Il rame è ampiamente utilizzato, in particolare nel cablaggio elettrico. Anche se nel complesso solo una piccola quantità viene utilizzata nel conio, ciò significa che comunque tocchiamo del rame ogni volta che maneggiamo una moneta. Il rame forma leghe più liberamente della maggior parte dei metalli e con una vasta gamma di elementi di lega, tra cui zinco, stagno, nichel e alluminio. Questi metalli vengono aggiunti per aumentarne la resistenza e proteggerlo dai fenomeni di usura e corrosione, influenzando però anche il colore della lega.
Impieghi del rame
In Europa, il rame è utilizzato principalmente per la produzione di semilavorati che sono realizzati con il metallo raffinato, sia come rame puro, sia in lega di rame. Possono essere sotto forma di fili, barre, lamiere, fogli, nastri, laminati o tubi. Oltre la metà del rame viene venduto sotto forma di cavi, fili e tubi. Gran parte del resto è usata per leghe. Per le applicazioni più usate potete consultare il sito dello European Copper Institute.
A livello globale, la maggior parte del rame è indubbiamente utilizzato nel cablaggio elettrico, nei circuiti stampati, nei generatori, nei motori elettrici e nei trasformatori. Un’automobile media, per esempio, ha circa un miglio di cablaggi di rame, dal peso di 1 chilogrammo. Il nuovo Boeing 787 (il Dreamliner) ha circa 120 miglia di cablaggio, dal peso di 4 tonnellate.
Il rame è utilizzato nelle auto anche in vari dispositivi elettronici, come ad esempio nei sensori per monitorare e controllare temperatura e velocità. Un altro settore a cui è destinato l’uso di rame è l’edilizia civile, in cui il rame viene impiegato non solo nelle tubazioni e nei cablaggi, ma anche nei rivestimenti pittorici, donando una bella tonalità. Viene utilizzato poi nella componentistica dei frigoriferi e nei condizionatori, per la sua facilità di applicazione e le sue proprietà termiche.
Produzione annuale (Rame Primario)
| Mondo | 18.9 milioni ton.1 |
| Cile | 5.7 milioni ton.2 |
| Cina | 1.8 milioni ton.2 |
| Peru | 1.6 milioni ton.2 |
| US | 1.8 milioni ton.2 |
| Congo (Kinshasa) | 1.0 milioni ton.2 |
1 International Copper Study Group, 2015.
2 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
Produzione di rame
Circa l’80% del rame primario (grezzo) del mondo proviene da scorie in cui il rame è presente come minerale solforoso, come ad esempio la calcopirite (CuFeS2), il minerale di rame più abbondante, la bornite (Cu5FeS4) e la calcocite (Cu2S). Questi minerali contengono tipicamente solo circa lo 0,5-2% di rame. Il resto della produzione primaria proviene da minerali in cui il rame è presente sotto forma di silicati, solfati, carbonati e ossidi, che si sono formati a causa dell’azione degli agenti atmosferici e dell’ossidazione dei minerali solforati. Circa il 30% della produzione di rame proviene dal recupero di materiali secondari e rottami riciclati.I principali giacimenti di minerali si trovano in Cile, nella parte occidentale degli Stati Uniti, in Canada, Zambia, nella Repubblica Democratica del Congo e in Russia.
La produzione del rame avviene in tre fasi principali:
- concentrazione del minerale
- conversione dei solfuri e altri composti di rame in rame
- purificazione del rame
a) Concentrazione del minerale
Il minerale viene arricchito attraverso il processo di flottazione a schiuma (Figura 4). Il minerale macinato viene mescolato con olio e agitato con acqua in un grande serbatoio (noto come cella di flottazione) a cui viene aggiunto un detergente (agente schiumogeno).
Nella miscela viene poi immessa aria compressa attraverso spruzzatori , che porta in superficie le particelle più leggere di solfuro di rame, le quali rimangono in galleggiamento sulla schiuma stabile di superficie. Le argille più pesanti e altri silicati si depositano invece sul fondo del serbatoio: questo sedimento è noto come “ganga”. La schiuma carica di rame viene scremata e separata.
b) Conversione dei solfuri e di altri composti di rame in rame
La conversione viene effettuata con diversi metodi:
- arrostimento di minerali di solfuro di rame
- processo di lisciviazione
- metodo batterico
i) Arrostimento di minerali di solfuro di rame
Il minerale arricchito viene arrostito con aria sufficiente per convertire il solfuro di ferro in ossido di ferro:
La miscela solida viene poi mescolata con carbonato di calcio (calcare), silice (sabbia) e riscaldata a 1300K. Il ferro forma una scoria di silicato, mentre il solfuro di rame (I) fonde e si deposita sul fondo del forno: questo è noto come rame opaco.
