini di volume, il rame è il terzo metallo più riciclato, dopo ferro e alluminio. Nel 2023, il rame riciclato contribuisce per circa un terzo alla domanda mondiale.

La metodologia per riciclare il rame rispecchia in gran parte quella utilizzata per la sua estrazione primaria, sebbene richieda meno fasi procedurali. I rottami di rame ad elevata purezza vengono fusi in una fornace, successivamente ridotti e quindi fusi in billette e lingotti. Al contrario, i rottami di purezza inferiore vengono fusi per produrre rame nero (puro al 70–90%, contenente impurità tra cui ferro, zinco, stagno e nichel). Segue l'ossidazione di queste impurità in un convertitore per produrre rame blister (puro al 96–98%), che viene poi sottoposto a ulteriore raffinazione attraverso i metodi precedentemente descritti.

Impatti ambientali

L'estrazione del rame è un processo ad alta intensità energetica. Questo processo genera flussi di rifiuti significativi, tra cui polvere potenzialmente tossica e contaminazione da metalli pesanti in prossimità degli impianti di raffinazione. Poiché la maggior parte dei minerali di rame sono solfuri, la fusione diventa un passaggio necessario. Le operazioni di fusione producono anidride solforosa, un precursore dell'acido solforico atmosferico, a meno che non vengano implementati meccanismi di cattura efficaci. Circa il 15% del rame deriva da giacimenti minerari di bassa qualità (diluiti). La lavorazione di questi minerali coinvolge tipicamente l'idrometallurgia, che necessita di estraenti acidi che persistono nei flussi di rifiuti in seguito alla deposizione elettrolitica del rame.

Leghe

È stata sviluppata un'ampia gamma di leghe di rame, molte delle quali possiedono applicazioni significative. L'ottone, ad esempio, è una lega composta da rame e zinco. Mentre il bronzo denota tipicamente le leghe rame-stagno, il termine può comprendere altre leghe di rame, come il bronzo all'alluminio. Per secoli, i bronzi rame-stagno, spesso incorporanti vari metalli aggiuntivi, sono stati utilizzati nella fusione delle campane, con la composizione della lega che influenza direttamente la qualità tonale e le proprietà meccaniche dello strumento. Nell'industria della gioielleria, il rame funge da componente cruciale nelle saldature in argento e oro carato, dove modifica il colore, la durezza e il punto di fusione delle leghe risultanti. Inoltre, alcune saldature senza piombo sono formulate a partire da stagno legato con proporzioni minori di rame e altri elementi metallici.

Il cupronichel, una lega di rame e nichel, trova applicazione nelle monete di basso valore, spesso fungendo da rivestimento esterno. La moneta da cinque centesimi degli Stati Uniti, attualmente nota come nickel, comprende una composizione omogenea di 75% di rame e 25% di nichel. Prima dell'adozione diffusa del cupronichel da parte di varie nazioni nella seconda metà del XX secolo, venivano impiegate anche le leghe rame-argento; ad esempio, gli Stati Uniti utilizzarono una lega composta dal 90% di argento e dal 10% di rame fino al 1965. A quel tempo, l'argento circolante fu eliminato da tutte le monete tranne il mezzo dollaro, che fu successivamente degradato a una lega di 40% argento e 60% rame tra il 1965 e il 1970. Una lega composta da 90% rame e 10% nichel, nota per la sua resistenza alla corrosione, viene impiegata in numerose applicazioni esposte all'acqua di mare, sebbene presenti sensibilità ai solfuri occasionalmente presenti nei porti e negli estuari contaminati. Le leghe rame-alluminio (circa il 7% di alluminio) possiedono una tonalità dorata e vengono utilizzate in oggetti decorativi. Shakudō è una tradizionale lega di rame decorativa giapponese contenente una piccola percentuale di oro, in genere il 4–10%, che può essere patinata per ottenere una colorazione blu scuro o nera.

Composti

Il rame presenta una vasta gamma di composti, che adottano tipicamente gli stati di ossidazione +1 e +2, comunemente indicati rispettivamente come cuproso e rame. Questi composti di rame sono noti per promuovere o catalizzare una moltitudine di processi chimici e biologici.

Composti binari

Similmente ad altri elementi, i composti più semplici del rame sono binari, nel senso che sono costituiti da soli due elementi; esempi principali includono ossidi, solfuri e alogenuri. Sono stati identificati sia gli ossidi rameosi che quelli rameici. Sono riconosciuti una varietà di solfuri di rame, principalmente per la loro importanza come minerali. Gli esempi stechiometricamente più semplici includono il solfuro di rame(I) (Cu₂S) e il monosolfuro di rame (CuS).

Il cloruro rameoso, il bromuro e lo ioduro sono composti consolidati, mentre il fluoruro di rame(I) si è dimostrato sfuggente. Il fluoruro rameico, il cloruro e il bromuro sono altrettanto ben caratterizzati. Gli sforzi per sintetizzare lo ioduro di rame (II) portano esclusivamente alla formazione di ioduro di rame (I) e iodio.

