Cuivre

Nickel ← Cuivre → Zinc
—	29 Cu

Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à pêche. C'est un métal ductile possédant une conductivité électrique et thermique particulièrement élevées qui lui confèrent des usages variés. Il intervient également comme matériau de construction et entre dans la composition de nombreux alliages.

Le cuivre et ses alliages sont utilisés par l'Homme depuis des milliers d'années, les plus anciennes traces de fusion du cuivre dans des fours à vent ayant été découvertes dans le plateau iranien sur le site archéologique de Sialk III daté de la première moitié du V millénaire av. J.-C. — il y a donc près de sept mille ans. Dans la Rome antique, le cuivre était extrait principalement de mines situées dans l'île de Chypre, d'où le nom latin cuprum pour désigner ce métal, issu du grec ancien Κύπρος désignant l'île elle-même.

Les composés du cuivre se présentent sous plusieurs états d'oxydation, généralement +2, par lesquels ils confèrent une couleur bleue ou verte aux minéraux qu'ils constituent, comme par exemple la turquoise, ce qui les a fait utiliser de longue date comme pigments. Le cuivre est ainsi largement utilisé dans les arts décoratifs, à la fois sous forme métallique et sous forme de sels. Les ions cuivriques Cu sont solubles dans l'eau, où ils ont, à basse concentration, un effet bactériostatique et fongicide,cet effet n'est valable que la première année car ensuite le cuivre se corrode petit à petit et subit de plus l'érosion due à la vitesse de l'eau. D'autre part le tube cuivre subit le Piting phénomène due à une eau très minéralisée, le Piting aboutit au percement du tube cuivre en de nombreux petits trous de la taille d'une tête d'épingle, ces trous laissent entrer les bactéries, c'est pourquoi il est de moins en moins utilisé dans les Hopitaux. en plus des dispositifs antibactériens et antimicrobiens par ailleurs intégrés dans ces bâtiments. À des concentrations plus élevées, l'ion Cu se révèle également toxique pour les organismes supérieurs, mais à faible concentration, il est au contraire un nutriment essentiel au développement de ces organismes, y compris chez l'homme, où on le trouve très largement distribué dans les différents tissus, surtout dans le foie, les muscles et les os. Son rôle biologique provient de sa présence comme coenzyme et dans divers pigments.

Le cuivre est, avec l'or, le premier métal à avoir été utilisé par l'Homme parce qu'il se trouve parfois sous une forme native. Des objets en cuivre datant de 8700 avant J.-C. ont été retrouvés au Moyen-Orient

En Europe occidentale, on situe l'âge du cuivre ou Chalcolithique, entre 3 200 et 2 000 environ av. J.C., suivant les régions (Italie, Suisse, Alpes, Cévennes, Espagne et Portugal). Cette période technologique est bien plus ancienne à l'est de la Méditerranée.

La première trace écrite remonte à Pline l’ancien en 77.
Transposé au XII siècle du latin cupreum, lui-même dérivé du grec Kupros, « Chypre », où le cuivre était exploité dans l'Antiquité.

Métal de couleur rougeâtre ou rouge, le cuivre possède une excellente conductivité thermique et électrique. À titre de comparaison, l'argent est le seul métal pur présentant une meilleure conductivité électrique à température ambiante.

• Identification

• Dureté (Mohs) : 3,5-4,5

• Densité : 8,93

• Clivage : absent

• Fracture : écailleuse

• Rupture : ductile (peu d'impuretés ou impuretés insolubles) ou cassante (impuretés solubles comme le phosphore)

