Università degli Studi di Napoli Federico II S.I.C.S.I. VII ciclo Corso di Chimica degli elementi nell’ambiente RAME Prof. S. Andini.

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II S.I.C.S.I. VII ciclo Corso di Chimica degli elementi nell’ambiente RAME Prof. S. Andini

2 Classe di riferimento: terzo anno di un istituto tecnico per chimici Prerequisiti: conoscenza della proprietà della tavola periodica; stati di aggregazione della materia e passaggi di stato; legami chimici intermolecolari e intramolecolari; struttura elettronica degli atomi; reticoli cristallini semplici; energia di ionizzazione; reazioni chimiche di ossido-riduzione; equilibrio chimico; elettrolisi Obiettivi: conoscenza delle proprietà chimico- fisiche del rame; della sua disponibilità in natura e del suo ottenimento; delle principali applicazioni; degli effetti sulla salute

3 Cu rame Proprietà del rame ElementoSimboloNum. atomico Peso atomico Temp. fusione °C Temp. ebollizione °C RameCu2963,5510832567 Metallo appartenente agli elementi di transizione

4 Gruppo 1B: Cu, Ag, Au Configurazione elettronica gruppo 1B (n-1) d 10 n s 1 Potenziale di prima ionizzazione più elevati del gruppo 1A (a causa del minor effetto schermante del sottolivello d rispetto al p) Poco reattivi, resistenti agli agenti atmosferici: Metalli nobili Configurazione elettronica gruppo 1A n s 1 Poca somiglianza chimica e fisica con i metalli alcalini

5 Stati ossidazione rame Il rame forma due serie di composti chimici: i composti rameosi nei quali presenta stato di ossidazione +1, e quelli rameici in cui ha stato di ossidazione +2. Lo stato di ossidazione +1 è instabile in soluzione acquosa Lo stato di ossidazione +1 è instabile in soluzione acquosa 2 Cu + (aq) = Cu 2+ (aq) + Cu (s)K eq =1,2 · 10 6 i composti del Cu + in acqua sono sali poco solubili (CuCl, CuCN) incolori. del Cu + sono da ricordare anche l’ossido Cu 2 O (dal colore rossiccio) e il solfuro Cu 2 S (dal colore nero). Possono essere ottenuti per combinazione diretta degli elementi ad alta temperatura: sono insolubili in acqua.

6 Lo stato di ossidazione +2 è quello più importante per il rame. Sali rameici si sciolgono in acqua formando una soluzione azzurra perché tale è il colore dello ione Cu 2+ quando è circondato da acqua. viticoltura viticoltura Es. solfato di rame CuSO 4 ·5H 2 O noto anche come verderame ed usato come anti-parassitario in viticoltura.viticoltura Il rame (II) composti del Cu 2+ insolubili sono Cu(OH) 2, che per riscaldamento perde acqua formando l’ossido CuO nero. Cu(OH) 2 (s) CuO(s) + H 2 O(l)

7 Disponibilità Il rame si trova quasi sempre sotto forma di minerali e molto più raramente allo stato nativo sotto forma di pepite.mineralipepite Le principali miniere sono situate lungo la Cordigliera delle Ande e le Montagne Rocciose: i principali Paesi estrattori sono il Cile, il Perù, gli Stati Uniti, l'Indonesia, l'Australia; altre importanti miniere si trovano in Canada, Paesi ex-URSS, Polonia e Finlandia.miniereAnde Montagne RoccioseCilePerù Stati UnitiIndonesiaAustralia CanadaURSSPolonia Finlandia Alcune tra le principali miniere sono a cielo aperto.

8 Minerali del rame calcopirite calcopirite CuFeS 2 tetragonale a corpo centrato A base di zolfo bornite bornite Cu 5 FeS 4 cubico Cu 2 S monoclino calcocite covellite CuS esagonale

9 Minerali del rame A base di ossigeno cuprite Cu 2 O malachite Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 azzurrite Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 tetragonale

10 Metallurgia estrattiva Attuazione dei processi che permettono di ottenere un metallo dai suoi giacimenti minerari (minerali solforati) Estrazione in miniera Frantumazione e macinazione Flottazione Arrostimento Raffinazione elettrolitica

11 Flottazione La sospensione acquosa del minerale solforato macinato viene posto in un recipiente dove viene fatta gorgogliare aria sotto agitazione. L’aggiunta di talune sostanze chimiche (flottanti) favorisce la formazione di una schiuma, alle cui bollicine si legano le particelle di minerale desiderato I flottanti sono molecole che posseggono una estremità polare che si lega alla superficie del minerale, e una porzione apolare che si protende verso l’esterno impedendo l’acqua di avvicinarsi. Es. etilxantato di potassio Estremità apolare O=C O S - K + C2H5C2H5 Estremità polare GANGA La flottazione è un processo mediante il quale il minerale è separato da materiale indesiderato (GANGA)

12 Arrostimento È un trattamento termico durante il quale avvengono reazioni con i costituenti l’atmosfera del forno. I solfuri vengono dapprima parzialmente ossidati allo stato fuso: Cu 2 S + 3/2O 2 = Cu 2 O + SO 2 per consentire la reazione: 2Cu 2 O + Cu 2 S 6Cu + SO 2 calore In questo modo si diminuisce così la quantità di zolfo presente sfruttando la sua più elevata affinità chimica con l'ossigeno rispetto al rame