2 Cu²⁺ + 4 I⁻ → 2 CuI + I§4^5§

Chimica di coordinazione

Il rame forma facilmente complessi di coordinazione con vari ligandi. Nelle soluzioni acquose, il rame(II) è presente come complesso esaidrato, [Cu(H
§67§O)
§15_16§]²⁺
. Questo particolare complesso dimostra il tasso di scambio dell'acqua più rapido (riferendosi alla cinetica di associazione e dissociazione del ligando dell'acqua) tra tutti i complessi acquosi di metalli di transizione conosciuti. L'aggiunta di idrossido di sodio acquoso induce la precipitazione di idrossido di rame (II) solido, di colore azzurro. Una rappresentazione semplificata di questa reazione è fornita dalla seguente equazione:

Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)§4^5§

Similmente l'introduzione di ammoniaca acquosa produce questo precipitato. Tuttavia, con l'aggiunta di ammoniaca in eccesso, il precipitato si ridiscioglie, portando alla formazione di tetraamminorame(II):

Cu(H
§67§O)
§1516§(OH)
§2425§ + 4 NH§29^{30§ → [Cu(H
§3738§O)
§4647§(NH
§5556§)
§64}65§]²⁺
+ 2 H§7879§O + 2 OH⁻

È noto che numerosi altri ossianioni formano complessi; esempi degni di nota comprendono acetato di rame (II), nitrato di rame (II) e carbonato di rame (II). Il solfato di rame (II) cristallizza come pentaidrato blu, ampiamente riconosciuto come il composto di rame più comune riscontrato in ambienti di laboratorio. Questo composto trova applicazione come componente della poltiglia bordolese, noto fungicida.

I polioli, definiti come composti che possiedono più gruppi funzionali alcolici, tipicamente interagiscono con i sali rameici. Ad esempio, i sali di rame vengono impiegati in analisi progettate per rilevare gli zuccheri riducenti. Più precisamente, la presenza di tali zuccheri è indicata da una netta trasformazione del colore dal blu Cu(II) all'ossido di rame(I) rossastro quando si utilizza il reagente di Benedict e la soluzione di Fehling. Il reagente di Schweizer, insieme ad analoghi complessi che incorporano etilendiammina e altre ammine, possiede la capacità di sciogliere la cellulosa. È noto che gli amminoacidi formano complessi chelati eccezionalmente stabili con il rame(II).

Chimica dell'organorame

Si definiscono composti organorame quelle specie chimiche caratterizzate dalla presenza di un legame diretto carbonio-rame. Questi composti mostrano una significativa reattività con l'ossigeno, portando alla formazione di ossido di rame (I) e sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni chimiche. La loro sintesi prevede tipicamente la reazione di composti di rame (I) con reagenti di Grignard, alchini terminali o reagenti organolitio; in particolare, quest'ultimo metodo produce un reagente Gilman. I composti organorame sono in grado di subire reazioni di sostituzione con alogenuri alchilici, generando prodotti di accoppiamento, il che sottolinea il loro significato nella sintesi organica. Sebbene l'acetiluro di rame (I) sia particolarmente sensibile agli urti, funge da intermedio cruciale in reazioni come l'accoppiamento Cadiot-Chodkiewicz e l'accoppiamento Sonogashira. Inoltre, i composti organorame facilitano l'addizione coniugata agli enoni e la carbocuprazione degli alchini. È noto anche che il rame(I) forma diversi complessi deboli con alcheni e monossido di carbonio, in particolare quando sono presenti ligandi amminici.

Rame(III) e Rame(IV)

Il rame (III) si osserva prevalentemente nei composti di ossido. Un esempio semplice è il cuprato di potassio, KCuO₂, che si presenta come un solido blu-nero. I superconduttori cuprati rappresentano la classe di composti del rame(III) più approfonditamente studiata. L'ossido di ittrio bario rame (YBa₂Cu§45§O₇) incorpora entrambi i centri Cu(II) e Cu(III) all'interno della sua struttura. Simile all'ossido, il fluoruro funziona come un anione altamente basico ed è noto per la sua capacità di stabilizzare gli ioni metallici in stati di ossidazione elevati. Di conseguenza, sono stati identificati fluoruri sia di rame(III) che anche di rame(IV), esemplificati rispettivamente da K§89§CuF§10_{11§ e Cs§1213§CuF§1415§.}

Alcune proteine ​​di rame generano oxo complessi che, all'interno di sistemi analoghi sintetici accuratamente studiati, mostrano rame(III). In presenza di tetrapeptidi, i complessi viola di rame(III) raggiungono la stabilizzazione attraverso ligandi ammidici deprotonati.

I complessi di rame(III) funzionano inoltre come intermedi nelle reazioni che coinvolgono composti organorame, come la reazione Kharasch-Sosnovsky.

Ruolo biologico

Biochimica

L'importanza biologica del rame è emersa contemporaneamente all'avvento dell'ossigeno nell'atmosfera terrestre. Le proteine ​​del rame svolgono varie funzioni nel trasporto biologico degli elettroni e nella distribuzione dell'ossigeno, processi che sfruttano la facile interconversione tra gli stati di ossidazione del Cu(I) e del Cu(II). Il rame è indispensabile per i processi di respirazione aerobica che avvengono in tutti gli organismi eucarioti. All'interno dei mitocondri, il rame è un costituente della citocromo c ossidasi, la proteina terminale nella via della fosforilazione ossidativa responsabile della sintesi di ATP. Durante il trasferimento degli elettroni all'ossigeno, gli atomi di rame all'interno di questo enzima subiscono un'alternanza di riduzione e ossidazione. Inoltre, il rame è presente in numerose superossido dismutasi, che sono enzimi che catalizzano la decomposizione dei superossidi attraverso la sproporzione, producendo ossigeno e perossido di idrogeno:

• Cu²⁺-SOD + O₂⁻ → Cu⁺-SOD + O§8_{9§ (riduzione del rame; ossidazione del superossido)}
• Cu⁺-SOD + O₂⁻ + 2H⁺ → Cu²⁺-SOD + H§10_{11§O§1213§ (ossidazione del rame; riduzione del superossido)}

L'emocianina, una proteina, funziona come molecola di trasporto dell'ossigeno nella maggior parte dei molluschi e in alcuni artropodi, compreso il granchio a ferro di cavallo (Limulus polyphemus). La caratteristica colorazione blu dell'emocianina fa sì che questi organismi possiedano sangue blu, in contrasto con il sangue rosso associato all'emoglobina contenente ferro. Laccasi e tirosinasi mostrano somiglianze strutturali con l'emocianina; tuttavia, anziché legare in modo reversibile l'ossigeno, queste proteine ​​catalizzano l'idrossilazione dei substrati, come esemplificato dal loro coinvolgimento nella sintesi della lacca.