• Couleur : rouge métallisé

• Éclat : métallique

• Système cristallin : cubique

• Classe cristalline et groupe d'espace : hexakisoctaédrique - m3m

• Réseau de Bravais : cubique à face centrée

• macle : macle très fréquente sur {111} par accolement ou pénétration

• Solubilité : acide nitique, ammoniaque

• Propriétés optiques

• Transparence : opaque

• Éclat : métallique

• Trait : rouge métallisé, rouge pâle

• Fluorescence : aucune

• Dans des zones poreuses des basaltes : les réactions entre solution hydrothermale et minerais ferrifères génèrent le cuivre des principaux gisements de ce minéral. Dans la presqu'île de Keenawa, les couches de basalte alternent avec des grès et des conglomérats, les cavités sont emplies par le cuivre associé à la calcite, l'épidote, des minéraux cuprifères, des zéolites, un peu d'argent ; d'importantes masses de cuivre (jusqu'à 500 000 kg) y ont été rencontrées.
• Dans des grès et des schistes, où le cuivre était probablement d'origine hydrothermale.
• Le cuivre natif précipite en petites masses dans la zone d'oxyréduction d'un grand nombre de gîtes de cuivre, il y est accompagné de cuprite, azurite, malachite.
• Présent dans les météorites.

Le cuivre est un des rares métaux qui existent à l'état natif. Ce fait d'ailleurs expliquant probablement qu'il fut le premier métal utilisé par les hommes. L'occurrence du cuivre natif est cependant assez faible. On le trouve le plus fréquemment sous forme de sulfure ou de sulfo-sel. On le trouvait en quantités importantes dans l'île de Chypre surnommée l'île aux mille mines.

Sulfures

• La chalcopyrite : CuFeS₂ : (Cu₂S, Fe₂S₃)
• La bornite : Cu₅FeS₄ : (5Cu₂S, Fe₂S₃)
• La covelline : CuS
• La chalcocite : Cu₂S

Sulfo-sel

• L’énargite : Cu₃AsS₄ : (3Cu₂S, As₂S₅)

Oxydes

Le cuivre s'oxyde :

• ion cuivreux Cu, ou ion Cu(I) :
• Cuprite Cu₂O ;
• ion cuivrique Cu, ou ion Cu(II) :
• Tenorite CuO.

Les potentiels standards des principales demi-réactions sont :

Cu₂O_(s) + H₂O + 2 e ⇄ 2 Cu_(s) + 2 OH ;

Cu + e ⇄ Cu : E = +0,159 V ;

Cu + 2 e ⇄ Cu_(s) : E = +0,340 V ;

Cu + e ⇄ Cu_(s) : E = +0,520 V.

Carbonates

• Azurite : Cu₃(CO₃)₂(OH)₂ : (2CuCO₃, Cu(OH) ₂)
• Malachite : Cu₂(CO₃)(OH)₂ : (CuCO₃, Cu(OH) ₂)

Silicates

• Chrysocolle : (Cu, Al)₂H₂(Si₂O₅)(OH)₄* n(H₂O)

Sulfate et chlorure

• Brochantite : Cu₄(SO₄)(OH) ₆
• Atacamite : Cu₂Cl(OH) ₃

Les principaux pays producteurs sont le Chili, avec 4 des 5 plus importantes mines du cuivre du monde, les États-Unis, le Pérou, l'Australie, la Russie, l'Indonésie, le Canada, la Zambie et la Pologne. Les gisements remarquables pour le cuivre natif sont :

• Bolivie

• Coro-Coro, Province de Pacajes, Département de La Paz

• Canada

• Mine Normandie, Saint-Joseph-de-Coleraine, Les Appalaches RCM,Chaudière-Appalaches, Québec

• États-Unis

• Presqu'île de Keenawa, et Lac –Supérieur, Comté de Keweenaw, Michigan

• France,

• Les Clausis, Saint-Véran, Hautes-Alpes

• pélites Permiennes du Dôme de Barrot, Alpes-Maritimes

• Chessy, Rhône

• Saint-Jean-de-Jeannes, Mont Roc, et le Burc, Tarn

• Pologne

• bassin de Lubin ( Basse-Silésie )

Les propriétés du cuivre (haute conductibilité électrique, résistance à la corrosion, recyclabilité) font de ce métal une ressource naturelle très utilisée. Dans l'électricité, l'électronique, les télécommunications (réseaux cablés, microprocesseurs, batteries), dans la construction (tuyauterie d'eau, couverture), dans l'architecture, les transports (composants électro-mécaniques, refroidisseurs d'huile, réservoirs, hélices), les machine-outils, des produits d'équipement (plateformes pétrolières) et de consommation (ustensiles de cuisine) mais aussi des pièces de monnaie comme l'euro.

