Rame

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. Il suo simbolo è Cu.

Con ogni probabilità il rame è il metallo che l'umanità usa da più tempo: sono stati ritrovati oggetti in rame datati 8700 avanti Cristo. Gli antichi greci lo chiamavano Chalkos, da cui deriva il prefisso calco- adottato dai mineralogisti e dai chimici moderni per designare alcuni minerali contenenti rame. Il suo nome italiano invece deriva dal latino parlato aramen (parola già attestata nel 950) per il tardo aeramen, un derivato della voce latina aes che significa rame, bronzo ed è un nome conservato in altre lingue di origine indoeuropea.
Solo più tardi sostituito (Plinio) dalla parola cuprum = rame, bronzo di Cipro. È da questa parola, infatti, che deriva il simbolo chimico dell'elemento, perché in epoca romana la maggior parte del rame era estratta dall'isola di Cipro, realtà che veniva sottolineata con il termine aes Cyprium = rame, bronzo di Cipro.
In epoca romana infatti non si faceva alcuna differenza tra il rame puro e il bronzo, la sua lega più importante.

Indice

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Caratteristiche

Il rame è un metallo rosato o rossastro (rame e oro sono gli unici due metalli colorati in natura), di conducibilità elettrica e termica elevatissime, superate solo da quelle dell’argento; è molto resistente alla corrosione e non è magnetico. È facilmente lavorabile, estremamente duttile e malleabile; può essere facilmente riciclato e i suoi rottami hanno un alto valore di recupero; si combina con altri metalli a formare numerose leghe metalliche (si calcola che se ne usino almeno 400), le più comuni sono il bronzo e l'ottone; tra le altre, anche i cupronichel e i cuprallumini (detti anche bronzi all'alluminio).

Inoltre il rame è batteriostatico, cioè combatte la proliferazione dei batteri sulla sua superficie.

I due più comuni stati di ossidazione del rame sono +1 (ione rameoso, Cu⁺¹) e +2 (ione rameico, Cu⁺²).

Applicazioni

Per le sue doti il rame è diffuso nell’impiantistica idrotermosanitaria, nella rubinetteria, nelle attrezzature per la nautica, nell’elettrotecnica e nell’elettronica, in lattoneria e in architettura, nella monetazione, nell’artigianato e nell’oggettistica, nei trasporti, in edilizia e in molti altri settori. Gli usi più comuni sono:

Fili e cavi elettrici, negli avvolgimenti di elettromagneti, motori elettrici e relè elettromeccanici;
Tubature;
Maniglie, pomelli e altre finiture di arredamento;
Scultura: la Statua della Libertà, per esempio, contiene 81,3 tonnellate di rame;
Nelle macchine a vapore;
Parti di interruttori e collettori di corrente elettrica;
Valvole termoioniche tubi a raggi catodici e i magnetron dei forni a microonde;
Guide d'onda per apparati radio e radar a microonde;
In leghe per il conio di monete;
In cucina, per fare padelle e altre pentole;
Buona parte delle posate da tavola (coltelli, forchette, cucchiai) contiene una percentuale di rame;
L'argenteria Sterling, se deve poter essere usata a tavola, deve contenere una piccola percentuale di rame;
Come parte di ceramiche, e in forma di sali per colorare il vetro;
Strumenti musicali, soprattutto ottoni;
Negli ospedali come superficie batteriostatica
Sulla parti esterne sommerse delle navi per evitare che mitili e molluschi marini vi aderiscano;
I suoi composti, come la soluzione di Fehling, hanno importanti usi in chimica;
Il verderame (solfato di rame(II)) si usa come veleno e per depurare l'acqua.

Il rame, puro e ridotto in fili, trova la sua maggiore applicazione per la produzione e l’utilizzo dell’energia elettrica (ma non per il trasporto: i cavi sospesi degli elettrodotti a media ed alta tensione non sono di rame ma di alluminio, per via della maggiore resistenza meccanica offerta da questo metallo) e nella manifattura dei circuiti stampati per elettronica.

In architettura il rame è impiegato per eseguire tetti e coperture, gronde, scossaline, pluviali ed altri elementi di lattoneria. Questo metallo è apprezzato per il suo colore, che cambia nel tempo se esposto agli agenti atmosferici: prima imbrunisce, fino a diventare marrone scuro, poi con l'ossidazione diventa gradualmente verde.