In un recente sviluppo industriale, noto come il processo Isasmelt, il minerale arricchito (concentrato), il calcare e la silice vengono mescolati insieme ad un combustibile solido (carbone) e pressati in pellet. Queste sono quindi immesse in un forno in cui è presente una lancia che pompa gas naturale (metano) e petrolio, insieme ad aria arricchita di ossigeno.
È più economico usare ossigeno puro, o aria arricchita di ossigeno, piuttosto che semplice aria, perché comporta l’aumento della resa di reazione e quindi la possibilità di usare impianti chimici più piccoli, nonché la riduzione del costo del carburante. Inoltre in questo modo è più facile garantire che non siano emessi in atmosfera gas inquinanti come l’anidride solforosa. Gli impianti per la produzione di ossigeno vengono solitamente costruiti nel sito.
Questa miscela viene pompata dall’alto ad una velocità tale da provocare turbolenza, innescando velocemente la reazione. Il processo è altamente efficiente e permette di processare una grande quantità di materia prima in forni relativamente piccoli.
La metallina di rame e le scorie vengono passate in un altro forno per permetterne sedimentazione e separazione.
La metallina di rame viene poi fatta passare in un ulteriore forno in cui viene immessa aria, o aria arricchita di ossigeno, per ottenere rame metallico:
L’anidride solforosa è spesso convertita, sul posto, in acido solforico.
Questo rame impuro (circa il 99%), noto come rame blister, viene riscaldato fino a quando non fonde, dopodiché viene iniettata altra aria per rimuovere lo zolfo indesiderato. Successivamente viene immesso metano, per procedere alla rimozione dell’ossigeno. Il processo è noto come raffinazione a caldo. Il rame ancora impuro viene poi fuso in anodi per raffinazione elettrolitica o elettroraffinazione.
ii) Il processo di lisciviazione
Per estrarre il rame dal minerale con questo processo, il minerale viene attaccato con una soluzione di cloruro di rame (ll) e di ferro (lll):
Il rame estratto ha la forma di cloruro di rame (I). Per mantenere il composto in soluzione, si aggiunge cloruro di sodio. In presenza di un eccesso di ioni cloruro, si forma lo ione complesso [CuCl2]–, solubile in acqua:
Infine per elettrolisi della soluzione degli ioni [CuCl2]– per elettrolizzare la soluzione degli ioni [CuCl2]– al metallo si ottiene il rame impuro:
Il cloruro di rame(ll) viene poi riciclato.
iii) Il metodo batterico
Una quantità significativa del rame prodotto negli Stati Uniti si ottiene utilizzando i batteri. Acqua acidificata viene spruzzata su scarti minerari di rame, che ne contengono livelli minimi. Mentre l’acqua penetra nelle rocce frantumate, il batterio Thiobadllus ferrooxidans, che prospera in presenza di acido e zolfo, rompe i solfuri di ferro nella roccia e converte il ferro (ll) in ferro (lll).
Il ferro (III) ossida a sua volta lo ione solfuro contenuto nei solfuri di rame in solfato, lasciando il rame (II) in soluzione. Questa acqua carica di rame viene recuperata sul fondo della pila, e il rame metallico si ottiene per riduzione con rottami di ferro:
c) Purificazione del rame
Qualunque sia il metodo utilizzato per produrre il rame dal suo minerale, la sua purificazione finale avviene per elettrolisi (Figura 6).
Lastre di rame impuro (blister di rame), insieme a sottili fogli di rame metallico puro o acciaio inossidabile o titanio sono immersi in una soluzione di solfato di rame (ll) (0,3 mol dm-3) e acido solforico (2 mol dm-3). Le lastre di rame puro o acciaio puro fanno da catodo (Figura 7) di una cella di elettrolisi, e le lastre impure sono l’anodo. Ciò significa che gli ioni di rame si formano all’anodo (si verifica l’ossidazione) e si spostano in soluzione:
Gli ioni migrano verso il catodo e vengono ridotti a rame puro e depositati sul catodo. Di tanto in tanto, il rame puro viene raschiato via dal catodo.