La pièce de 1 euro (l'Arbre Étoilé dessiné par Joaquin Jimenez pour les euros frappés en France) est constituée d'un centre "blanc" en cupronickel (75%Cu 25% Ni) sur âme de nickel et d'une couronne "jaune" en maillechort (75%Cu 20%Zn 5%Ni). Les alliages (centre et couronne) sont inversés pour la pièce de 2 euros.

La pyramide de Khéops contient une tuyauterie en cuivre encore en état de marche aujourd'hui !.

Le cuivre devient pâteux vers 830 °C et fond autour de 1 100 °C (voir température de fusion : 1 084,45 °C).

L'affinage industriel du cuivre s'effectue par électrolyse d'anodes de cuivre brut dans une solution de sulfate de cuivre. Les ions cuivre migrent vers la cathode et les impuretés restent dans le bain. Ce procédé permet d'obtenir du métal pur à 99,95 %

Le cuivre, à très faible dose, est un oligo-élément indispensable à la vie. Il est notamment nécessaire à la formation de l'hémoglobine et remplace même le fer pour le transport de l'oxygène chez une espèce d'arthropode, la limule, dont le sang est bleu ou chez certains chironomes qui sont verts. Chez l'homme et les mammifères, régulé par le foie, le cuivre intervient dans la fonction immunitaire (démontré chez le rat) et contre le stress oxydant. Il est stocké, excrété via la bile ou distribué vers les organes. Ses propriétés anti-infectieuses étaient déjà connues et utilisées dans l'Égypte antique.
Associé au plomb, il semble pouvoir aggraver le risque de maladie de Parkinson.
Le taux osseux moyen « normal » chez l’homme au XX siècle a été estimé à 4,2 mg/kg par Scheinberg en 1979). On connaît des contaminations humaines et animales dès l'âge du bronze, autour notamment des anciennes mines de cuivre et plomb de l'actuelle Jordanie.

Bien que le porc n'ait pas besoin de plus de 6 mg/kg d'aliment (NRC, 1998), du cuivre est ajouté à son alimentation car il s'est montré un puissant facteur de croissance s'il est associé à une supplémentation en zinc (à 150 à 250 ppm de Cu en post-sevrage dans l'alimentation des porcelets, soit 30 fois leur besoin normal est une pratique courante, qui explique l'augmentation de la charge de cuivre polluante des lisiers. Le mouton serait, lui, tué par le cuivre dès 15 mg de Cu par kg d'aliment ; la mort survenant après une phase hémolytique lorsque le taux de Cu dans le foie dépasse 350 à 1 000 ppm de matière sèche). Le mouton semble être le mammifère le plus sensible, parmi ceux dont les réactions au cuivre ont été étudiées.

Le cuivre est aussi - à dose plus élevée et sous ses formes oxydées (vert-de-gris, oxyde cuivreux) - un puissant poison pour l'Homme, comme - à des doses parfois infimes - pour de nombreux organismes (algues, mousses, microorganismes marins, champignons microscopiques). Ce fait connu depuis l'Antiquité a justifié son utilisation comme pesticide (exemple : Bouillie bordelaise) ou comme biocide, notamment dans les antifoulings.

Ses vertus bactériostatiques et antifongiques et sa ductilité ont aussi, comme pour le plomb (qui est lui bien plus toxique) justifié son utilisation dans les canalisations d'eau et dans certains pays pour les toitures et gouttières (ni mousse ni plantes ne s'y installent, mais l'eau s'y charge de cuivre). Le cuivre a été utilisé pour les cuves et tuyauteries de fabrication de la bière et de distillation d'alcool, pour les marmites à confiture et pour la fabrication de fromages à pâte cuite.
Sa résistance à la corrosion et sa toxicité empêchant la prolifération et la fixation d'algues et d'organismes marins a encouragé ses usages dans la marine, sous forme de cuivre ou plus souvent de bronze ou laiton (clous, hublots, accastillage, hélice).
Les sels de cuivre, comme le sulfate ou l'oxychlorure, présentent des propriétés fongicides mises à profit pour la viticulture et l'agriculture. Un simple fil de cuivre tendu sur le faite d'une toiture tue toutes les mousses et algues qui pourraient y pousser, bien que la pluie ne s'y charge que d'une quantité infime d'atomes de cuivre.
Après deux années de tests concluant qu'en milieu hospitalier, sur des surfaces en cuivre, 90 à 100 % de certains micro-organismes tels que le staphylocoque doré disparaissent, un hôpital irlandais a installé en 2009 des poignées en cuivre sur toutes ses portes pour lutter contre les infections nosocomiales.

