Cuivre

Le cuivre est l’élément chimique de numéro atomique 29, de symbole Cu et le corps simple cuivre est un métal.

    

Généralités et corps simple

Le cuivre est de la même famille que l’argent et l’or, les trois métaux de ce « groupe du cuivre » ont un caractère de noblesse et de rareté accru, du cuivre semi-noble à l’or véritablement noble, le premier caractère s’expliquant par leurs rayons atomiques faibles et leurs compacités d’empilement atomique, leurs potentiels d’ionisation plus importants, leurs points de fusion relativement élevés et leurs faibles réactivités ou relatives inerties chimiques.

Naturellement présent dans la croûte terrestre, le cuivre à faible dose est essentiel au développement de toute forme de vie, il est majoritairement utilisé par l’homme sous forme de métal, est un des seuls métaux colorés avec l’or et l’osmium, présente sur ses surfaces fraîches une teinte ou un éclat métallique rose saumon, ce « métal rouge » apprécié en orfèvrerie et en bijouterie, par exemple comme support de pièces émaillés ou émaux rares, était dédié à la déesse de la beauté Aphrodite et aux artistes que l’on le désigne parfois sous le nom de cuivre rouge par opposition aux laitons improprement nommés « cuivre jaune », possède des conductivités électrique et thermique particulièrement élevées qui lui confèrent des usages variés, intervient également comme matériau de construction et entre dans la composition de nombreux alliages, les cupro-alliages.

Le cuivre, aujourd’hui métal usuel, est le plus ancien métal utilisé par l’homme, le point de fusion n’étant pas trop élevé, la facilité de réduction de l’oxyde de cuivre, souvent par un simple feu de bois, est remarquable et les plus anciennes traces de fusion du cuivre dans des fours à vent ont été découvertes sur le plateau iranien, sur le site archéologique de Sialk III, daté de la première moitié du V éme millénaire av. J.-C et il y a 6000 ans, l’extraction de minerai pour en tirer du cuivre est commune en quelques endroits de l’Eurasie et de l’Afrique, à l’instar de la malachite du Sinai pour l’Égypte antique dont les mines sont exploitées vers -4500 av. J.-C..

L’histoire méditerranéenne antique du cuivre est intimement liée à l’île de Chypre, c’est en effet sur cette île que furent exploitées les mines de cuivre et cuivre natif, qui permirent à des civilisations humaines méconnues de prospérer, bien avant les civilisations minoenne, mycénienne et phénicienne et ces diverses civilisations issues de Méditerranée orientale organisèrent le commerce antique du métal rouge en Méditerranée, si bien que les romains l’appelèrent d’une manière générique le cuivre et divers alliages désignant l’île.

Allié principalement à l’étain et parfois à d’autres métaux, il donne lieu à une révolution technologique, « l’âge du bronze », aux alentours de 2 300 ans avant notre ère, es bronzes sont plus durs, plus aisément fusibles et aptes à être coulés dans un moule, plus résistants à la corrosion atmosphérique que le cuivre natif ou purifié, la fabrication d’ustensiles et d’armes, d’objets d’art et de statues massives, de cloches ou clochettes, de timbres ou cymbales, de chandeliers ou de grands vases éventuellement sacrés ou d’offrandes, de médailles et de monnaie peut se développer et la maîtrise de cette matière métallique alliée est telle qu’elle permet l’érection du colosse de Rhodes, une statue-phare de Helios-Apollon de 32 m de haut au IIIéme siècle av. J.-C..

Occurrences dans les milieux naturels, minéralogie et géologie, gîtes et gisements

Le cuivre est un élément parfois abondant en certains sites miniers et s’élève à 55 à 70 g par tonne, est un des rares métaux qui existent à l’état natif sous des cristaux de maille cubique, bien formés sont rares mais souvent des fils dentritiques, des assemblages de feuilles ou des recouvrements d’imprégnation plus ou moins massifs peuvent être communs dans les rares sites, où il peut être observé, les hommes du Néolithique avait accès à ce matériau facile à mettre en forme, en le martelant légèrement, le cuivre natif figure parmi le premier métal utilisé par les hommes.