13 Raffinazione elettrolitica Il rame grezzo ottenuto da questi trattamenti è impuro perché contiene Ag, Au, Fe, Ni, Sb. Esso viene purificato per via elettrochimica. CELLA ELETTROCHIMICA Anodo (+): rame impuro, cioè rame ottenuto dai trattamenti precedenti Catodo (-): rame puro Soluzione elettrolitica: solfato di rame

14 Applicando alla cella la tensione sufficiente il rame si trasferisce dall’anodo al catodo. Il rame metallico all’anodo si ossida formando Cu 2+ che al catodo si riduce formando rame metallico puro. Pertanto gli anodi si disciolgono e i catodi si ispessiscono. i metalli più ossidabili del rame (Fe, Ni) non si depositano al catodo e restano in soluzione i metalli meno ossidabili (Ag, Au) non passano in soluzione e precipitano sotto forma di fanghiglia I FANGHI ANODICI CHE CONTENGONO METALLI PESANTI VENGONO POI LAVORATI A PARTE E IL LORO VALORE COPRE TUTTE LE SPESE DI RAFFINAZIONE DEL RAME

15 Caratteristiche chimico-fisiche  Il rame è un metallo rossastro con una struttura cristallina cubica con facce centrate  È malleabile, duttile ed e' un conduttore estremamente buono sia di calore che di elettricità

16 Applicazioni trasporto dell'energia elettrica (maggiore applicazione 60%).energia elettrica Il rame, essendo un metallo nobile trova largo impiego in diversi campi, in particolare: trasporto dell’acqua potabile, gas combustibili, acqua per il riscaldamento e fluidi per condizionamento e refrigerazione.acqua potabile usato dagli artigiani, dagli artisti e dai designer per il suo colore e la sua facile lavorabilità che lo rendono adatto per molti usi ornamentali. strumenti musicali.trumenti musicali monete. …

17 Leghe Un’altra famiglia di leghe molto importante è quella dei bronzi, ottenuti da rame e stagno, caratterizzati da un ottima lavorabilità a freddo e a caldo, da resistenza meccanica e alla corrosione. Il rame ha una spiccatissima tendenza a formare leghe. A seconda del tipo di metallo aggiunto e della sua percentuale si otterrà un prodotto con particolari caratteristiche. La famiglia più numerosa è quella degli ottoni, costituiti da rame e zinco, con quantità di quest’ultimo che possono arrivare fino al 40%. Il rame è usato anche per la produzione di monete in lega soprattutto con il nichel.

18 Il rame nell’ambiente Il rame può essere scaricato nell'ambiente sia da sorgenti naturali che da attività umane Esempi di fonti naturali sono polvere soffiata dal vento, erosione di rocce e spruzzi del mare L’uomo contribuisce usando sali di rame (come fungicidi) in agricoltura, nelle vernici e nelle industrie.. Si ritrova nell’acqua potabile come conseguenza di infiltrazioni di scarichi industriali e di corrosione delle tubature. I fiumi stanno depositando sulle loro rive fango contaminato con rame, a causa dello scarico di acque reflue contenenti rame.

19 Riciclo Il rame e' riciclabile pressoche' al 100%. il rame riciclato ha le stesse caratteristiche chimico-fisiche e tecnologiche del rame primario e quindi non subisce limitazioni di utilizzo o diminuzione di valore. L’elevato riciclo dei rottami rende praticamente trascurabile il contributo del rame all’incremento costante dei rifiuti solidi e industriali. Il rame è la materia prima di cui l’Italia dispone maggiormente, pur non possedendo miniere. Questo contribuisce a ridurre la dipendenza dalle importazioni.

20 Rame negli Alimenti Una dieta ricca di rame include crostacei, noci, fegato, legumi, piselli, funghi e cioccolato. Pollo e riso sono relativamente poveri in rame, ma essendo consumati in quantità più alta possono dare un contributo significativo. L’acqua potabile contiene rame: la quantità dipende dalle falde e dai suoli dai quali proviene. Il fabbisogno giornaliero di rame si aggira dal milligrammo in su. Alle donne in gravidanza o in allattamento ne viene raccomandata una quantità maggiore. Ecco la quantità di rame (in µg/Kg) contenuta in alcuni cibi:

21 Rame e salute Il rame è indispensabile per un buono stato di salute: estremamente utile per lo sviluppo dei bambini, per la robustezza delle ossa, la formazione dei globuli rossi e bianchi, il trasporto del ferro, il metabolismo del colesterolo e del glucosio, la contrazione dei muscoli del cuore e lo sviluppo del cervello. Una carenza di rame, al contrario, può provocare problemi di salute come anemia, problemi cardiaci e circolatori, anomalie nello sviluppo osseo nonché complicazioni nel funzionamento dei sistemi nervosi, dei polmoni, della tiroide, del pancreas e reni. Il rame fornisce un importantissimo contributo all’igiene pubblica: possiede naturale proprietà batteriostatiche e pertanto, le tubazioni degli impianti idraulici in rame sono in grado di prevenire la proliferazione degli organismi patogeni nell'acqua potabile