Molte impurità dell’anodo di rame, come oro, argento, platino e stagno, sono insolubili nella soluzione elettrolitica e quindi non si depositano sui catodi. Al contrario, si depositano sotto forma di “slime anodico” sul fondo del serbatoio, che viene periodicamente rimosso e inviato a raffinatori specializzati.
Altri metalli, ad esempio ferro e nichel, sono solubili, quindi l’elettrolito deve essere continuamente purificato per evitare un eccessivo deposito di questi elementi sul catodo. In questo modo si ottiene del rame con una purezza di almeno il 99,99%.
Il rame ottenuto sarà forgiato in varie forme (come lamiere, fili, barre, tubi, ecc.) per ulteriori utilizzi di produzione industriale.
Produzione secondaria
Il rame e le leghe ad alto contenuto di rame vengono riciclati per ottenere rame puro. I metalli vengono riscaldati con aria arricchita di ossigeno, che ossida la maggior parte dei metalli, ma non il rame o i metalli preziosi, formando una scoria che può essere rimossa. Il processo Isasmelt descritto sopra è spesso utilizzato per la produzione di rame secondario.
Il rame rimanente, ora puro al 99% circa, viene fuso in anodi e purificato ulteriormente con il metodo elettrolitico descritto sopra. A livello globale, si stima che circa il 33% dei nuovi prodotti in rame siano realizzati con rame riciclato, con alcuni paesi che hanno tassi di riciclaggio significativamente più elevati, ad esempio in Nord America (31%) e nei paesi dell’Europa occidentale (47%). Circa la metà di questo proviene da rottami forniti da mulini e fonderie che producono articoli in rame che vengono poi semplicemente rifusi e fusi. L’altra metà proviene da “rottami vecchi”, ad esempio da cavi elettrici e impianti idraulici.
Dati gentilmente forniti da: The World Copper Factbook, 2015; International Copper Study Group
Leghe di rame
Molte leghe comunemente usate contengono il rame come metallo predominante, con quantità variabili di altri elementi (Tabella 1).
| Ottone | zinco | Viti, cavi, componenti idrauliche, connettori elettrici, strumenti musicali, accessori per porte e ornamenti vari |
| Bronzo | stagno | statue, cuscinetti, connettori elettrici, molle, clip |
| Fosforo Bronzo | stagno, fosforo | Cuscinetti di precisione, molle, cembali e corde per strumenti |
| Bronzo all’alluminio | stagno alluminio (ferro, nichelio, silicone) | attrezzi, componenti di motori per aerei e automobili ad alta temperatura |
| Cupronichel | Nichelio (ferro, manganese) | monete, componenti esterni per nautica |
| Argento Nichel | nichelio, zinco | posate, chiavi, cerniere, monete, strumenti a fiato e ottoni, plettri per banjo |
Le monete della valuta dell’euro usano il rame in quattro modi diversi. Quelle da €1 a €5 sono in acciaio rivestito in rame. Quelle da € 10 a 50 sono di oro nordico (89% di rame con alluminio, zinco e stagno). Le monete da €1 e 2 contengono due leghe: la parte interna di color oro è fatta al 75% con zinco e nichel, la parte esterna di colo argento è una lega di rame al 75% e di nichel al 25%.
La ricerca ha dimostrato che I batteri non possono sopravvivere a lungo su una superficie di rame e uno dei vantaggi dell’impiego di leghe di rame per strumenti musicali a fiato o ottoni è giustificato dal fatto che sono meno soggetti alla proliferazione di muffe e batteri, nonostante la regolare esposizione a respiri umidi, caldi e carichi di batteri. Questo effetto è evidente se la percentuale di rame nella lega è sopra il 65% e si basa sulla capacità degli ioni di rame di interrompere il trasporto degli elettroni nei sistemi di respirazione delle cellule batteriche. Il rame inoltre può anche legarsi ai gruppi di fosfati nel DNA delle cellule, causando il disfacimento della doppia elica.
Ultimo aggiornamento 2 Ottobre 2016
Edizione italiana a cura di Francesca Caprioli e Valter Ballantini 14 novembre 2020
Foto in alto di Daryan Shamkhali su Unsplash