Alcune proteine ​​del rame, in particolare le "proteine ​​del rame blu", non interagiscono direttamente con i substrati e pertanto non sono classificate come enzimi. Queste proteine ​​facilitano il relè elettronico attraverso il meccanismo del trasferimento di elettroni. Un caratteristico centro di rame tetranucleare è stato identificato all'interno dell'ossido nitroso reduttasi.

Le concentrazioni di rame sono meticolosamente regolate sia nelle cellule procariotiche che in quelle eucariotiche per mantenere le funzioni fisiologiche essenziali prevenendo contemporaneamente l'accumulo di sostanze tossiche.

Nutrizione

Il rame costituisce un oligoelemento indispensabile per piante e animali, sebbene la sua essenzialità non si estenda a tutti i microrganismi. L'organismo umano contiene tipicamente concentrazioni di rame che vanno da circa 1,4 a 2,1 mg per chilogrammo di massa corporea.

Assorbimento e regolazione

Dopo l'assorbimento intestinale, il rame viene trasportato al fegato mentre è legato all'albumina. Il successivo trattamento epatico facilita la distribuzione del rame ad altri tessuti durante una fase secondaria, mediata principalmente dalla proteina ceruloplasmina, che trasporta la maggior parte del rame circolante nel flusso sanguigno. La ceruloplasmina trasporta anche il rame destinato all'escrezione nel latte e questa forma è particolarmente ben assorbita come fonte di rame nella dieta. All'interno dell'organismo, il rame è tipicamente sottoposto alla circolazione enteroepatica, che coinvolge circa 5 mg al giorno, in contrasto con circa 1 mg al giorno assorbito dalla dieta e successivamente escreto. L'organismo possiede meccanismi per espellere il rame in eccesso, quando necessario, attraverso la bile, che trasporta una porzione di rame epatico che non viene successivamente riassorbito dall'intestino.

Le concentrazioni e i meccanismi di trasporto del rame sono soggetti a severo controllo normativo. Sono stati isolati con successo almeno due distinti accompagnatori specifici del rame.

Raccomandazioni dietetiche

Nel 2001, l'Istituto di Medicina degli Stati Uniti ha rivisto i fabbisogni medi stimati (EAR) e le dosi dietetiche raccomandate (RDA) per il rame. Quando i dati insufficienti precludono la creazione di EAR e RDA, viene utilizzata una stima di assunzione adeguata (AI). Gli AI per il rame sono specificati come 200 μg per i bambini di età compresa tra 0 e 6 mesi (entrambi i sessi) e 220 μg per i bambini di età compresa tra 7 e 12 mesi (entrambi i sessi). Per entrambi i sessi, le RDA per il rame sono: 340 μg per gli individui di età compresa tra 1 e 3 anni, 440 μg per quelli di età compresa tra 4 e 8 anni, 700 μg per quelli di età compresa tra 9 e 13 anni, 890 μg per quelli di età compresa tra 14 e 18 anni e 900 μg per individui di età pari o superiore a 19 anni. Durante la gravidanza, la raccomandazione è di 1.000 μg e durante l'allattamento 1.300 μg. Per quanto riguarda la sicurezza, l’Institute of Medicine stabilisce anche i livelli massimi di assunzione tollerabili (UL) per vitamine e minerali quando esistono prove adeguate. Per il rame, l'UL è fissato a 10 mg/giorno. Collettivamente, EAR, RDA, AI e UL sono designati come assunzioni dietetiche di riferimento.

L'Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) designa questo insieme completo di linee guida nutrizionali come valori dietetici di riferimento, utilizzando l'assunzione di riferimento della popolazione (PRI) al posto della RDA e del fabbisogno medio invece dell'EAR. Le definizioni di assunzione adeguata (AI) e livello di assunzione superiore tollerabile (UL) sono in linea con quelle impiegate negli Stati Uniti. Per gli adulti di età pari o superiore a 18 anni, gli AI sono fissati a 1,3 mg/giorno per le donne e 1,6 mg/giorno per gli uomini. Durante la gravidanza e l'allattamento, l'IA è di 1,5 mg/giorno. Per le popolazioni pediatriche di età compresa tra 1 e 17 anni, gli AI aumentano progressivamente con l’età, variando da 0,7 a 1,3 mg/giorno. In particolare, queste IA europee superano le corrispondenti RDA statunitensi. L'EFSA ha inoltre valutato i parametri di sicurezza e ha stabilito che il suo UL è pari a 5 mg/giorno, che rappresenta la metà del valore stabilito dagli Stati Uniti.

Nel contesto dell'etichettatura degli alimenti e degli integratori alimentari statunitensi, la quantità di una sostanza nutritiva per porzione viene presentata come percentuale del valore giornaliero (%DV). Nel 2019, il valore di riferimento per il 100% del valore giornaliero del rame è stato adeguato a 0,9 mg, allineandolo alla dose dietetica raccomandata (RDA).

Carenza

Dato il suo ruolo fondamentale nel facilitare l'assorbimento del ferro, una carenza di rame può manifestarsi con sintomi simili all'anemia, neutropenia, anomalie scheletriche, ipopigmentazione, crescita compromessa, maggiore suscettibilità alle infezioni, osteoporosi, ipertiroidismo e disregolazione del metabolismo del glucosio e del colesterolo. La malattia di Wilson, invece, rappresenta una malattia genetica caratterizzata dall'accumulo patologico di rame all'interno dei tessuti corporei.

