Faits sur le cuivre

Le cuivre brillant et rougeâtre a été le premier métal manipulé par les humains, et il reste un métal important dans l'industrie aujourd'hui. 

L'objet métallique le plus ancien trouvé au Moyen-Orient est constitué de cuivre; c'était un petit poinçon datant d'aussi loin que 5100 av. Et le penny américain était à l'origine composé de cuivre pur (bien que, de nos jours, il soit à 97,5% de zinc avec une fine peau de cuivre).

Le cuivre se classe au troisième rang des métaux industriels les plus consommés au monde, après le fer et l'aluminium, selon l'US Geological Survey (USGS). Environ les trois quarts de ce cuivre sont destinés à la fabrication de fils électriques, de câbles de télécommunication et d'électronique. 

Mis à part l'or, le cuivre est le seul métal du tableau périodique dont la coloration n'est pas naturellement argentée ou grise.

Description chimique

• Numéro atomique (nombre de protons dans le noyau): 29
• Symbole atomique (sur le tableau périodique des éléments): Cu
• Poids atomique (masse moyenne de l'atome): 63,55
• Densité: 8,92 grammes par centimètre cube
• Phase à température ambiante: solide
• Point de fusion: 1,984,32 degrés Fahrenheit (1,084,62 degrés Celsius)
• Point d'ébullition: 5,301 degrés F (2,927 degrés C)
• Nombre d'isotopes (atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons): 35; 2 stables
• Isotopes les plus courants: Cu-63 (69,15% d'abondance naturelle) et Cu-65 (30,85% d'abondance naturelle)

Histoire et caractéristiques

La plupart du cuivre se trouve dans les minerais et doit être fondu ou extrait de son minerai pour être purifié avant de pouvoir être utilisé. Mais les réactions chimiques naturelles peuvent parfois libérer du cuivre natif, selon le site de base de données de chimie, Chemicool.

Les humains fabriquent des objets en cuivre depuis au moins 8000 ans et ont compris comment faire fondre le métal vers 4500 av. Le prochain bond technologique a été la création d'alliages de cuivre en ajoutant de l'étain au cuivre, ce qui a créé un métal plus dur que ses pièces individuelles: le bronze. Le développement technologique a marqué le début de l'âge du bronze, une période couvrant environ 3300 à 1200 avant JC, et se distingue par l'utilisation d'outils et d'armes en bronze, selon History.

Les artefacts de cuivre sont saupoudrés dans tout le dossier historique. Les archéologues ont découvert un minuscule poinçon, ou outil pointu, datant de 5100 avant JC, qui a été enterré avec une femme d'âge moyen dans un ancien village d'Israël. Le poinçon représente le plus ancien objet métallique jamais trouvé au Moyen-Orient. Le cuivre provenait probablement de la région du Caucase, située dans la région montagneuse couvrant le sud-est de la Russie, l'Arménie, l'Azerbaïdjan et la Géorgie à plus de 1000 kilomètres (600 miles), selon un article de 2014 publié dans PLOS ONE. Dans l'Égypte ancienne, les gens utilisaient des alliages de cuivre pour fabriquer des bijoux, y compris des bagues d'orteils. Les chercheurs ont également découvert des mines de cuivre massives du 10e siècle av. en Israël.

Environ les deux tiers du cuivre sur Terre se trouvent dans les roches ignées (volcaniques) et environ un quart dans les roches sédimentaires, selon l'USGS. Le métal est ductile et malléable, et conduit bien la chaleur et l'électricité - raisons pour lesquelles le cuivre est largement utilisé dans l'électronique et le câblage.

Le cuivre devient vert à cause d'une réaction d'oxydation; c'est-à-dire qu'il perd des électrons lorsqu'il est exposé à l'eau et à l'air. L'oxyde de cuivre qui en résulte est d'un vert terne. Cette réaction d'oxydation est la raison pour laquelle la Statue de la Liberté cuivrée est verte plutôt que rouge orangée. Selon la Copper Development Association, une couche d'oxyde de cuivre altérée de seulement 0,005 pouces (0,127 millimètre) d'épaisseur recouvre Lady Liberty et le revêtement pèse environ 80 tonnes (73 tonnes métriques). Le passage de la couleur cuivre au vert s'est produit progressivement et s'est achevé en 1920, 34 ans après que la statue ait été consacrée et dévoilée, selon la New York Historical Society. 

Qui savait? 

