Continuiamo a rivedere alcuni dei materiali più importanti nel trattamento termico e nella metallurgia.
Il rame (simbolo chimico: Cu)
Il rame è un metallo morbido, malleabile e duttile con una conducibilità termica ed elettrica molto alta. Il rame puro ha un colore rosso-arancione (Fig. 1) e diventa verde-blu brillante quando viene ossidato (Fig. 2).
Il rame è uno degli elementi più importanti nella storia della metallurgia. È stato il primo metallo ad essere usato dall’uomo. Il rame fu fuso dal minerale circa 5000 a.C., fuso in forme intorno al 4000 a.C. e fu il primo metallo ad essere legato con lo stagno per creare il bronzo nel 3500 a.C., segnando l’inizio dell’età del bronzo.
Gli egiziani lo usavano per fare strumenti agricoli come zappe e falci, così come pentole, piatti e strumenti da artigiano come seghe, scalpelli e coltelli. Gli egiziani facevano anche specchi e rasoi di rame e producevano trucchi verdi e blu dalla malachite e dall’azzurrite, due composti di rame con colori verdi e blu brillanti.
I romani lo usavano ampiamente per le monete e l’ornamento architettonico. Ad un certo punto, i Romani producevano quasi 17.000 tonnellate di rame all’anno, più di quanto sarebbe stato prodotto di nuovo fino alla rivoluzione industriale in Europa.
Nella metallurgia moderna, il rame come agente legante migliora la resistenza alla corrosione a certi acidi e promuove una microstruttura austenitica. Può anche essere aggiunto per diminuire l’incrudimento nell’acciaio inossidabile per migliorare la lavorabilità e la formabilità. L’alta conducibilità elettrica e termica del rame deriva dalla sua struttura atomica. All’interno del reticolo atomico di rame, una nuvola di elettroni liberi è disponibile per il trasferimento della corrente elettrica. Questa stessa nuvola di elettroni migliora anche il trasferimento efficiente dell’energia termica. L’atomo di rame è abbastanza simile a un atomo d’oro o d’argento, che insieme al rame formano un gruppo nella tavola periodica degli elementi.
Il rame è essenziale per tutti gli organismi viventi come elemento traccia. Negli esseri umani, il rame si trova principalmente nel fegato, nei muscoli e nelle ossa, e il corpo adulto contiene tra 1,4 e 2,1 mg di rame per chilogrammo di peso corporeo. Un uomo sano che pesa 60 kg contiene circa 0,1 g di rame. Nei molluschi e nei crostacei, il rame è un costituente del pigmento del sangue emocianina, sostituito dall’emoglobina composta da ferro nei pesci e in altri vertebrati. Tuttavia, questa piccola quantità è essenziale per il benessere generale dell’uomo.
La casa media contiene 400 libbre di rame che è usato per il cablaggio elettrico, i tubi e gli elettrodomestici. L’auto media ha 50 libbre di rame, e la Statua della Libertà (Fig. 3) contiene oltre 89 tonnellate di rame. La U.S. Geological Survey (USGS) stima che ogni americano nato nel 2008 userà 1.309 libbre di rame durante la sua vita per necessità, stili di vita e salute.
Ecco alcuni fatti importanti sul rame.
- Numero atomico: 29
- Punto di fusione: 1084,62°C
- Punto di ebollizione: 2562°C
- Densità vicino a RT: 8,96 g/cm3
- Caldo di fusione: 13,26 kJ/mole
- Caldo di vaporizzazione: 300,4 kJ/mole
- Capacità termica molecolare: 24,440 J/mole-K
- Espansione termica a RT: 16.5 µm/(m-K)
- Conducibilità termica: 401 W/(m-K)
- Resistenza elettrica a RT: 16,78 nΩ-m
- Modulo di Young: 110-128 GPa
- Modulo di taglio: 48 GPa