Cobre

¿Qué es el cobre?

El cobre es un metal de transición que pertenece al grupo 11 de la tabla periódica, y su símbolo químico es Cu. Se caracteriza y distingue por ser un metal de color rojo-anaranjado, muy dúctil y maleable, y un gran conductor de la electricidad y el calor.

En su forma metálica se encuentra como mineral primario en rocas basálticas. Se presenta oxidado en compuestos sulfurosos (los de mayor explotación minera), arseniuros, cloruros y carbonatos, es decir, una vasta categoría de minerales.

Entre los minerales que lo contienen están calcocita, calcopirita, bornita, cuprita, malaquita y azurita. El cobre también está presente en las cenizas de las algas, en los corales marinos y en artrópodos.

Este metal tiene una abundancia de 80 ppm en la corteza terrestre, y una concentración promedio en el agua de mar de 2,5∙10^-4 mg/L. En la naturaleza se presenta como dos isótopos naturales: ⁶³Cu, con una abundancia del 69,15 %, y el ⁶⁵Cu, con una abundancia del 30,85%.

Hay evidencias de que el cobre fue fundido en 8000 a.C. y aleado con el estaño para formar bronce, en 4000 a.C. Se considera que solamente el hierro meteórico y el oro lo anteceden como los primeros metales utilizados por el humano. Es, pues, sinónimo de arcaico y brillo anaranjado al mismo tiempo.

El cobre se utiliza principalmente en la elaboración de cables para conducción de la electricidad en motores eléctricos. Estos cables, pequeños o grandes, componen maquinarias o dispositivos de la industria y en la vida cotidiana.

El cobre interviene en la cadena de transporte electrónico que permite la síntesis de ATP, principal compuesto energético de los seres vivos. Es un cofactor de la superóxido dismutasa, enzima que degrada al ion superóxido, compuesto altamente tóxico para los seres vivos.

Además, cumple en la hemocianina un papel en el transporte de oxígeno en algunos arácnidos, crustáceos y moluscos, semejante al realizado por el hierro en la hemoglobina.

A pesar de todas sus acciones benéficas para la humanidad, cuando se acumula en el cuerpo humano (como en la enfermedad de Wilson), puede provocar cirrosis hepáticas, trastornos cerebrales y daño ocular, entre otras alteraciones.

Historia del cobre

• Edad del Cobre. El cobre nativo se usó para elaborar artefactos como sustituto de la piedra en el Neolítico, probablemente entre los años 9000 y 8000 a.C. Fue de los primeros metales utilizados por el humano, después del hierro presente en los meteoritos y el oro. Hay evidencias de minería para obtener cobre en el 5000 a.C. Ya para una fecha anterior, se construían artículos de cobre, como el caso de un pendiente elaborado en Irak probablemente en el 8700 a.C. Se cree que la metalurgia nació en Mesopotamia (actual Irak) en el 4000 a.C., cuando se logró reducir el metal de los minerales mediante el fuego y el carbón. Luego, el cobre se aleó intencionalmente con el estaño para producir bronce (4000 a.C.). Algunos historiadores señalan una Edad del Cobre, que estaría ubicada cronológicamente entre el Neolítico y la Edad del Bronce. Posteriormente, la Edad del Hierro sustituyó a la de Bronce entre los años 2000 y 1000 a.C.
• Edad del Bronce. La Edad del Bronce comenzó 4.000 años después de que se fundiera el cobre. Artículos de bronce de la cultura Vinca (en Europa) datan de 4500 a.C., mientras que en Sumeria y Egipto existen objetos de bronce elaborados 3.000 años a.C. El uso del carbono radiactivo ha permitido establecer la existencia de minería de cobre en Alderley Edge, Cheshire y Reino Unido, entre los años 2280 y 1890 a.C. Se puede señalar que Ötzi, el “Hombre de Hielo”, con una fecha calculad entre 3300 y 3200 a.C., tenía un hacha con una cabeza de cobre puro. Los romanos, a partir del siglo VI a.C., usaban trozos de cobre como moneda. Julio Cesar usaba monedas de latón, aleación de cobre y cinc. Además, las monedas de Octavio estaban elaboradas con una aleación de cobre, plomo y estaño.
• Producción y nombre. La producción de cobre en el Imperio romano alcanzaba las 150.000 toneladas anuales, cifra solo superada durante la Revolución industrial. Los romanos traían el cobre de Chipre, conociéndolo como aes Cyprium (“metal de Chipre”). Luego, el término degeneró en cuprum: nombre usado para designar el cobre hasta 1530, cuando se introdujo el término de raíz inglesa copper, para designar al metal. La Gran Montaña de Cobre, en Suecia, que funcionó desde el siglo X hasta 1992, cubrió el 60% del consumo de Europa en el siglo XVII. La planta de La Norddeutsche Affinerie en Hamburgo (1876), fue la primera planta moderna de galvanoplastia que utilizaba cobre.