Per i conigli europei, una concentrazione minima di rame nella dieta di 3 ppm è considerata essenziale per uno sviluppo sano. Tuttavia, è stato dimostrato che livelli elevati di rame nella dieta, in particolare 100 ppm, 200 ppm o 500 ppm, hanno un impatto positivo sull'efficienza di conversione del mangime, sui tassi di crescita e sulle percentuali di medicazione delle carcasse in questi animali.

La grave carenza di rame è identificabile attraverso test diagnostici che rivelano una diminuzione delle concentrazioni di rame nel plasma o nel siero, livelli ridotti di ceruloplasmina e una diminuzione dell'attività della superossido dismutasi dei globuli rossi; tuttavia, questi marcatori mancano di sensibilità per rilevare lo stato marginale del rame. Sebbene "l'attività della citocromo C ossidasi dei leucociti e delle piastrine" sia stata proposta come ulteriore indicatore di carenza, la sua utilità diagnostica rimane non confermata attraverso studi di replica indipendenti.

Tossicità

La tossicità cronica del rame in genere non viene osservata negli esseri umani a causa di efficienti sistemi di trasporto fisiologico che ne regolano meticolosamente l'assorbimento e l'escrezione. Di conseguenza, la ritenzione di rame non è prevista quando i livelli di assunzione giornaliera vengono mantenuti a 5 mg.

Le ricerche hanno stabilito una correlazione tra la regolazione dei livelli sistemici di rame e la patogenesi di diversi disturbi neurologici, in particolare il morbo di Alzheimer. Questi studi suggeriscono che il problema di fondo è un deterioramento correlato all'età dei meccanismi di regolazione intrinseci, piuttosto che una tossicità indotta dall'esposizione diretta.

La tossicità acuta del rame negli esseri umani, che porta a insufficienza epatica irreversibile, è stata documentata in seguito all'ingestione di quantità di grammi di vari sali di rame durante tentativi di suicidio. Inoltre, le mutazioni autosomiche recessive che colpiscono le proteine di trasporto del rame possono provocare disfunzioni regolatorie, che si manifestano come la malattia di Wilson, caratterizzata da accumulo di rame, cirrosi epatica e manifestazioni psichiatriche.

Bioleaching

I sistemi di biolisciviazione su scala industriale utilizzano batteri per l'estrazione del rame. In questo processo, le soluzioni microbiche vengono fatte filtrare attraverso il minerale frantumato, facilitando la conversione dei solfuri di rame insolubili in solfati di rame solubili. Successivamente, il rame ad elevata purezza viene recuperato dalla soluzione risultante tramite elettroestrazione.

Esposizione umana

Negli Stati Uniti, l'OSHA (Occupational Safety and Health Administration) ha stabilito un limite di esposizione consentito (PEL) per la polvere di rame sul posto di lavoro a una media ponderata nel tempo (TWA) di 1 mg/m³ e per i fumi di rame a 0,1 mg/m³. Allo stesso tempo, l’Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) raccomanda un limite di esposizione (REL) di 1 mg/m§45§, anche come media ponderata nel tempo. La concentrazione considerata immediatamente pericolosa per la vita e la salute (IDLH) è 100 mg/m§67§. In particolare, il rame è presente anche come componente del fumo di tabacco.

Storia

Era preistorica

Età del rame

Il rame metallico nativo, presente in natura, è stato riconosciuto e utilizzato da alcune delle prime civiltà documentate. Il primo utilizzo conosciuto del rame nativo risale al 9000 a.C. in Medio Oriente, con un pendente scoperto nel nord dell'Iraq datato specificatamente all'8700 a.C. Prima del rame, le prove archeologiche indicano che l’oro e il ferro meteorico (ma non il ferro fuso) erano gli unici metalli utilizzati dall’uomo. Si ritiene generalmente che l'evoluzione della metallurgia del rame sia progredita attraverso fasi distinte: inizialmente, la lavorazione a freddo del rame nativo, seguita dalla ricottura, quindi dalla fusione e, infine, dalla fusione. Le prove archeologiche più antiche della fusione, o metallurgia a caldo, in Eurasia provengono dai Balcani e dai Carpazi, dove i manufatti in rame prodotti tramite fusione e fusione sono stati datati approssimativamente al 6.200 ~ 5.000 a.C., che segna l'avvento della metallurgia del rame.

All'interno dell'Old Copper Complex del Michigan e del Wisconsin, la fabbricazione di manufatti in rame non fuso e lavorato a freddo è datato tra il 6500 e il 3000 a.C., inclusa una punta di lancia in rame scoperta nel Wisconsin dal 6500 a.C. La datazione radiometrica indica che le popolazioni indigene del Complesso del Rame Antico nella regione dei Grandi Laghi nordamericani utilizzavano il rame già nel 7500 a.C. È anche plausibile che queste comunità indigene fossero impegnate nell'estrazione del rame durante questo periodo, rappresentando potenzialmente uno dei primi esempi al mondo di estrazione del rame. Ulteriori prove, derivate dall'inquinamento preistorico da piombo trovato nei laghi del Michigan, suggeriscono che gli abitanti della regione iniziarono l'estrazione del rame intorno al c. 6000 aC. Durante l'età del bronzo, sembra che ci sia stato un declino nell'uso di oggetti utilitaristici in rame all'interno del Complesso del Rame Antico del Nord America, accompagnato da una transizione visibile verso una maggiore produzione di oggetti ornamentali in rame.