L’élément cuivre, du fait de son caractère chalcophile, apparaît le plus fréquemment sous forme de sulfure ou de sulfo-sel et on le trouvait en quantités importantes sur l’île de Chypre surnommée l’île aux mille mines et les minéraux contenant l’élément cuivre ont souvent un bel aspect coloré, à l’instar de la pierre d’Eilat.

Répartition minérale avec esquisse de gîtologie

Les gisements de cuivre natif attestent le plus souvent d’un hydrothermalisme très actif et à des roches magmatiques basiques que l’on trouve sous forme minérale polycristalline, les plus grands monocristaux mesurant 4,4 × 3,2 × 3,2 cm.

On trouve le cuivre natif :

  • dans des zones poreuses des basaltes 
  • dans des grès et des schistes où le cuivre était probablement d’origine hydrothermale 
  • en petites quantités dans les météorites.

Quelques gisements remarquables pour le cuivre natif sont :

  • Bolivie : Coro-Coro, Province de Pacajes, Département de La Paz 
  • Canada : Mine Normandie, Saint-Joseph-de-Coleraine, Les Appalaches RCM, Chaudière-Appalaches, Québec
  • États-Unis : Presqu’île de Keenawa, et Lac –Supérieur, Comté de Keweenaw, Michigan;
  • France 
  • Pologne : Bassin de Lubin ( Basse-Silésie ).

Les cuivres gris sont des sulfures complexes où le cuivre accompagne l’arsenic et/ou l’antimoine…ainsi la tennantite, la tétraédrite, la freibergite.

Durant l’Antiquité et parfois localement jusqu’au Moyen Âge, les gisements de cuivres gris ont été exploités.

L’essentiel du minerai de cuivre est extrait sous forme de sulfures ou de roches à base de chalcopyrite, dans de grandes mines à ciel ouvert, en surface, les minerais qui comporte de grandes quantités de stériles sont plus oxygénés mais restent soufrés en couches profondes et, dans les années 1990, un minerai exploitable devait ne jamais descendre en dessous de 0,5 % en masse, et assurer une teneur de l’ordre de 1 % et plus, les mines de Kennecott ( Alaska ), exploitées jusqu’aux années 1940, étaient les plus pures de la planète.

Corps simple, chimie et combinaisons chimiques

Métal de couleur rougeâtre, rouge ou rouge orangée, le cuivre possède une exceptionnelle conductivité thermique et électrique, le métal très pur est résistant à la corrosion atmosphérique et marine mais aussi très malléable, tenace et ductile, relativement mou.

Le cuivre figure parmi les métaux les plus ductiles et les plus malléables, relativement mou, le métal peut aisément être étiré, laminé et tréfilé et frotté, ses surfaces dégagent une odeur particulière et désagréable, effet indirect de la densité d’électrons libres au sein du réseau cristallin métallique, peut s’altérer superficiellement après une longue exposition à l’air en une fine couche de carbonates de cuivre basique d’un beau vert ou vert-de-gris, qui forme la « patine » de certains toits recouverts de cuivre et cette couche peut parfois comporter de la malachite et de l’azurite.

Comme l’argent et l’or, le cuivre se travaille facilement, étant ductile et malléable, la facilité avec laquelle on peut lui donner la forme de fils, ainsi que son excellente conductivité électrique le rendent très utile en électricité et on trouve usuellement le cuivre, comme la plupart des métaux à usage industriel ou commercial, sous une forme polycristalline à grains fins, les métaux polycristallins présentent une meilleure solidité que ceux sous forme monocristalline, et plus les grains sont petits, plus cette différence est importante.