Propiedades físicas y químicas del cobre

• Apariencia. Es un metal rojo anaranjado lustroso, mientras que la mayor parte de los metales nativos son grises o plateados.
• Número atómico (Z). 29.
• Peso atómico. 63,546 u.
• Punto de fusión. 1.084,62 ºC. Los gases comunes como el oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el dióxido de azufre son solubles en el cobre fundido y afectan las propiedades mecánicas y eléctricas del metal cuando se solidifica.
• Punto de ebullición. 2.562 ºC.
• Densidad. 8,96 g/mL a temperatura ambiente. 8,02 g/mL en el punto de fusión (líquido). Nótese que no hay una disminución considerable de la densidad entre la fase sólida y líquida: ambas representan materiales muy densos.
• Calor de fusión. 13,26 kJ/mol.
• Calor de vaporización. 300 kJ/mol.
• Capacidad calórica molar. 24,44 J/(mol∙K).
• Expansión térmica. 16,5 µm/(m∙K) a 25 ºC.
• Conductividad térmica. 401 W/(m∙K).
• Resistividad eléctrica. 16,78 Ω∙m a 20 ºC.
• Conductividad eléctrica. 59,6∙10⁶ S/m. El cobre presenta una conducción eléctrica muy alta, solo superada por la de la plata.
• Dureza de Mohs. 3,0. Es un metal suave y bastante dúctil. La resistencia y la dureza aumentan mediante el trabajo en frío debido a la formación de cristales alargados de la misma estructura cúbica centrada en la cara presente en el cobre.
• Reacciones químicas. El cobre no reacciona con el agua, pero sí con el oxígeno atmosférico, recubriéndose de una capa de óxido negro-marrón que suministra protección a la corrosión a las capas subyacentes del metal: 2Cu(s) + O₂(g)  →   2CuO. El cobre no es soluble en ácidos diluidos, sin embargo, reacciona con los ácidos sulfúrico y nítrico calientes y concentrados. También es soluble en amoníaco en solución acuosa y en el cianuro de potasio. Puede resistir la acción del aire atmosférico y el agua de mar. No obstante, su exposición prolongada trae como resultado la formación de una capa fina protectora verde (patina). La capa anterior es una mezcla de carbonato y sulfato de cobre, observada en edificaciones o esculturas antiguas, como la Estatua de la Libertad de Nueva York. El cobre reacciona calentado al rojo con el oxígeno para dar óxido cúprico (CuO) y a temperaturas más elevadas forma el óxido cuproso (Cu₂O). También reacciona en caliente con el azufre para originar sulfuro de cobre, por lo que se empaña cuando se expone a algunos compuestos de azufre. El cobre I se quema con una llama azul en una prueba de llama, mientras que el cobre II emite una llama verde.

Estructura y configuración electrónica del cobre

Los cristales de cobre cristalizan en la estructura cúbica centrada en las caras (fcc, por sus siglas en inglés: face centered cubic). En este cristal fcc, los átomos Cu permanecen unidos gracias al enlace metálico, comparativamente más débil que otros metales de transición, lo que se manifiesta en su gran ductilidad y bajo punto de fusión (1.084 ºC).

De acuerdo a la configuración electrónica:

[Ar] 3d¹⁰ 4s¹

Todos los orbitales 3d están llenos de electrones, mientras que hay una vacancia en el orbital 4s. Esto significa que los orbitales 3d no colaboran en el enlace metálico como podría esperarse de otros metales. Así, los átomos Cu a lo largo del cristal solapan sus orbitales 4s para crear bandas, influyendo en la fuerza relativamente débil de sus interacciones.

De hecho, la diferencia enérgica resultante entre los electrones del orbital 3d (llenos) y 4s (semillenos) es responsable de que los cristales de cobre absorban fotones del espectro visible, reflejando su color anaranjado distintivo.

Los cristales fcc de cobre pueden tener diferentes tamaños, los cuales, mientras más pequeños son, más fuerte será la pieza metálica. Cuando son muy pequeños, se habla entonces de nanopartículas, sensibles a la oxidación y reservadas para aplicaciones selectivas.

Números de oxidación

El primer número o estado de oxidación que puede esperarse del cobre es el +1, a raíz de la pérdida del electrón de su orbital 4s. Al tenerlo en un compuesto, se asume la existencia del catión Cu⁺ (llamado comúnmente ion cuproso).

Este y el número de oxidación +2 (Cu²⁺) son los más conocidos y abundantes para el cobre, generalmente los únicos que se enseñan a nivel de preparatoria. Sin embargo, también existen los números de oxidación +3 (Cu³⁺) y +4 (Cu⁴⁺), que no son tan raros como se puede pensar a primera vista.