L'oxyde cuivreux des peintures antifouling récentes, pour certaines conçues pour être érodables afin de libérer plus longtemps leurs biocides, tuent les bernacles et bien d'autres espèces dès leur stade larvaire, mais en relâchant du cuivre qui contamine à cette occasion les eaux environnantes.
Le cuivre utilisé sur les vignes n'étant pas dégradable, il finit par s'accumuler dans les points bas où il atteint des taux préoccupants dans le sol et l'eau, pouvant localement provoquer la mort d'animaux qui y sont sensibles, comme le mouton.

Les moûts de raisin renferment toujours des teneurs importantes de cuivre ; quelques dixièmes de mg/l sont issus de la vigne, mais la majeure partie vient des différents traitements subis. Lors de la fermentation ce cuivre, réduit en sulfure, est éliminé avec les levures et les lies. Le vin nouveau n’en contient que 0,2 à 0,3 mg/l, pourcentage qui peut augmenter après quelques mois de conservation, à la suite de contacts avec du matériel en cuivre, en laiton ou en bronze. Dans les vins blancs maintenus à l’abri de l’air, lorsque le potentiel d'oxydo-réduction atteint un niveau suffisamment bas, le cuivre est réduit en présence d’anhydride sulfureux libre et précipité à l’état de sulfures qui troublent le vin si la dose de cuivre approche de 1 mg/l. De plus, le cuivre, agissant comme catalyseur (même à faible dose), favorise beaucoup l’oxydation du fer et la casse blanche. On élimine le cuivre des vins par traitement au ferrocyanure de potassium ou par le monosulfure de sodium qui le précipite à l’état de sulfures.

Le cuivre est un oligo-élément pour l'Homme, mais en 1988, Holland et White ont montré expérimentalement, in vitro, qu'il provoque chez le rat une immobilisation non réversible du sperme (in vitro, après inhalation provoquée d'un aérosol de chlorure de cuivre). Des changements histomorphologiques, et dans la mobilité du sperme sont observés corrélativement à une modification du poids des testicules et des taux d'hormones sexuelles après 4 mois d'exposition à 19,6 mg/m de cuivre (Gabuchyan, 1987). Les auteurs remarquent que cette toxicité pourrait expliquer l'efficacité contraceptive des stérilets en cuivre.
Pour en savoir plus, voir le rapport INERIS sur le cuivre. À des concentrations extrêmement élevées, le cuivre peut entraîner la nécrose du foie.

Outre des impacts sur la fertilité du rat, en laboratoire, le cuivre (utilisé comme pesticide depuis l'Antiquité) a une action toxique très importante sur les algues et mousses. Comme c'est un produit non biodégradable, il s'accumule et finit par atteindre des taux suffisant pour tuer par exemple des moutons pâturant en aval de vignes traitées depuis plusieurs décennies. En France, environ un million d’hectares de vignobles anciens sont ainsi si chargés de cuivre que d'ici quelques années ou décennies le seuil toxique y sera atteint pour les mammifères. Dans les régions d'épandage des lisiers porcins, la teneur en cuivre et zinc des sols est également en augmentation préoccupante.

Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où l'on souhaite une grande conductivité thermique. Le cuivre pur est très ductile (allongement à la rupture élevé).

• Les pièces de conduction : il est montré que les conductivités thermique et électrique du cuivre sont liées très fortement. Cela résulte du mode de transmission de la chaleur et de l'électricité dans les métaux, qui se fait majoritairement par déplacement d'électrons. On notera à ce titre que le cuivre servant dans ce domaine doit être extrêmement pur (couramment 99,999 % Cu). Les impuretés solubles dans la matrice de cuivre telles que le phosphore (même en très faible proportion) diminuent très fortement la conductivité. À l'heure actuelle, le cuivre est souvent écarté au profit de l'aluminium. Ce dernier présente de fait un rapport conductivité sur densité bien plus favorable. Plus aucun radiateur d'automobile n'est aujourd'hui en cuivre. Quand on sait également que l'aluminium est beaucoup moins cher que le cuivre, on comprend pourquoi il en est de même pour les câbles électriques HT.
• Le cuivre est couramment utilisé en laboratoire comme cible dans les tubes à rayons X pour la diffraction sur poudres. La raie Kα du cuivre a pour longueur d'onde moyenne 1,54182 Å.