Voici quelques faits intéressants sur le cuivre:

• Selon Peter van der Krogt, un historien néerlandais, le mot «cuivre» a plusieurs racines, dont beaucoup viennent du mot latin cuprum qui est dérivé de la phrase Cyprium aes, ce qui signifie «un métal de Chypre», car une grande partie du cuivre utilisé à l'époque était extraite à Chypre.
• Si tout le câblage en cuivre d'une voiture moyenne était aménagé, il s'étendrait sur 1,5 km (0,9 miles), selon l'USGS. 
• La conductance électrique (la facilité avec laquelle un courant peut circuler à travers le métal) du cuivre est la deuxième après celle de l'argent, selon le Jefferson Laboratory.
• Les pièces de monnaie étaient en cuivre pur uniquement de 1783 à 1837. De 1837 à 1857, les pièces de monnaie étaient en bronze (95 pour cent de cuivre, les 5 pour cent restants constitués d'étain et de zinc). En 1857, la quantité de cuivre en centimes tomba à 88% (les 12% restants étant du nickel) et retourna à sa recette précédente en 1864. En 1962, la teneur d'un centime passa à 95% de cuivre et 5% de zinc. De 1982 à aujourd'hui, les centimes sont de 97,5% de zinc et 2,5% de cuivre. 
• Les gens ont besoin de cuivre dans leur alimentation. Le métal est un oligo-élément essentiel qui est crucial pour la formation des globules rouges, selon la Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis. Heureusement, le cuivre peut être trouvé dans une variété d'aliments, y compris les céréales, les haricots, les pommes de terre et les légumes-feuilles.
• Cependant, trop de cuivre est une mauvaise chose. L'ingestion de niveaux élevés de métal peut provoquer des douleurs abdominales, des vomissements et une jaunisse (une teinte jaunâtre de la peau et du blanc des yeux pouvant indiquer que le foie ne fonctionne pas correctement) à court terme. Une exposition à long terme peut entraîner des symptômes tels qu'une anémie, des convulsions et une diarrhée souvent sanglante et pouvant être bleue.
• Parfois, des niveaux accrus de cuivre sont trouvés dans l'approvisionnement en eau en raison de vieux tuyaux en cuivre. Par exemple, en août 2018, le système scolaire public de Detroit a fermé toute eau potable dans les écoles publiques par mesure de précaution en raison des niveaux élevés de cuivre et de fer trouvés dans l'eau, selon le Seattle Times..
• Le cuivre a des propriétés antimicrobiennes et tue les bactéries, les virus et les levures au contact, selon un article de 2011 dans la revue Applied and Environmental Microbiology. En conséquence, le cuivre peut même être tissé dans des tissus pour fabriquer des vêtements antimicrobiens, comme des chaussettes qui combattent les champignons des pieds..
• Le cuivre est également inclus dans certains types de dispositifs intra-utérins (DIU) utilisés pour le contrôle des naissances, selon la clinique Mayo. Le câblage en cuivre crée une réaction inflammatoire qui est toxique pour les spermatozoïdes et les ovules, afin d'éviter une grossesse. Il existe, avec toute intervention médicale, un risque d'effets secondaires. Bien que la toxicité du cuivre ne semble pas en être une, selon un article de 2017 publié dans Medical Science Monitor.

Les recherches en cours

Médicament: Les propriétés antimicrobiennes du cuivre en ont fait un métal populaire dans le domaine médical. Plusieurs hôpitaux ont essayé de recouvrir les surfaces fréquemment touchées, telles que les barrières de lit et les boutons d'appel, avec du cuivre ou des alliages de cuivre dans le but de ralentir la propagation des infections nosocomiales. Le cuivre tue les microbes en interférant avec la charge électrique des membranes cellulaires des organismes, a déclaré Cassandra Salgado, professeur de maladies infectieuses et épidémiologiste hospitalière à l'Université médicale de Caroline du Sud..

En 2013, une équipe de chercheurs dirigée par Salgado a testé des surfaces dans des unités de soins intensifs (USI) de trois hôpitaux, comparant des pièces modifiées avec des surfaces en cuivre attachées à six objets communs soumis à de nombreuses mains à des pièces non modifiées avec du cuivre. Les scientifiques ont découvert que, dans les chambres d'hôpital traditionnelles (celles sans surface en cuivre), 12,3% des patients ont développé des infections résistantes aux antibiotiques telles que résistantes à la méthicilline. Staphylococcus aureus (SARM) et résistant à la vancomycine Enterococcus (VRE). En comparaison, dans les chambres modifiées au cuivre, seuls 7,1% des patients ont contracté l'une de ces infections potentiellement dévastatrices.

"Nous savons que si vous mettez du cuivre dans la chambre d'un patient, vous réduirez la charge microbienne", a déclaré Salgado. "Je pense que c'est quelque chose qui a été démontré maintes et maintes fois. Notre étude a été la première à démontrer qu'il pouvait y avoir un avantage clinique à cela."

Les chercheurs n'ont rien changé d'autre sur les conditions de l'ICU au-delà du cuivre; les médecins et les infirmières se lavaient encore les mains et le nettoyage se poursuivait comme d'habitude. Les chercheurs ont publié leurs résultats en 2013 dans la revue Infection Control and Hospital Epidemiology.