I tubi di rame vengono usati per trasportare acqua potabile, gas combustibili, gas medicali, acqua per il riscaldamento e fluidi per condizionamento e refrigerazione; infatti il rame è impermeabile ai gas, è facilmente piegabile, resiste alla corrosione e non invecchia se esposto alla radiazione solare. Grazie alla sua eccellente conduttività termica è uno dei materiali che rende più efficiente lo scambio di calore: per questo lo si utilizza negli scambiatori di calore, nei pannelli solari e nei pannelli radianti a parete e a pavimento.

Il rame è molto 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: si può facilmente ricavarne piastre, cornici, medaglie e oggetti da arredamento.

Il rame è usato per coniare monete fin dall’antichità: già Servo Tullio (IV sec. A.C.) ordinò di coniare monete di rame, le "pecuniae". Al giorno d’oggi le monete da 10, 20 e 50 centesimi e da 1 e 2 euro sono in lega di rame, mentre quelle da 1, 2 e 5 centesimi sono semplicemente di acciaio ramato esternamente.

Un'automobile può contenere, a seconda del modello, dai 15 ai 28 kg di rame, che si trovano soprattutto nei cavi e nelle apparecchiature elettriche.

Il rame, insieme ad alluminio e zinco, viene utilizzato anche in applicazioni tecnologicamente avanzate, come per esempio nelle leghe a memoria di forma, che assumono due forme diverse a seconda se sono al di sopra o al di sotto di una certa temperatura. Un’altra applicazione particolare è nel campo della superconduzione; nei materiali superconduttori ad alta temperatura la superconduzione è spesso dovuta all'esistenza di piani atomici paralleli di rame e ossigeno.

Storia

Il rame era già noto ad alcune delle più antiche civiltà di cui abbiamo testimonianze, la storia del suo impiego si stima vecchia di almeno 10.000 anni. Un gioiello in rame datato attorno all'8700 AC è stato trovato nel nord dell'Iraq. Segni di attività del raffinamento del rame a partire dai suoi ossidi minerali (la malachite e l'azzurrite) risalgono al 5000 AC, mille anni prima di quelli relativi all'uso dell'oro.

Manufatti in rame e bronzo di origine sumera sono stati trovati in siti di città risalenti al 3000 AC ed alla stessa epoca risalgono pezzi prodotti con lega di rame e stagno dagli antichi egizi. Una piramide ospita un sistema di tubi di scarico in lega di rame vecchia di circa 5000 anni. L'uso del rame nella Cina antica risale al 2000 AC, la cui produzione di bronzo raggiunge l'eccellenza attorno al 1200 AC.

In Europa, l'uso del rame è confermato dal ritrovamento dell'uomo del Similaun (noto anche come Ötzi), il fossile di un uomo risalente al 3200 AC rinvenuto sulle Alpi, la cui ascia ha una punta costituita da rame puro al 99,7%. L'elevato tenore di arsenico trovato nei suoi capelli fa presumere che tra le attività dell'uomo rientrasse anche quella di produrre il rame.

L'uso del bronzo è stato talmente diffuso nella storia da dare il nome ad uno stadio dell'evoluzione della civiltà umana: l'età del bronzo. Il periodo di transizione tra il precedente neolitico e l'età del bronzo è chiamato calcolitico ed è contraddistinto dalla compresenza di utensili in pietra ed utensili in rame.

L'ottone, una lega di rame e zinco, era già noto agli antichi greci e fu ampiamente utilizzato dai romani.

Il rame è stato associato alla dea Venere nella mitologia e nell'alchimia per via del suo aspetto lucente, del suo uso nella produzione di specchi e per la sua principale zona estrattiva, l'isola di Cipro. Il simbolo usato dagli alchimisti per rappresentare il rame è identico a quello impiegato dagli astrologi per rappresentare il pianeta Venere.

