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Le cuivre, premier métal travaillé par l'homme

Le cuivre, à la couleur si fascinante est l'un des métaux les plus connus, et le premier avec l'or travaillé par l'homme. Quelle est son histoire ? Quelles sont ses propriétes ? découvrir l'âge de bronze, les alliages, que fait-on avec le cuivre ?

Page 2 / 13 - Les propriétés physiques du cuivre Sommaire
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Claire König Enseignante Sciences Naturelles

Pour obtenir du cuivre pur, aujourd’hui, on procède par affinage électrolytique du sulfate.

Le cuivre à l'état natif se trouve rarement dans la nature. Généralement on le trouve dans les sulfures tels que la chalcopyrite (CuFeS2), la covelline ou covellite (CuS), la chalcosine ou chalcocite (Cu2S) ou la cuprite (Cu2O).

Chalcopyrite www.fabreminerals.com - Fabre Minerals photo
Chalcopyrite www.fabreminerals.com - Fabre Minerals photo

- Symbole : Cu
- Poids atomique : 63,54
- Numéro atomique  : 29
- Rayon atomique (Van der Waals)  0,128 nm
- Structure électronique 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s1
- Isotopes : Cu 63 (69,2 %) ; Cu 65 (30,8 %)
- Densité : 8,92  (selon une autre source 8,86 à 15° C et 8,36 à 1100°C)
- Dureté 3 (Mohr)
- Température de fusion : 1084°C
- Température ébullition : 2305 à Patm.
- Résistivité : 1,7347 microohm par cm3 à 20°C
- Potentiel électrode : Cu cristallisé – 0,3472 V à 25°C
- Potentiel électrode : Cu finement divisé – 0,3452 V à 25°C
- Coefficient de dilatation : 1,7 mm/m pour 100 degrés
- Coefficient de Poisson 0,34 à 20°C
- Solubilité dans l’eau à 30°C après 6 jours : 170.10-6 g/l
- Solubilité dans l’eau à 30°C après 29 jours : 180.10-6 g/l
- Propriétés catalytiques bonnes pour adsorption de H2 ou SO2 ou CO par ex.

Avec l'or, le seul métal naturellement coloré.

- Présence moyenne dans l'ensemble de l'écorce terrestre : 55 g à la tonne .
- Présence dans les organismes vivants : 1 à 10 milligrammes par kg. 
- La raie Kα du cuivre a pour longueur d'onde moyenne 1,54182 Å.

Cuivre natif © Dan Weinrich
Cuivre natif © Dan Weinrich

Le meilleur conducteur de l'électricité après l'argent. La conductibilité électrique du cuivre a été prise comme référence par la Commission Électrotechnique Internationale en 1913 et la résistivité du cuivre, d'une valeur de 1,724 microhm. cm à l'état recuit, est l'étalon de cette mesure. La conductibilité du cuivre est, par définition, égale à 100 % IACS (International Annealed Copper Standard). Seul l'argent a des performances légèrement meilleures sur ce point (environ 106 IACS).

La solidité du fil cuivre et la fiabilité des contacts qu'il permet d'obtenir sont les raisons essentielles de l'emploi généralisé du cuivre dans toute l'industrie de la construction électrique et des composants électroniques. A titre d'exemple, 95 % des fils conducteurs d'un Airbus sont en cuivre. Si une très haute fiabilité de contact est nécessaire, comme dans un satellite, on envisage alors une dorure, une argenture ou un étamage : le cuivre s'adapte très bien à ces revêtements de surface.

Cuprite © Dan Weinrich
Cuprite © Dan Weinrich

Conductibilité thermique : le cuivre étant le métal usuel conduisant le mieux la chaleur, cette propriété est mise à profit pour chauffer ou refroidir rapidement un liquide ou un gaz : chauffe-eau ou chaudières, radiateurs, condenseurs et réchauffeurs des centrales électriques, thermiques, nucléaires (environ 200 tonnes d'alliages de cuivre pour 1000 mégawatts installés).

Résistance à la corrosion : le cuivre et ses alliages ne sont pas attaqués par l'eau ni par un grand nombre de produits chimiques : tuyaux en cuivre, récipients, conteneurs  robinetterie  toitures. En milieu marin, on l'allie à l'aluminium ou au nickel pour lui donner une bonne résistance à l'agression contre l'eau de mer. Les pompes et canalisations d'eau de mer, dont les débits atteignent parfois plusieurs m3 par seconde (plate-formes pétrolières off-shore, navires, centrales électriques de bord de mer sont et en cupro-aluminium ou cupro-nickel).  Les bronzes et laitons résistent mieux à l’eau de mer seulement si le % de cuivre est plus grand que 70. La dégradation des cuivres dans les milieux contenant de l’oxygène est souvent due aux courants électriques résultant de l’inégalité d’accès de l’oxygène aux différentes parties de la surface du métal. Dans les chaudières par exemples, la corrosion est alors due à la soude caustique qui se forme dans l’eau.

Usinabilité et traitements de surface : le cuivre n'a pas en lui-même une grande aptitude à être usiné. En revanche, certains de ses alliages, et tout particulièrement le laiton ont d'excellentes capacités d'usinabilité et notamment aux grandes vitesses. Le cuivre et ses alliages se prêtent très bien à la plupart des traitements de surface.

Malléabilité et plasticité : c’est un métal extrêmement ductile. Non allié, il n'y a pratiquement pas de limite à son travail à froid. Le cuivre et les alliages cuivreux se laminent facilement en tôles, se martèlent en feuilles très minces et s'étirent en fils extrêmement fins. Ils se prêtent particulièrement bien à la déformation à chaud.