Il primo esempio documentato di fusione del rame a cera persa proviene da un amuleto scoperto a Mehrgarh, in Pakistan, datato al 4000 a.C. La fusione per ceralacca stessa emerse nel sud-est asiatico tra il 4500 e il 4000 a.C. Il processo di fusione fu probabilmente sviluppato in modo indipendente in varie regioni: in Cina prima del 2800 a.C., in America centrale intorno al 600 d.C. e nell'Africa occidentale durante il IX o X secolo d.C. La datazione al radiocarbonio ha confermato le attività minerarie ad Alderley Edge nel Cheshire, nel Regno Unito, avvenute tra il 2280 e il 1890 a.C..

Ötzi l'uomo venuto dal ghiaccio, i cui resti sono datati al 3300–3200 a.C., possedeva un'ascia con una testa di rame di purezza del 99,7%. Le elevate concentrazioni di arsenico rilevate nei suoi capelli indicano il suo probabile coinvolgimento nei processi di fusione del rame. La conoscenza acquisita lavorando con il rame ha facilitato i progressi nella lavorazione di altri metalli; in particolare, si ritiene che la fusione del rame sia stata un precursore della scoperta della fusione del ferro.

L'età del bronzo

Il bronzo naturale, una variante del rame derivata da minerali ricchi di silicio, arsenico e occasionalmente stagno, divenne ampiamente utilizzato nei Balcani intorno al 5500 a.C. La deliberata lega del rame con lo stagno per produrre il bronzo iniziò circa 4000 anni dopo la scoperta iniziale della fusione del rame e circa 2000 anni dopo l'adozione diffusa del "bronzo naturale". I manufatti realizzati in bronzo dalla cultura Vinča risalgono al 4500 a.C. Allo stesso modo, i manufatti sumeri ed egiziani composti da leghe di rame e bronzo sono datati al 3000 a.C. Il blu egiziano, chimicamente noto come cuprorivaite (silicato di calcio e rame), è un pigmento sintetico contenente rame il cui utilizzo nell'antico Egitto iniziò intorno al 3250 a.C. Mentre i romani ne conoscevano il processo di lavorazione, il blu egiziano cessò di essere utilizzato nel IV secolo d.C., portando alla perdita delle conoscenze sulla produzione. L'architetto romano Vitruvio documentò nel I secolo aC che questo pigmento blu era creato da minerali di rame o bronzo, calce e un flusso come il natron; questa ricetta fondamentale è stata poi confermata dalla ricerca moderna.

L'età del bronzo iniziò nell'Europa sudorientale tra il 3700 e il 3300 a.C. circa, e nell'Europa nordoccidentale intorno al 2500 a.C. La sua conclusione coincise con l'avvento dell'età del ferro, avvenuta tra il 2000 e il 1000 a.C. nel Vicino Oriente, e entro il 600 a.C. nel Nord Europa. Storicamente la fase di transizione tra il Neolitico e l'Età del Bronzo è stata designata come periodo Calcolitico (rame-pietra), caratterizzato dalla coesistenza di strumenti in rame e pietra. Questa nomenclatura ha progressivamente perso il favore, poiché in alcune regioni globali i periodi Calcolitico e Neolitico mostrano confini temporali sovrapposti. L'ottone, lega composta da rame e zinco, possiede un'origine storica notevolmente più recente. Sebbene noto ai Greci, l'ottone emerse come notevole complemento del bronzo durante l'era dell'Impero Romano.

Periodi antichi e post-classici

Nell'antica Grecia, il rame era identificato con l'appellativo chalkos (χαλκός). Questo metallo costituiva una risorsa vitale per i romani, i greci e altre antiche civiltà. Durante l'epoca romana, veniva chiamato aes Cyprium, con aes che fungeva da designazione latina generale per le leghe di rame, e Cyprium che denotava la sua origine da Cipro, un'importante regione mineraria del rame. Questa frase fu successivamente abbreviata in cuprum, da cui deriva il termine inglese copper. Nella mitologia e nell'alchimia, Afrodite (conosciuta come Venere a Roma) simboleggiava il rame, attribuito alla bellezza lucente intrinseca del metallo e alla sua applicazione storica nella produzione di specchi; Cipro, fonte primaria di rame, era considerata sacra a questa dea. I sette corpi celesti riconosciuti dalle culture antiche erano correlati ai sette metalli conosciuti nell'antichità. Venere era specificamente associata al rame, una connessione derivante sia dal suo legame con la dea sia dal fatto che Venere è l'oggetto celeste più luminoso dopo il Sole e la Luna, corrispondente quindi al metallo più brillante e desiderabile dopo l'oro e l'argento.

Tra le popolazioni indigene del Nord America, il rame costituiva il metallo più utilizzato, con prove archeologiche che ne indicano l'uso risalenti a 7000 anni fa. È dimostrato che il rame nativo veniva estratto da località dell'Isola Royale utilizzando rudimentali strumenti di pietra durante il periodo compreso tra l'800 e il 1600 d.C. Il rame, probabilmente ricavato da pepite pure scoperte nella regione dei Grandi Laghi, venne sottoposto a lavorazione attraverso ripetuti martellamenti e ricotture nella città nordamericana di Cahokia (situata vicino all'attuale Missouri) tra il 1000 e il 1300 d.C. circa. Numerose squisite lastre di rame, collettivamente chiamate piastre di rame del Mississippi, sono state portate alla luce in Nord America nelle vicinanze di Cahokia, anch'esse risalenti a questo periodo 1000-1300 d.C..