Biologia

Il rame, anche se presente in tracce, è un metallo essenziale per la crescita e lo sviluppo del corpo umano. Gioca un ruolo importante all’interno del metabolismo: dalla normale attività del cervello, del sistema nervoso e cardiovascolare al trasporto del ferro e alla protezione delle cellule contro l’ossidazione. C’è bisogno del rame anche per rafforzare le ossa e assicurare il funzionamento del sistema immunitario

Il rame si trova negli enzimi, che sono quelle proteine che aumentano la velocità di reazione delle reazioni chimiche all’interno delle cellule. Sono circa una trentina gli enzimi (e i co-enzimi, che sono altre proteine che aiutano gli enzimi) contenenti rame. Il rame, una volta assunto attraverso il cibo e l’acqua, viene assorbito dallo stomaco e dal primo tratto dell'intestino; da qua passa nel sangue, legandosi ad una proteina, la ceruloplasmina e quindi portato verso il fegato e da qui distribuito ai vari organi. Si noti che il fegato ( il 'laboratorio chimico' del corpo umano) ha una delle maggiori concentrazioni di rame del corpo umano; oltretutto proprio il fegato svolge la funzione di regolare il contenuto di rame nel corpo umano attraverso un processo chiamato omeostasi.

Il rame si trova un po’ ovunque nel corpo. Il rame è richiesto per la formazione e il mantenimento della mielina, lo strato protettivo che copre i neuroni; enzimi a base rame intervengono nella sintesi dei neurotrasmettitori, i messaggeri chimici che permettono le comunicazioni attraverso le cellule nervose. Il rame attraverso la superossido-dismutasi, combatte l’ossidazione cellulare, aiutando a neutralizzare i radicali liberi che altrimenti causerebbero danni alle cellule stesse. Il rame è importante anche per la pelle e lo scheletro. Infatti attraverso l’enzima tirosinasi catalizza la formazione della melanina e attraverso la lisil-ossidasi ha un ruolo importante nella formazione del collagene, che è la proteina principale che si trova nella nostra pelle. Oltretutto il collagene è presente anche nelle ossa: alcune ricerche evidenziano che fratture, anomalie scheletriche e osteoporosi sono più frequenti se vi è carenza di rame. Il rame è coinvolto nella funzionalità del sistema immunitario. La carenza di rame ha notevoli ripercussioni su certi tipi di cellule, come i macrofagi e i neutrofili. La funzionalità del sistema immunitario è stata studiata in bambini carenti di rame, prima e dopo la cura. È stato rilevato che la attività dei fagociti (cellule che inglobano materiale estraneo) è aumentata dopo l'assimilazione di rame. Oltre che per il collagene, la lisil-ossidasi entra in gioco anche per l’elastina ed entrambi gli enzimi sono importanti per il cuore e i vasi sanguigni. Tra gli effetti collaterali dovuti alla carenza di rame si registrano anche l’ingrossamento cardiaco, le arterie con muscolatura liscia degenerata e aneurismi alle arterie ventricolari e coronariche. Il rame influenza anche il metabolismo del colesterolo: adulti sottoposti ad una dieta povera di rame hanno registrato un aumento dei livelli del colesterolo DLD (quello 'cattivo') e una diminuzione del colesterolo HDL (quello 'buono'). Basse assunzioni di rame influenzano negativamente il corretto metabolismo del glucosio e la pressione sanguigna.

Il rame è anche necessario anche durante la gravidanza. Il feto dipende completamente dalla madre per il suo fabbisogno di rame. Il feto accumula rame alla velocità di 0,05 mg/giorno (soprattutto nell’ultimo trimestre) e alla nascita ha mediamente 15 mg di rame, di cui più della metà immagazzinata nel fegato. Queste riserve sono importanti nella primissima infanzia, quando l’assunzione di rame è relativamente bassa. Gran parte del restante rame si trova nel cervello. Per i neonati, il rame si trova nel latte materno. La concentrazione media di rame nel latte materno è 0,32 mg/litro; sebbene questa concentrazione sia più bassa rispetto al latte artificiale, il rame del latte materno viene assorbito meglio essendo maggiormente biodisponibile. A dimostrazione dell’importanza del rame, il latte artificiale per i neonati prematuri arriva a contenere fino a 1-2 mg/litro: questo è necessario poiché hanno avuto meno tempo per accumulare rame durante la gestazione.

Si noti che non esistono malattie professionali legate al rame. Esistono invece solo due malattie genetiche, il morbo di Wilson e il morbo di Menkes. Il primo provoca la riduzione o la mutazione della ceruloplasmina in maniera tale che questa non è più in grado di trasportare il rame, che così si accumula negli organi. Il morbo di Menkes invece rappresenta l’incapacità del rame di essere assorbito dall’intestino, provocando una forte carenza all’interno del corpo.