Soudabilité : le cuivre et ses alliages se soudent bien, qu'il s'agisse de soudage autogène, de soudure électrique, de brasage ou de soudage à l'étain

Soudure
Soudure

Esthétique : l'or de bijouterie contient d'ailleurs jusqu'à 15 % de cuivre. La couleur naturelle du cuivre est rose saumon, mais il apparaît souvent rouge par suite de son oxydation superficielle ; cette couleur est recherchée en décoration de même que la couleur jaune du laiton, qui se révèle plus ou moins soutenue suivant le pourcentage de zinc contenu. Soumis aux intempéries lorsqu'il est utilisé en toiture, le cuivre prend dans un premier temps une couleur brun foncé, puis une patine vert clair très adhérente, qui le protège de toute oxydation ultérieure.

Amagnétisme : cette propriété lui vaut de nombreuses applications, en tout premier lieu dans l'horlogerie, mais aussi dans la construction électrique et électronique, et dans l'armement (dragueurs de mines).

Un nouveau comportement mécanique obtenu dans le cuivre nanocristallin
Centre d'études de chimie métallurgique du CNRS (CECM, Vitry-sur-Seine) et du Laboratoire d'ingénierie des matériaux et des hautes pressions du CNRS (LIMHP, Villetaneuse). Ce matériau présente un comportement élasto-plastique quasi-parfait, un phénomène qui n'avait encore jamais été observé. Publication dans Science du 11.04.2003.

Les grains sont très petits : 80 nanomètres. On suit la déformation en fonction de la force appliquée. Pour obtenir un tel matériau, deux techniques ont été employées: la production de poudre ultra fine par évaporation-condensation cryogénique et l'extrusion différentielle à froid. Les propriétés mécaniques obtenues sont exceptionnelles : le cuivre nanocristallin est trois fois plus résistant que le cuivre classique, il se déforme de manière homogène par un écoulement constant de la déformation jusqu'à la rupture. Les chercheurs ont ainsi observé pour la première fois un comportement élasto-plastique quasi-parfait. Ce comportement pourrait s'expliquer par un glissement des grains les uns par rapport aux autres dans un écoulement fluide. Le comportement observé ouvre des perspectives très intéressantes pour la mise en forme plastique des matériaux à température ambiante. (texte tiré du journal du CNRS)

Propriétés biologiques :  La circulaire DRT no 92-14 du 29 août 1992 précise l'interdiction de recourir à des travailleurs temporaires, notamment pour des travaux de soudure pouvant exposer à l'inhalation des poussières de métaux durs (nickel, cuivre, ...) (Circ. DRT no 92-14, 29 août 1992).

Poison dangereux, la dose mortelle est de 15 mg/kg de poids corporel, il est en général éliminé par l’organisme mais peut s’accumuler dans le foie ou les reins.

La maladie de Raynaud : Le cuivre est nécessaire à la vie : l'homme et les animaux ont besoin d'absorber quotidiennement quelques milligrammes de cuivre pour assurer la formation de l'hémoglobine du sang.  Le cuivre est largement distribué dans l'organisme, qui en contient environ 100 mg, principalement musculaire, hépatique et cérébral.

Le cuivre intervient dans diverses enzymes aux fonctions variées : minéralisation osseuse, synthèse protéique, neurotransmission, immunité, oxydation du glucose, c'est aussi un puissant anti-oxydant.

La cuprémie est habituellement comprise entre 64 et 156 µg/dl et les valeurs normales de la céruléoplasmine varient entre 180 et 400 mg/l.

Hypocuprémie. Le syndrome de Menkès, maladie récessive liée à X, carence majeure en cuivre, se traduit par une anémie avec leucopénie, des anomalies osseuses (fractures, déformations), des troubles cutanés, des cheveux blancs cassants, un retard mental sévère, des hémorragies internes, des convulsions chez l'enfant et la mort vers 3 ans.

La déficience modérée en cuivre est quant à elle fréquente, 30%, dans la population française mais est cliniquement asymptomatique. Le déficit en cuivre est un facteur de risque des maladies cardiovasculaires. Elle altère également l'immunité, provoque de l’ostéoporose...

L'apport massif de cuivre est responsable d'une intoxication aiguë avec diarrhée hémorragique, vomissements (couleur bleue des sels cuivriques) et une anémie hémolytique.

Une intoxication chronique peut résulter d'un apport en cuivre quotidien trop élevé (plus de 0,5 mg de cuivre par kilo et par jour). La cirrhose indienne est due à la cuisson dans des récipients de cuivre. Une supplémentation non contrôlée peut constituer un risque d'intoxication. La maladie de Wilson, héréditaire autosomique récessive, résulte d'un défaut d'excrétion biliaire.

II n'existe pas de maladie professionnelle dans l'industrie du cuivre. Le cuivre a des propriétés bactéricides reconnues et assainit les canalisations qui sont utilisées dans le monde entier pour l'eau, la bière, les confitures et la distillation des alcools.

Antifouling
Antifouling

Ces propriétés anti-fouling consistent à empêcher la fixation d'algues et d'organismes marins. Cette propriété, qui s'ajoute à la résistance à la corrosion, est utilisée pour toutes les applications marines.

Les sels de cuivre, comme le sulfate, ou l'oxychlorure, présentent des propriétés fongicides mises à profit pour la viticulture et l'agriculture : bouillie bordelaise par exemple, qui fait même partie des produits chimiques utilisés en agriculture biologique.

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