Les alliages de cuivre, en revanche, sont très largement utilisés dans de nombreux domaines. Les alliages les plus célèbres sont certainement le laiton (Cu-Zn) et le bronze (Cu-Sn) qui ont été élaborés bien avant qu'on ne fasse les premières coulées de cuivre pur. Les Fonts baptismaux de la collégiale St Barthélémy de Liège ont fasciné les chercheurs à ce niveau. Il a fallu se rendre à l'évidence que le laiton est plus facilement élaborable que le cuivre pur et le zinc pur séparés. Cela résulte simplement de la thermodynamique des solutions, produire un métal impur à partir d'un minerai impur est plus facile qu'extraire un métal pur d'un minerai impur. Le cuivre est utilisé en alliage avec l'aluminium pour en augmenter la résistance mécanique dans la construction aéronautique.

• Pièces mécaniques : le cuivre pur ou légèrement allié présente des propriétés mécaniques satisfaisantes mais il n'est généralement pas utilisé en raison de sa densité élevée (comparé au magnésium et à l'aluminium ou même au fer), sa rareté et son coût d'élaboration (et donc d'achat) limite fortement son utilisation. Actuellement, la présence de cuivre dans certains alliages est plus pour son caractère semi-noble que mécanique pur.
• Pièces de frottement et d'usure : voir l'article tribologie.
• Pièces devant résister à la corrosion, l'oxyde de cuivre est stable à température ambiante et recouvre généralement par une fine couche isolante les pièces en cuivre. Il est assez semblable à l'aluminium à ce niveau.
• ...

La quantité de cuivre dans différents milieux est quantifiable par différentes méthodes analytiques. Pour dissocier le cuivre de la matrice de son milieu, il faut, la plupart du temps, effectuer une digestion à l’aide d’un acide (en général l’acide nitrique et/ou l’acide chlorhydrique). Le centre d’expertise en analyse environnementale du Québec utilise des techniques couplées soient l’ICP-MS pour les analyses dans la chair de poissons et des petits invertébrés et l’ICP-OES pour les analyses dans l’eau qui doit préalablement être acidifiée.

Les noces de cuivre symbolisent les 32 ans de mariage dans le folklore français.

Traditionnellement, le cuivre est associé à la planète Vénus. Les alchimistes utilisaient le symbole ♀ pour le représenter. C'est donc un métal associé à la féminité, la jeunesse et l'amour. Des miroirs anciens, symbole de narcissisme, étaient fait de cuivre.

Le cuivre se prête particulièrement bien au recyclage. Il ne s'altère pas, ne perd pas de performances, est recyclable à l'infini. L'énergie nécessaire pour élaborer du cuivre à partir de déchets ne représente qu'un quart de celle nécessaire pour extraire le métal pur du minerai. D'autre part le recyclage émet moins de gaz à effet de serre. «La seule production de cathodes à partir de cuivre recyclé permet d’économiser près de 700 000 tonnes de CO₂ chaque année». Cet argument environemental est tempéré par la forte toxicité de certains de ses sels, à l'égard des organismes aquatiques (marins notamment). D'autre part, le cuivre recyclé l'est en partie à partir de cuivre récupéré par l'économie informelle, source potentielle de pollution.

On distingue le recyclage primaire, effectué à partir de déchets d'usinages et de rognures ou coupes de plaques, du recyclage secondaire effectué à partir de produits en fin de vie, comme les appareils ménagers, le matériel informatique, les téléphones portables, la robinetterie. Les équipements électriques et électroniques contiennent jusqu'à 20 % de leur poids en cuivre.

On estime qu'environ 80 % du cuivre jamais produit jusqu'à ce jour est encore utilisé !