Ecco in sintesi la funzione di alcuni enzimi in cui è presente il rame:

Diammina-ossidasi: inattiva l’istidina rilasciata durante le reazioni allergiche e le poliammine coinvolte nella proliferazione cellulare.

Monoamina-ossidasi: è importante per la degradazione della serotonina e per catecolammine come la epinefrina, la norepinefrina e la dopamina.

Lisil-ossidasi: usa la lisina e l’idrossilisina che si trovano nel collagene e nell’elastina per produrre le reticolazioni necessarie per lo sviluppo dei tessuti connettivi delle ossa, denti, pelle, polmoni e sistema vascolare.

Ferrosidasi: sono gli enzimi che si trovano nel plasma, con la funzione di ossidare gli ioni ferrosi e facilitare il legame del ferro alla transferrina (la molecola che lega e trasporta il ferro). Tra questi ricordiamo:
Ceruloplasmina: Chiamata anche ferrossidasi I, è il principale enzima a base rame che si trova nel sangue; possiede anche funzioni antiossidanti, prevenendo il danneggiamento dei tessuti associato alla ossidazione degli ioni ferrosi. Si stima che la frazione di ceruloplasmina nel sangue vari dal 60 al 90%. La ceruloplasmina aiuta a regolare l’efflusso dei ferro immagazzinato dai tessuti ai siti di produzione dell’emoglobina.
Ferrossidasi II: anch'essa catalizza l’ossidazione del ferro(2+).

Citocromo-C-ossidasi: presente nei mitocondri, catalizza la riduzione dell’ossigeno ad acqua, permettendo la sintesi dell’adenosin trifosfato (ATP). L’attività della citocromo-C-ossidasi è massima nel cuore ed è alta nel cervello e nel fegato.

Dopamina-beta-idrossilasi: catalizza la conversione della dopamina a norepinefrina nel cervello. La carenza di rame può portare a bassi livelli di norepinefrina in uomini e animali.

Rame/zinco Superossido-dismutasi (Cu/Zn SOD): presente nella maggior parte delle cellule del corpo umano, protegge i composti intracellulari dai danni ossidativi. Concentrazioni alte nel cervello, nella tiroide e nel fegato.

Tirosinasi: catalizza la conversione della tirosina in dopamina e l’ossidazione della dopamina a dopachinone, intermedi nella sintesi della melanina.

PAM (Peptidoglicina Alpha-amilante Monoossigenasi): necessaria per la bioattivazione dei peptidi.

Fattori di Coagulazione V e VIII: sono componenti nonenzimatici del processo di coagulazione del sangue.

In alcuni animali come granchi e lumache, la molecola trasportatrice di ossigeno è una emocianina, una proteina contenente rame. Le emocianine rappresentano il terzo sistema in natura (insieme alle emoglobine e alle emeritrine) in grado di trasportare ossigeno dai punti in cui viene prelevato a quello, nei tessuti, dove viene ceduto. Analogamente all'emoglobina, le emocianine contengono subunità nella molecola completa; i siti attivi sono costituiti da due atomi di rame che legano congiuntamente una molecola di O₂.

Disponibilità

Il rame si trova quasi sempre sotto forma di minerali e molto più raramente allo stato nativo sotto forma di pepite. 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, il Canada; altre importanti miniere si trovano in Papua Nuova Guinea, Zambia, Indonesia, Australia, Paesi ex-URSS, Polonia e Finlandia. Alcune tra le principali miniere sono a cielo aperto. Le rocce che contengono rame hanno un tenore che varia tra lo 0,6 e il 2,0% in peso di rame; i minerali sono a base di zolfo come la calcopirite (CuFeS₂), la bornite (Cu₅FeS₄), la calcocite, la covellite (CuS); o di ossigeno come la cuprite (Cu₂O), la malachite e l'azzurrite.