In Sud America, una maschera di rame scoperta nelle Ande argentine, risalente al 1000 a.C., rappresenta il più antico manufatto in rame conosciuto trovato nella regione andina. Mentre il Perù è stato tradizionalmente considerato il luogo principale della prima metallurgia del rame nell’America precolombiana, la maschera argentina suggerisce che il Cajón del Maipo, nelle Ande meridionali, costituisse un altro centro significativo per la lavorazione iniziale del rame nel continente. La metallurgia del rame peruviana è documentata a partire dal 500 a.C. circa, con una produzione su larga scala che iniziò intorno al 900 d.C., in coincidenza con l'emergere della cultura sicana nel Perù settentrionale. Questa produzione persistette attraverso le successive conquiste da parte delle culture Chimor e Inca, cessando infine con la conquista spagnola nel 1532.

In tutta l'Africa sub-sahariana, dalla creazione delle prime miniere intorno al 2000 a.C. ad Agades fino all'inizio del XIX secolo, il rame aveva un valore percepito e un prestigio maggiori rispetto all'oro o all'argento. Il rame veniva ampiamente commercializzato in tutto il continente, svolgendo diverse funzioni religiose, politiche e sociali. Al contrario, i depositi auriferi indigeni furono in gran parte ignorati fino all'avvento del contatto con i commercianti portoghesi e arabi.

Il rame ha svolto un ruolo culturale significativo, in particolare nei sistemi monetari. Tra il VI e il III secolo a.C., i romani utilizzavano pezzi di rame come valuta. Inizialmente, il valore intrinseco del rame era fondamentale, ma col passare del tempo la forma e l'estetica del rame sono diventate sempre più importanti. Giulio Cesare commissionò monete realizzate in ottone, mentre la monetazione di Ottaviano Augusto Cesare fu prodotta con leghe Cu-Pb-Sn. Le operazioni di estrazione e fusione del rame dei romani raggiunsero dimensioni senza precedenti, con una produzione annua stimata di circa 15.000 tonnellate, un livello non superato fino alla rivoluzione industriale. Le province più intensamente sfruttate includevano Hispania, Cipro e regioni dell'Europa centrale.

Le porte del Tempio di Gerusalemme furono costruite utilizzando bronzo corinzio, una lega di rame, argento e oro. Questo materiale è stato sottoposto a doratura ad esaurimento, un processo che rimuove in sequenza il rame ossidato per generare uno strato superficiale color oro. Questa tecnica era particolarmente diffusa ad Alessandria, città dove si ritiene abbia avuto origine l'alchimia, ispirata da tali trattamenti chimici che conferivano un aspetto dorato.

Moderno

La Grande Montagna del Rame, una miniera situata a Falun, in Svezia, operò dal X secolo fino al 1992. Nel XVII secolo, forniva due terzi della domanda di rame dell'Europa e fornì finanziamenti sostanziali per numerose campagne militari svedesi durante quell'epoca. Di conseguenza era considerato il tesoro della nazione, alla base del sistema monetario svedese basato sul rame.

Il rame trova applicazione nelle tecnologie di copertura dei tetti, valutarie e fotografiche come il dagherrotipo. Storicamente il rame venne impiegato nella scultura rinascimentale e per la costruzione della Statua della Libertà; il suo utilizzo in varie forme di costruzione continua ancora oggi. La placcatura e il rivestimento in rame erano ampiamente utilizzati per salvaguardare gli scafi sottomarini delle navi, un metodo introdotto dall'Ammiragliato britannico nel XVIII secolo. La Norddeutsche Affinerie di Amburgo, fondata nel 1876, rappresentò il primo moderno impianto di galvanica.

Durante il periodo di crescente domanda di rame associato all'era dell'elettricità, dal 1880 fino alla Grande Depressione degli anni '30, gli Stati Uniti erano responsabili della produzione tra un terzo e la metà del rame appena estratto a livello mondiale. Importanti regioni minerarie includevano il distretto di Keweenaw nel Michigan settentrionale, noto principalmente per i depositi di rame nativo, che fu successivamente oscurato dagli estesi depositi di solfuro di Butte, nel Montana, alla fine degli anni ottanta dell'Ottocento. Butte, a sua volta, fu superata dai depositi di porfido degli Stati Uniti sudoccidentali, in particolare a Bingham Canyon, Utah, e Morenci, Arizona. L'adozione dell'estrazione mineraria con pala a vapore a cielo aperto e i progressi nella fusione, raffinazione, concentrazione della flottazione e altre tecniche di lavorazione hanno facilitato la produzione di massa. All'inizio del XX secolo, l'Arizona deteneva la posizione di leader nella produzione di rame, seguita da Montana, Utah e Michigan.

La fusione rapida, un processo ad alta efficienza energetica, è stato sviluppato da Outokumpu in Finlandia e implementato per la prima volta ad Harjavalta nel 1949. Questo metodo attualmente rappresenta il 50% della produzione globale di rame primario.

Il Consiglio intergovernativo dei paesi esportatori di rame, istituito nel 1967 da Cile, Perù, Zaire e Lo Zambia, mirava a influenzare il mercato del rame in modo simile al ruolo dell'OPEC nel petrolio. Tuttavia, non raggiunse mai un’influenza paragonabile, soprattutto perché gli Stati Uniti, il secondo produttore più grande, non ne erano membri. Il consiglio fu sciolto nel 1988. Nel 2008, la Cina era diventata il più grande importatore mondiale di rame.