La résistance à la traction est faible, l’allongement avant la rupture est important et après le fer, le cuivre est le métal usuel le plus tenace, ses propriétés mécaniques confirment les techniques anciennes de mise en forme de ce métal, à froid communes et à chaud plus rares, sa malléabilité explique en partie la fabrication de vase ou forme par martelage au repoussé.

La densité pratique du cuivre fondu est de l’ordre de 8,8 à 8,9, augmente sensiblement avec le laminage jusqu’à 8,95 et l’écrouissage permet de rendre le cuivre à la fois dur et élastique.

Le cuivre présente une couleur rougeâtre, orangée ou brune due à une couche mince en surface, le cuivre pur est de couleur rose saumon et le cuivre, l’osmium, le césium et l’or sont les quatre seuls métaux purs présentant une couleur autre que le gris ou l’argent, la couleur du cuivre résulte de sa structure électronique.

Le cuivre n’est pas altéré dans l’air sec, ni dans l’oxygène gazeux, seules des traces d’eau et surtout la présence indispensable de dioxyde de carbone ou anhydride carbonique initie une réaction, ne réagit pas avec l’eau mais réagit lentement avec le dioxygène de l’air en formant une couche d’oxyde de cuivre brun-noir, de nature passivante et contrairement à l’oxydation du fer par une atmosphère humide, cette couche d’oxyde empêche toute corrosion en masse.

              

Utilisations et applications du corps simple, des alliages et des composés

Environ 98 % de l’élément cuivre est utilisé sous forme du corps simple métallique ou de ses alliages, profitant de ses propriétés physiques spécifiques – malléabilité et ductilité, bonne conductivité thermique et électrique et du fait qu’il est résistant à la corrosion, s’avère souvent trop mou pour certaines applications, aussi est-il intégré à de nombreux alliages dont on compte parmi ceux-ci le laiton, alliage de cuivre et de zinc ou le bronze, alliage de cuivre et d’étain mais on peut usiner le cuivre, bien qu’il soit souvent nécessaire de faire appel à un alliage pour les pièces de forme complexe, comme les pièces filetées, afin de conserver des caractéristiques d’usinabilité satisfaisantes, sa bonne conductivité thermique permet de l’utiliser pour les radiateurs et les échangeurs de chaleur, comme autrefois les chaudières et les alambics.

    

Les propriétés du cuivre ( haute conductivité électrique et thermique, résistance à la corrosion, recyclabilité ) font de ce métal une ressource naturelle très utilisée, permet de confectionner du matériel de conduction électrique ( barre, câbles, fils électriques fils téléphoniques, gaines hertziennes ), des plaques et tôles de cuivre pour couverture, des ustensiles de cuisine, des objets décoratifs, des plaques pour galvanoplastie et clichage sur cuivre et sert ainsi dans le secteur de l’électricité, l’électronique, les télécommunications , dans la construction , dans l’architecture, les transports, les machines-outils, des produits d’équipement et de consommation mais aussi des pièces de monnaie comme l’euro et fréquemment en galvanoplastie, en général comme substrat pour le dépôt d’autres métaux, comme le nickel.

Dans certaines applications thermiques, pour des raisons économiques, il est parfois remplacé par des matériaux moins performants en termes de rendement, le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où l’on souhaite une grande conductivité thermique, car le cuivre pur est très ductile, est montré que les conductivités thermique et électrique du cuivre sont très fortement liées, cela résulte du mode de transmission de la chaleur et de l’électricité dans les métaux.

Le cuivre présente une bonne résistance à la corrosion, cependant inférieure à celle de l’or, a d’excellentes propriétés en soudage et brasage et peut également être soudé à l’arc, bien que les résultats obtenus soient meilleurs avec la technique de soudage à l’arc sous gaz neutre, avec apport de métal.

Les alliages de cuivre sont très largement utilisés dans de nombreux domaines et les plus célèbres sont certainement le laiton ( cuivre-zinc ) et le bronze ( cuivre-étain ) qui ont été élaborés bien avant qu’on ne fasse les premières coulées de cuivre pur et, environ 2 % de la production de cuivre sert à la production de composés chimiques et les applications principales sont les compléments alimentaires et les fongicides pour l’agriculture.