Por ejemplo, las sales del anión cuprato, CuO₂^–, representan compuestos con cobre (III) o +3, tal es el caso del cuprato de potasio, KCuO₂ (K⁺Cu³⁺O₂^2-).

El cobre también, aunque en menor grado y en muy raras ocasiones, puede tener un número de oxidación negativo: el -2 (Cu^2-).

Obtención del cobre

• Materia prima. Los minerales más utilizados para extraer el cobre son los sulfuros del metal, principalmente la calcopirita (CuFeS₂) y la bornita (Cu₅FeS₄). Estos minerales aportan el 50% del total del cobre extraído. También se utilizan la calellita (CuS) y la calcocita (Cu₂S).
• Trituración y molienda. Inicialmente, las rocas son trituradas hasta obtener fragmentos rocosos de 1,2 cm. Luego se continúa con una molienda de los fragmentos rocosos, hasta obtener partículas de 0,18 mm. Se le agrega agua y reactivos para obtener una pasta, llevada después a flotación para obtener un concentrado de cobre.
• Flotación. En esta etapa se forman burbujas que atrapan el cobre y los minerales sulfurados presentes en la pulpa. Se realizan varios procesos de recolección de la espuma, secándola para obtener el concentrado que continúa su purificación.
• Purificación. Para separar el cobre de otros metales e impurezas, el concentrado seco es sometido a grandes temperaturas en hornos especiales. El cobre refinado al fuego (RAF) es moldeado en placas de un peso aproximado de 225 kg que constituyen ánodos.
• Electrólisis. La electrólisis se utiliza en la refinación del cobre. Los ánodos provenientes de la fundición son llevados a celdas electrolíticas para su refinación. El cobre se desplaza al cátodo y las impurezas sedimentan en el fondo de las celdas. En este proceso se obtienen cátodos de cobre con un 99,99% de pureza.

Aleaciones de cobre

• Bronce. Aleación de cobre y estaño, constituyendo el cobre entre el 80 y el 97% de la misma. Se usó en la fabricación de armas y utensilios. Actualmente se usa en la elaboración de partes mecánicas resistentes al roce y la corrosión. Además, se emplea en la construcción de instrumentos musicales, como campanas, gongs, platillos, saxofones y cuerdas de arpas, guitarras y piano.
• Latón. Aleación de cobre y cinc. En los latones industriales el porcentaje de cinc es inferior al 50%. Se usa en la elaboración de recipientes y estructuras metálicas.
• Monel. Aleación de níquel-cobre, con una relación de 2:1 entre el níquel y el cobre. Es resistente a la corrosión y se usa en intercambiadores de calor, varillas y arcos de lentes.
• Constatán. Aleación constituida por un 55% de cobre y 45% de níquel. Se utiliza para hacer monedas y se caracteriza por tener una resistencia constante. También la aleación cuproníquel se utiliza para el revestimiento exterior de monedas de baja denominación.
• BeCu. La aleación cobre-berilio tiene un porcentaje de berilio del 2%. Combina fuerza, dureza, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión. La aleación se usa comúnmente en conectores eléctricos, productos de telecomunicaciones, componentes de computadoras y resortes pequeños. Las herramientas como llaves, destornilladores y martillos usados en las plataformas petroleras y minas de carbón, tienen las iniciales BeCu como garantía de que no producen chispas.
• Otras. Se usó la aleación plata 90% y cobre 10% en monedas hasta 1965, cuando se eliminó la plata en todas las monedas, a excepción de la moneda de medio dólar. La aleación de cobre y aluminio al 7% es dorada y se usa en decoración. El Shakudo es una aleación decorativa japonesa de cobre y oro, en bajo porcentaje (4 al 10%).