Applicazioni

Le principali applicazioni del rame comprendono cavi elettrici (60%), sistemi idraulici e di copertura (20%) e apparecchiature industriali (15%). Sebbene utilizzato prevalentemente come metallo puro, il rame viene legato con sostanze come ottone e bronzo (che costituiscono il 5% del suo utilizzo totale) quando è necessaria una maggiore durezza. Da oltre due secoli le vernici a base di rame vengono applicate sugli scafi delle imbarcazioni per inibire la proliferazione della flora e della fauna marina. Una percentuale minore della fornitura di rame è destinata agli usi agricoli, in particolare come integratori alimentari e fungicidi. La duttilità intrinseca, la bassa resistenza e l'attrito significativo generato tra i trucioli di rame e gli utensili da taglio impediscono la lavorazione del rame puro, rendendo le leghe più adatte a processi che richiedono una buona lavorabilità. Le pentole in rame possono interagire con prodotti alimentari acidi o alcalini, conferendo un sapore metallico, ma si rivelano efficaci per aerare gli albumi.

Applicazioni per fili e cavi

Nonostante la disponibilità di materiali alternativi, il rame continua a essere il conduttore elettrico preferito nella maggior parte delle categorie di cavi elettrici, con la notevole eccezione della trasmissione di energia elettrica aerea, dove spesso viene scelto l'alluminio. Il filo di rame trova ampia applicazione nella produzione, trasmissione e distribuzione di energia, nonché nelle telecomunicazioni, nei circuiti elettronici e in una vasta gamma di apparecchi elettrici. Il settore dei cablaggi elettrici costituisce il mercato più significativo per l’industria del rame, comprendendo cablaggi elettrici strutturali, cavi di distribuzione elettrica, cablaggi per elettrodomestici, cavi di comunicazione, cablaggi automobilistici e fili smaltati. Circa il cinquanta per cento di tutto il rame estratto è dedicato alla produzione di fili elettrici e conduttori di cavi. Numerosi dispositivi elettrici incorporano cavi in ​​rame grazie alle sue diverse caratteristiche vantaggiose, tra cui eccezionale conduttività elettrica, elevata resistenza alla trazione, duttilità, resistenza alla deformazione da scorrimento viscoso, resistenza alla corrosione, espansione termica minima, conduttività termica superiore e facilità di saldatura e installazione.

Durante un breve intervallo dalla fine degli anni '60 alla fine degli anni '70, i cavi in ​​alluminio hanno sostituito quelli in rame in numerosi progetti di edilizia residenziale in tutta l'America; tuttavia, pratiche di progettazione inadeguate hanno portato a rischi di incendio. I successivi problemi di sicurezza sono stati mitigati attraverso l'implementazione di cavi in ​​alluminio di diametro maggiore (n. 8 AWG e superiori) e il cablaggio in alluminio opportunamente progettato continua a essere utilizzato come alternativa al rame. Ad esempio, l'aereo Airbus A380 utilizza fili di alluminio per la trasmissione di energia elettrica invece del rame.

Elettronica e dispositivi associati

I circuiti integrati e i circuiti stampati incorporano progressivamente il rame anziché l'alluminio, principalmente a causa della superiore conduttività elettrica del rame. Allo stesso modo, i dissipatori di calore e gli scambiatori di calore utilizzano il rame per le sue eccezionali caratteristiche di dissipazione termica. Il rame è anche parte integrante della costruzione di elettromagneti, tubi a vuoto, tubi a raggi catodici e magnetron presenti nei forni a microonde, nonché guide d'onda progettate per la radiazione a microonde.

Motori Elettrici

La maggiore conduttività del rame migliora significativamente l'efficienza operativa dei motori elettrici. Questo attributo è fondamentale dato che i motori e i sistemi a motore consumano complessivamente tra il 43% e il 46% dell’elettricità globale e il 69% dell’elettricità industriale. L'aumento della massa e dell'area della sezione trasversale del rame all'interno di una bobina del motore è direttamente correlato all'aumento dell'efficienza del motore. I rotori dei motori in rame, che rappresentano un nuovo progresso tecnologico su misura per le applicazioni dei motori che danno priorità al risparmio energetico, facilitano i motori a induzione per uso generale nel raggiungere e superare gli standard di efficienza premium stabiliti dalla National Electrical Manufacturers Association (NEMA).

Applicazioni architettoniche

Fin dall'antichità, il rame è stato utilizzato come materiale robusto, resistente alla corrosione e agli agenti atmosferici nei contesti architettonici. Da millenni il rame viene impiegato nella costruzione di tetti, scossaline, grondaie, pluviali, cupole, guglie, volte e porte. Nell'architettura contemporanea, le applicazioni del rame si sono ampliate fino a comprendere rivestimenti di pareti interne ed esterne, giunti di dilatazione degli edifici, schermature per radiofrequenze ed elementi antimicrobici o decorativi per interni come corrimano, sanitari e controsoffitti. Ulteriori vantaggi significativi del rame come materiale architettonico includono il movimento termico minimo, la leggerezza, la capacità di protezione dai fulmini e la riciclabilità intrinseca.

La caratteristica patina verde del rame è storicamente molto apprezzata da architetti e designer. Questa patina finale forma uno strato straordinariamente durevole, offrendo una sostanziale resistenza alla corrosione atmosferica e salvaguardando così il metallo sottostante da un ulteriore degrado. La sua composizione può variare, comprendendo una miscela di composti di carbonato e solfato, con proporzioni influenzate da fattori ambientali come la pioggia acida contenente zolfo. Inoltre, il rame architettonico e le sue leghe possono essere sottoposti a vari processi di finitura per ottenere qualità estetiche, texture o tonalità specifiche, inclusi trattamenti superficiali meccanici, colorazioni chimiche e rivestimenti protettivi.

Il rame presenta proprietà superiori per la brasatura e la saldatura ed è anche adatto alla saldatura, con la saldatura ad arco metallico a gas che produce risultati ottimali.