Toxicologie et rôle d’oligo-élément en biologie

Le cuivre et surtout ses sels solubles sont reconnus toxiques et vénéneux à doses conséquentes ou fortes, à très faible dose, il s’agit d’un oligo-élément bien connu et le corps humain contient environ 150 mg de cuivre sous diverses formes, les besoins quotidiens sont de l’ordre de 2 mg pour une personne de 75 kg et est vital pour toutes les plantes supérieures et les animaux, est naturellement présent dans le corps humain et indispensable au bon fonctionnement de nombreuses fonctions physiologiques : système nerveux et cardiovasculaire, absorption du fer, croissance osseuse, bonne marche des fonctions immunitaires et régulation du cholestérol.

Il ne faut pas conserver des aliments dans des vases ou récipients en cuivre, la sagesse antique réservait ce métal à surface propre aux opérations de chauffage ou de transferts thermiques avec parfois des effets catalytiques recherchés, car les opérateurs connaissaient la dangerosité des sels solubles et vénéneux et une solution technique possible a été l’étamage, c’est-à-dire l’application d’une fine couche d’étain à chaud, par exemple à certains ustensiles de cuisine mais dans ce cas, les surfaces protégées perdent leurs propriétés catalytiques.

Du fait de ses propriétés algicides, bactéricides et antifongiques, le cuivre est également utilisé comme pesticide pour l’agriculture, conformément à la Directive européenne 2092/9156, il peut être utilisé en agriculture biologique sous forme d’hydroxyde de cuivre, d’oxychlorure de cuivre, de sulfate de cuivre et d’oxyde de cuivre, utilisé en viticulture biologique sous forme de bouillie bordelaise pour lutter contre le mildiou mais doit être raisonnée : un épandage trop intensif peut entraîner une accumulation de cuivre dans le sol et – à long terme – en détériorer la qualité car des effets toxiques ont été observé chez le mouton pâturant près de vignes, l’un des plus sensibles au cuivre.

Pour l’homme, le cuivre ingéré à très haute dose, en particulier sous ses formes oxydées ou sous des formes souvent chroniques de poussières de composés de cuivre peut se révéler nocif, l’empoisonnement aigu est rare, car l’ingestion de grande quantité provoque des réactions violentes de l’organisme, notamment des vomissements, les anciens chimistes de laboratoire, qui pouvaient être confrontés à quelques accidents, proposaient des contre-poisons peu ou prou efficaces, comme l’ingestion régulée d’albumine ( blanc d’œuf délayé dans l’eau ), de la limaille de zinc ou de la poudre de fer réduite par de l’hydrogène comme réducteur, car le cuivre métallique n’était pas considéré comme vénéneux.

La contamination à la poussière de cuivre et à ses composés peut provoquer un état de malaise fiévreux proche d’une maladie virale ou petite grippe, autrefois dénommée la « fièvre du fondeur », avec le repos, le malaise disparaît en deux jours, l’exposition quotidienne au cuivre, à long terme peut provoquer une irritation des zones affectées pour les particules ou poussières, les muqueuses, les fosses nasales et la bouche, sans oublier les yeux, entraîne maux de tête, maux d’estomac, vertiges, ainsi que vomissements et diarrhées et les prises volontaires de fortes doses de cuivre peuvent provoquer des dommages irréversibles aux reins et au foie et conduire à la mort.

C’est un oligo-élément indispensable à la spermatogenèse mais il peut, comme d’autres métaux, avoir un effet inhibiteur sur la motilité des spermatozoides, c’est ce que révèle une étude menée dans les années 1970 sur les métaux suivants : cuivre, laiton, nickel, palladium, platine, argent, or, zinc et cadmium.