• Le cuivre est le troisième métal le plus utilisé au monde après le fer et l'aluminium. La forte corrélation du cuivre à la conjoncture industrielle fait de l'étude du marché du cuivre un excellent indicateur avancé de l'état de l'économie.
• En 2004, la production mondiale de cuivre était de 16,015 millions de tonnes. La consommation mondiale totale de cuivre (cuivre primaire raffiné + cuivre recyclé) a plus que doublé entre le début des années 1970 et 2006 pour atteindre 22.9 millions de tonnes métriques. Les principaux producteurs étaient en 2004 le Chili (37,3 %), les États-Unis (8 %, dont 62 % en Arizona), le Pérou (7,1 %) et l'Indonésie (5,7 %). En Europe, le principal producteur était la Pologne avec 585 000 tonnes/an. Le Chili, qui exporte le tiers de sa production, est le premier pays exportateur de cuivre, suivi par le Pérou et l'Australie. Les plus gros importateurs sont la Chine (28%), le Japon (23%), l'Inde (10%) et la Corée du Sud (8%).
• Les plus importantes sociétés productrices de cuivre sont la compagnie nationale chilienne Codelco, puis l'américain Freeport-McMoRan, l'anglo-australien Rio Tinto et l'anglo-suisse Xstrata.
• Le cuivre, ses contrats à terme et ses options se négocient sur 3 Bourses des métaux à travers le monde : le LME (London Metal Exchange), le Comex, marché des métaux du Nymex (New York Mercantile Exchange), et le SHME (Shanghaï Metal Exchange). A Londres, le cuivre est négocié en lots de 25 tonnes et coté en dollars américains par tonne. A New York, il est négocié en lots de 25 000 livres et coté en cents américains par livre. A Shanghaï, il est négocié en lots de 5 tonnes et coté en yuan par tonne.
• En avril 2006, le cours du cuivre était à environ 6 300 euros/tonne, en forte hausse par rapport à 2005, due principalement à la demande asiatique. Sur les 8 premiers mois de l'année 2006, la hausse s'est montée à 69 %.
• Suite à la crise de 2008-2009, le cuivre, qui cotait 9000 $/tonne en juillet 2008 à Londres, a plongé à un plus bas de 2800 $/tonne fin 2008, puis repris 140% en 2009 et atteint 7900 $/tonne en avril 2010.
• Le recyclage primaire a gagné 20% en cinq dans le monde, puis a chuté de 2,6% suite à la crise de 2008 (par rapport à 2007), en raison d'une moindre refonte des «chutes neuves» .
• Le recyclage secondaire a augmenté de 3% en 2008 dans le monde (soit + 49% de 2002 à 2008) (pour 23,5 millions de tonnes utilisée dans le monde en 2008, ce qui correspond à une consommation ayant cru de 140 % depuis 1976, les besoins ont augmenté de 140%. 2 Mt ont ainsi été recyclées en 2005, soit 13 % de la production totale de ce métal.
• L'Europe (en incluant la Russie) serait le premier utilisateur mondial de cuivre recyclé, avec plus de 40 % de sa consommation , et serait la région ou la proportion de cuivre recyclé a progressé (passant de 41,3% en 2007 à 43% en 2008), avec 2,5 millions de tonnes de cuivre recyclés utilisées en 2008 .
• Les derniers chiffres indiquent, selon l'ICSG, que plus du tiers des besoins mondiaux et 42% des besoins européens proviennent du recyclage en 2009. Ce taux atteint même 70% dans la construction. La Chine est le premier producteur de cuivre de recyclage secondaire.
• Le CIPEC était un cartel qui a fonctionné entre 1967 et 1988.

Au Québec, un terme couramment utilisé pour déterminer le cuivre est coppe. Le passé industriel de cette province du Canada a amené les travailleurs d'usine à s'approprier certains termes industriels.
Richard Desjardins, chansonnier québécois, y fait référence dans la chanson Et j'ai couché dans mon char. Il souligne alors les variations du prix du cuivre dans les années 1970-1980 en Amérique du Nord.

• La gang est splittée, c'était rien qu'un époque. Sa valeur est tombée, comme le prix de la coppe.