Usos del cobre

• Cableado eléctrico y motores. Debido a su elevada conducción eléctrica y bajo costo, es el metal preferido para el cableado eléctrico. El cable de cobre se utiliza en las variadas etapas de la electricidad, como generación de la energía eléctrica, transmisión, distribución, etc. El 50% del cobre producido en el mundo se utiliza en la elaboración de los cables y alambres eléctricos, debido a su alta conductividad eléctrica, facilidad para formar alambres (ductilidad), resistencia a la deformación y a la corrosión. También se utiliza para elaborar circuitos integrados y placas de circuitos impresos. El metal se emplea en los disipadores e intercambiadores de calor debido a su alta conducción térmica, la cual le facilita la disipación del calor. El cobre es usado en los electroimanes, tubos de vacío, tubos de rayos catódicos y magnetrones de los hornos de microondas. Asimismo, se utiliza en la construcción de las bobinas de los motores eléctricos y los sistemas que ponen a funcionar los motores, representando estos artículos alrededor del 40% del consumo mundial de electricidad.
• Construcción. Por su resistencia a la corrosión y a la acción del aire atmosférico, ha sido utilizado desde hace mucho tiempo en los techos de viviendas, bajantes, cúpulas, puertas, ventanas, etc. Actualmente, se usa en el revestimiento de paredes y artículos decorativos, como accesorios de baños, picaportes de puertas y lámparas. Además, se usa en productos antimicrobianos.
• Acción bioestática. El cobre impide que numerosas formas de vida crezcan sobre él. Era utilizado en láminas que se colocaban en la parte inferior de los cascos de los barcos para impedir el crecimiento de moluscos, como mejillones y percebes. Actualmente, se usan pinturas con base de cobre para proteger los cascos de los barcos. El cobre metálico puede neutralizar por contacto a numerosas bacterias. Se ha estudiado su mecanismo de acción basado en sus propiedades iónicas, corrosivas y físicas. La conclusión fue que el comportamiento oxidante del cobre, junto con las propiedades de solubilidad de sus óxidos, son los factores que provocan que el cobre metálico sea antibacteriano. El cobre metálico actúa sobre algunas cepas de E. coli, S. aureus y Clostridium difficile, virus del grupo A, adenovirus y hongos. Por lo tanto, se ha proyectado usar aleaciones de cobre que estén en contacto con las manos de los pasajeros en diferentes medios de transporte.
• Nanopartículas. La acción antimicrobiana del cobre se refuerza todavía más cuando se emplean sus nanopartículas, las cuales han demostrado ser útiles para tratamientos endodónticos. Asimismo, son excelentes adsorbentes, y debido a que son anaranjadas, un cambio de color en las mismas representa un método colorimétrico latente. Por ejemplo, para detectar pesticidas ditiocarbamatos.

Papel biológico del cobre

• En la cadena de transporte electrónico. El cobre es un elemento esencial para la vida. Interviene en la cadena de transporte electrónico, formando parte del complejo IV. En este complejo se realiza el paso final de la cadena de transporte electrónico: la reducción de la molécula de oxígeno para formar agua. El complejo IV está formado por dos grupos hemo, un citocromo a, un citocromo a₃, y dos centros de Cu, uno denominado CuA y el otro CuB. El citocromo a₃ y CuB forman un centro binuclear, donde se produce la reducción de oxígeno a agua. En esta etapa, el Cu pasa de su estado de oxidación +1 a +2, cediendo electrones a la molécula de oxígeno. La cadena de transporte electrónico utiliza el NADH y FADH₂, provenientes del ciclo de Krebs, como donadores de electrones, con los cuales crea un gradiente electroquímico de hidrógeno. Este gradiente sirve como fuente energética para la generación de ATP, en un proceso conocido como fosforilación oxidativa. Entonces, y en última instancia, la presencia de cobre es necesaria para producir ATP en las células eucariotas.
• En la enzima superóxido dismutasa. El cobre forma parte de la enzima superóxido dismutasa, enzima que cataliza la descomposición del ion superóxido (O₂^–), compuesto tóxico para los seres vivos. La superóxido dismutasa cataliza la descomposición del ion superóxido para convertirlo en oxígeno y/o peróxido de hidrógeno. La superóxido dismutasa puede utilizar la reducción del cobre para oxidar el superóxido a oxígeno, o puede provocar la oxidación del cobre para formar peróxido de hidrógeno a partir del superóxido.
• En la hemocianina. La hemocianina es una proteína presente en la sangre de algunos arácnidos, crustáceos y moluscos. Cumple una función semejante a la hemoglobina en estos animales, pero en lugar de poseer hierro en el sitio de transporte del oxígeno, posee cobre. La hemocianina presenta dos átomos de cobre en su sitio activo. Por ello, el color de la hemocianina es azul verdoso. Los centros metálicos de cobre no están en contacto directo, pero tienen una ubicación cercana. La molécula de oxígeno se intercala entre los dos átomos de cobre.
• Concentración en el cuerpo humano. El cuerpo humano contiene entre 1,4 y 2,1 mg de Cu/kg de peso corporal. El cobre es absorbido en el intestino delgado y luego llevado al hígado, unido a la albúmina. De allí, es transportado al resto del organismo unido a la proteína plasmática ceruloplasmina. El exceso de cobre es excretado a través de la bilis. En algunos casos, sin embargo, como ocurre en la enfermedad de Wilson, se acumula en el organismo, generando efectos tóxicos que afectan el sistema nervioso, los riñones y los ojos.

Referencias 

1. Ghoto, S.A., Khuhawar, M.Y., Jahangir, T.M. Applications of copper nanoparticles for colorimetric detection of dithiocarbamate pesticides. J. Nanostruct. Chem. 
2. Copper. Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Helmenstine, A.M. Copper Facts: Chemical and Physical Properties. Recuperado de thoughtco.com
4. Copper: chemical element. Recuperado de britannica.com.
5. Calcopirita. Recuperado de mineriaenlinea.com.