Proprietà antibiofouling

Il rame possiede caratteristiche biostatiche, inibendo la proliferazione di batteri e numerose altre forme di vita sulla sua superficie. Di conseguenza, è stato storicamente impiegato per rivestire i componenti delle navi, fornendo protezione contro cirripedi e cozze. Inizialmente, per questo scopo veniva utilizzato il rame puro, ma da allora è stato in gran parte sostituito dal metallo Muntz e dalle vernici a base di rame. Analogamente, le leghe di rame hanno guadagnato importanza come materiali di rete nel settore dell'acquacoltura grazie alla loro efficacia antimicrobica, alla prevenzione del biofouling anche in condizioni difficili e alle robuste caratteristiche strutturali e di resistenza alla corrosione in ambienti marini.

Efficacia antimicrobica

Le superfici tattili in lega di rame possiedono intrinsecamente proprietà in grado di sradicare un ampio spettro di microrganismi, tra cui E. coli O157:H7, Staphylococcus aureus (MRSA) resistente alla meticillina, Staphylococcus, Clostridium difficile, virus dell'influenza A, adenovirus, SARS-CoV-2 e vari funghi. Alcune leghe di rame hanno dimostrato la capacità di eliminare oltre il 99,9% dei batteri patogeni entro due ore, a condizione che venga mantenuta una pulizia regolare. L'Agenzia per la Protezione dell'Ambiente degli Stati Uniti (EPA) ha autorizzato la registrazione di queste leghe di rame come "materiali antimicrobici con benefici per la salute pubblica", consentendo così ai produttori di affermare legalmente i vantaggi per la salute pubblica dei prodotti fabbricati con queste leghe approvate. Inoltre, l’EPA ha approvato una vasta gamma di prodotti antimicrobici in rame derivati ​​da queste leghe, che comprendono articoli come sponde del letto, corrimano, tavolini sopra il letto, lavandini, rubinetti, maniglie delle porte, hardware per WC, tastiere di computer, attrezzature per centri benessere e maniglie dei carrelli della spesa. Gli ospedali utilizzano maniglie delle porte in rame per mitigare la trasmissione delle malattie, ed è stato dimostrato che i tubi di rame negli impianti idraulici sopprimono la malattia dei legionari. I prodotti antimicrobici in lega di rame sono attualmente in fase di implementazione nelle strutture sanitarie di Regno Unito, Irlanda, Giappone, Corea, Francia, Danimarca e Brasile, nonché nella metropolitana di Santiago del Cile, dove tra il 2011 e il 2014 sono stati installati corrimano in lega di rame-zinco in circa 30 stazioni. L'adozione di superfici in rame nelle strutture sanitarie è stata sostenuta anche negli Stati Uniti. Inoltre, le fibre tessili possono essere infuse con rame per produrre tessuti protettivi antimicrobici.

Applicazioni fungicide

Il rame è ampiamente utilizzato come preservante del legno, principalmente per la sua efficacia come fungicida contro i funghi marciumi molli, una caratteristica che consente anche di evitare le sostanziali ripercussioni ambientali associate ai conservanti a base di cromo e arsenico.

Credenze medicinali tradizionali

Il rame viene spesso incorporato nei gioielli e alcune credenze tradizionali suggeriscono che i braccialetti di rame possano alleviare i sintomi dell'artrite. Tuttavia, studi clinici sia per l’osteoartrosi che per l’artrite reumatoide non hanno rivelato differenze significative tra gli effetti dei braccialetti di rame e quelli di controllo (non di rame). Inoltre, non esistono prove scientifiche a sostegno dell'affermazione che il rame possa essere assorbito per via transdermica.

Rame nelle energie rinnovabili

• Il rame nelle energie rinnovabili
• Nanoparticelle di rame
• Corrosione da erosione nei tubi dell'acqua in rame
  • Volaggio con acqua fredda nei tubi di rame
• Produzione globale di rame per paese
• Furto di metalli
  • Operazione Tremore
• Anaconda Rame
• Antofagasta PLC
• Codelco
• Miniera El Boleo
• Miniera di Grasberg
• Lamina di rame

Riferimenti

Note

Massaro, Edward J., editore (2002). Manuale di farmacologia e tossicologia del rame. Humana Press. ISBN 978-0-89603-943-8.

• Massaro, Edward J., ed. (2002). Manuale di farmacologia e tossicologia del rame. Humana Press. ISBN 978-0-89603-943-8."Rame: tecnologia & Competitività (riepilogo) Capitolo 6: Tecnologia di produzione del rame" (PDF). Office of Technology Assessment. 2005.Scienza e ingegneria dei materiali: un'introduzione (6a ed.). Wiley, New York. Tabella 6.1, pag. 137. ISBN 978-0-471-73696-7.Nat. Chem. Biol. 4 (3): 176–85. doi:10.1038/nchembio.72. PMID 18277979.È disponibile una panoramica storica interattiva del rame.
  • Copper Timeline, una storia interattiva.
  • Le informazioni sul rame sono presentate da The Periodic Table of Videos dell'Università di Nottingham.
  • Una scheda informativa che descrive in dettaglio il rame e i suoi composti è fornita dal National Pollutant Inventory of Australia.
  • L'International Copper Association e la Copper Alliance funzionano come un gruppo di interesse aziendale collettivo.
  • La Copper Development Association, un'associazione industriale nordamericana, mantiene una vasta risorsa che descrive in dettaglio le proprietà e le applicazioni del rame.
  • Il Fondo monetario internazionale (FMI) fornisce dati sulle fluttuazioni storiche dei prezzi del rame LME.
  • L'United States Geological Survey (USGS) pubblica i Mineral Commodity Summaries 2025, che includono informazioni sul rame.