Produzione

I processi produttivi per passare dal minerale al metallo puro, descritti in seguito, riguardano il caso dei minerali solforati, che sono i più disponibili. Dopo l’estrazione in miniera, i minerali vengono frantumati e macinati per ottenere una granulometria adatta agli stadi successivi, in cui si separano gli inerti dalle frazioni ricche in rame. Attraverso la flottazione le polveri emulsionate con liquidi tensioattivi vengono immesse in grandi vasche dalle quali si asporta lo stato schiumoso superficiale, ricco in rame ancora legato allo zolfo. Si ottengono quindi dei fanghi, i quali vengono asciugati e concentrati nei passaggi successivi: dapprima meccanicamente (concentrazione) e poi termicamente (arrostimento). Nel forno, attraverso insufflaggio di aria o ossigeno, si ottiene la formazione di SO₂ gassosa che si separa dal metallo liquido; contemporaneamente l’aggiunta di silicio permette l’eliminazione del ferro presente: la scoria, composta da silicati, galleggia e viene asportata. La raffinazione termica prosegue attraverso ulteriore insufflaggio di ossigeno o aria; poiché si ossida parzialmente anche il bagno, si procede con il pinaggio, che consiste nell’inserire un tronco verde di pino che, bruciando, sprigiona gas riducenti e vapore. Per ottenere la massima purezza del rame, è necessario fare una raffinazione elettrolitica: il rame ottenuto viene dissolto in una vasca contenente una soluzione conduttrice e viene depositato selettivamente su un catodo: i metalli meno nobili presenti restano in soluzione, quelli più nobili precipitano. I catodi ottenuti sono costituiti da rame puro al 99,97%, in lastre di 96 cm x 95 cm x 1 cm, dal peso di circa 100 kg; sono una materia prima commerciabile nelle borse merci di New York, Londra e Shanghai. La specifica chimica per il rame elettrolitico è ASTM B 115-00. Il rame elettrolitico così ottenuto non è ancora pronto per essere lavorato direttamente, deve essere rifuso per farne billette, placche o vergelle, da cui si ottengono per lavorazione plastica i vari semilavorati come fili, tubi, barre, nastri, lastre, ecc.

Bisogna aggiungere che una percentuale sempre più consistente del rame estratto dalle miniere sfrutta le biotecnologie. Il minerale viene fratturato e messo in vasche nelle quali viene pompata acqua arricchita di batteri, i thiobacillus ferroxidans e i thiobacillus thiooxidans. Questi microrganismi ossidano il solfuro di rame (insolubile in acqua) trasformandolo in solfato (solubile), ottenendo energia per le loro funzioni vitali. Questo sistema permette un notevole risparmio di energia rispetto all’estrazione tradizionale (fino al 30%) e non libera in atmosfera gas nocivi.

Composti

Gli ossidi stabili del rame sono due, l'ossido di rame(II) (o ossido rameico) CuO e l'ossido di rame(I) (o ossido rameoso) Cu₂O. Gli ossidi di rame sono impiegati nella produzione dell'ossido misto di ittrio, bario e rame (YBa₂Cu₃O_7-δ), abbreviato in YBCO, che è la base di molti superconduttori non-convenzionali.

I sali di rame(II) hanno un tipico colore verde-azzurro; la reazione con l'anidride carbonica atmosferica produce il carbonato di rame(II), responsabile della patina verde che copre i tetti e le superfici di rame esposte all'aria.

Tra gli altri composti si annovera il solfato di rame(II), noto anche come verderame ed usato come anti-parassitario in viticoltura.

Isotopi

Esistono due isotopi stabili del rame, ⁶³Cu e ⁶⁵Cu: tutti gli altri sono instabili e molto radioattivi. Gran parte di essi ha una emivita di un minuto o meno; il meno instabile è il ⁶⁴Cu, con emivita di 12,7 ore, che può decadere in due modi diversi dando vita a due prodotti separati.

Precauzioni

Tutti i composti del rame devono essere considerati tossici, se non altrimenti specificato. Il rame metallico, in polvere, è infiammabile. 30 grammi di solfato di rame sono potenzialmente letali per gli esseri umani. Disciolto nell'acqua potabile, in concentrazioni maggiori di 1 mg/L può macchiare vestiti e oggetti lavati con essa. Il livello massimo di rame suggerito nell'acqua potabile varia a seconda della fonte, ma in genere è compreso fra 1.5 e 2 mg/L. La dose complessiva giornaliera massima tollerabile riportata dal DRI è 10 mg al giorno.

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