Salgado et son équipe ont également testé le revêtement en cuivre sur des stéthoscopes, selon un article de 2017 publié dans l'American Journal of Infection Control, où les chercheurs ont constaté qu'il y avait beaucoup moins de bactéries sur les stéthoscopes recouverts de cuivre et que 66% des stéthoscopes étaient entièrement gratuits. des bactéries. D'autres recherches se poursuivent pour tester l'idée du placage de cuivre dans d'autres services médicaux, en particulier dans les zones où les patients sont plus mobiles que dans les unités de soins intensifs. Il doit également y avoir une analyse coûts-avantages pesant les frais d'installation de cuivre par rapport aux économies réalisées en évitant des infections coûteuses, a-t-elle déclaré.. 

Électronique: Le cuivre joue également un rôle énorme dans l'électronique, et en raison de son abondance et de son faible prix, les chercheurs s'efforcent d'intégrer le métal dans un nombre croissant d'appareils de pointe.. 

En fait, le cuivre peut aider à produire du papier électronique futuriste, des biocapteurs portables et d'autres composants électroniques «doux», a déclaré Wenlong Cheng, professeur de génie chimique à l'Université Monash en Australie. Cheng et ses collègues ont utilisé des nanofils de cuivre pour créer un «monolithe d'aérogel», un matériau très poreux, très léger et suffisamment solide pour se tenir debout tout seul, semblable à une éponge de cuisine sèche. Dans le passé, ces monolithes d'aérogel étaient fabriqués à partir d'or ou d'argent, mais le cuivre est une option plus économique. 

En mélangeant des nanofils de cuivre avec de petites quantités d'alcool polyvinylique, les chercheurs ont créé des monolithes d'aérogel qui pourraient se transformer en une sorte de caoutchouc tranchable et façonnable qui conduit l'électricité. Les chercheurs ont rapporté leurs résultats en 2014 dans la revue ACS Nano. Le résultat ultime pourrait être un robot au corps mou ou un capteur médical qui se fond parfaitement dans la peau courbée, a déclaré Cheng. Lui et son équipe travaillent actuellement à la création de capteurs de pression artérielle et de température corporelle à partir de monolithes d'aérogel de cuivre - une autre façon dont le cuivre pourrait aider à surveiller la santé humaine.

La physique: Dans une expérience de 2014, un morceau de cuivre est devenu le mètre cube le plus froid (35,3 pieds cubes) sur Terre lorsque les chercheurs l'ont refroidi à 6 millikelvins, soit six millièmes de degré au-dessus du zéro absolu (0 kelvin). C'est la substance la plus proche de cette masse et de ce volume qui soit jamais arrivée au zéro absolu.

Des chercheurs de l'Institut national italien de physique nucléaire ont mis le 880 lb. (400 kilogrammes) de cube de cuivre à l'intérieur d'un conteneur appelé cryostat spécialement conçu pour garder les articles extrêmement froids. C'est le premier cryostat, ou dispositif pour maintenir les choses à basse température, capable de maintenir des substances si proches du zéro absolu.

La construction du cryostat à température extrême n'est que la première étape d'une nouvelle expérience dans laquelle le cryostat agira comme un détecteur de particules. Les chercheurs espèrent que le détecteur, qui est en cours de mise en service selon une mise à jour du statut de 2018, en révélera plus sur les particules subatomiques appelées neutrinos et pourquoi il y a tellement plus de matière que d'antimatière dans l'univers..

Agriculture: Des chercheurs de l'Université Cornell ont étudié les effets des carences en cuivre dans les cultures, en particulier le blé. Le blé est l'un des aliments de base les plus importants au monde, et les carences en cuivre peuvent entraîner à la fois un rendement plus faible et une fertilité des cultures plus faible..

Les chercheurs ont étudié comment les plantes absorbent et traitent le cuivre. Selon le département américain de l'Agriculture, ils ont trouvé deux protéines dans le blé, AtCITF1 et AtSPL7, qui sont vitales pour l'absorption et la livraison du cuivre aux organes reproducteurs du blé..

Les premiers tests ont montré que lorsque le cuivre et d'autres éléments nutritifs sont enrichis dans le sol puis absorbés par le blé, les rendements des cultures augmentent jusqu'à sept fois. Bien que la connaissance du cuivre et d'autres minéraux soit connue pour être bénéfique pour la santé et la fertilité des cultures, le comment et le pourquoi du fait ne sont pas bien compris. La connaissance des raisons pour lesquelles le cuivre est bénéfique et comment il fonctionne dans la croissance et la reproduction d'une plante peut en outre être utilisée sur des cultures telles que le riz, l'orge et l'avoine, et peut introduire ces cultures avec un engrais riche en minéraux, qui comprend le cuivre, dans le sol qui était autrefois impropre à l'agriculture.

Ressources supplémentaires

• L'American Cancer Society examine la recherche sur le cuivre et affirme qu'il pourrait jouer un rôle dans la prévention ou le traitement du cancer.
• L'Environmental Protection Agency fournit des informations sur l'exposition à des niveaux élevés de cuivre et les effets de la corrosion du cuivre dans les tuyaux domestiques.
• L'installation Thomas Jefferson National Accelerator (Jefferson Lab) explore l'histoire et les utilisations du cuivre.

Cet article a été mis à jour le 12 septembre 2018 par la contributrice Rachel Ross.