Production et économie

Le cuivre est le troisième métal le plus utilisé au monde après le fer et l’aluminium et ils’agit du second des métaux non ferreux en importance, loin devant le zinc, le plomb, le nickel ou l’étain.

En 2008, la production minière de cuivre a dépassé les 15 millions de tonnes ( contre 500 000 tonnes en 1900 et 11 millions de tonnes en 1990 ) et la forte corrélation du cuivre à la conjoncture industrielle fait de l’étude du marché du cuivre un excellent indicateur avancé de l’état de l’économie.

Les principaux pays producteurs sont le Chili, avec quatre des cinq plus importantes mines du cuivre du monde, la Chine, les États-Unis, le Pérou, l’Australie, la Russie, l’Indonésie, le Canada, RD Congo, la Zambie et la Pologne,le Zaïre, L’Espagne, l’ex-Yougoslavie et quelques pays de l’ex-URSS étaient encore de grands producteurs en 1990 et le Chili, qui exporte le tiers de sa production, est le premier pays exportateur de cuivre, suivi par le Pérou et l’Australie et les plus gros importateurs sont la Chine (28 %), le Japon (23 %), l’Inde (10 %) et la Corée du Sud (8 %).

Dans le monde moderne, le recyclage est une des principales sources de cuivre, de ce fait, ainsi que du fait d’autres facteurs, l’avenir de la production et de la fourniture en cuivre est l’objet de nombreux débats, incluant le concept de pic du cuivre, analogue à celui de pic pétrolier et le cuivre, du fait de sa stabilité chimique, se prête particulièrement bien au recyclage, car contrairement à de nombreuses autres matières premières, il est recyclable à l’infini, sans altération ni perte de performances, le processus de recyclage permet une économie d’énergie jusqu’à 85 % par rapport à la production de cuivre via ses déchets, d’autre part, le recyclage émet moins de gaz à effet de serre et le recyclage provient de deux sources :

  • la revalorisation du « cuivre secondaire » issu des produits arrivés au terme de leur cycle de vie, qui sont récupérés, triés et dont le cuivre peut être refondu ;
  • la réintroduction directe des chutes d’usine dans le processus productif ( également appelée « refonte des chutes neuves » ).

Parmi les applications contenant les plus fortes proportions de cuivre et présentant le potentiel de recyclage le plus élevé, on peut citer les câbles, les canalisations, valves et raccords, les toitures et bardages cuivre, les moteurs industriels, l’équipement ménager, ainsi que l’équipement informatique et électronique.

     

Histoire

Néolithique

Le cuivre est, avec l’or, le premier métal à avoir été utilisé par l’Homme, dès le Ve millénaire av. J.-C., parce qu’il fait partie des rares métaux qui se trouvent naturellement en tant que minéral pur, sous une forme native, est probable que l’or et le fer météorique étaient les seuls métaux utilisés par l’homme avant la découverte du cuivre et est a ce titre très étudié en archéométallurgie.

    

La métallurgie du cuivre semble s’être développée indépendamment dans plusieurs parties du monde, en plus de son développement dans les Balkans vers 5 500 av. J.-C., elle s’était développée en Chine avant 2 800 av. J.-C., dans la Andes autour de 2 000 av. J.-C., en Amérique centrale vers l’an 600 et en Afrique occidentale vers l’an 900 avant notre ère et on le trouve de manière systématique dans la civilisation de la vallée de l’Indus pendant le IIIéme millénaire avant notre ère.

Âge du cuivre

Les environs lointains de l’île de Chypre attestent avant cette période d’un commerce important du cuivre extrait de l’île et en Europe occidentale, on situe l’âge du cuivre ou Chalcolithique, entre 3 200 et 2 000 environ av. J.-C.116, suivant les régions ( Italie, Suisse, Alpes, Cévennes, Espagne et Portugal ), cette période technologique est bien plus ancienne à l’est de la Méditerranée et des objets en cuivre datant de 8 700 av. J.-C. ont été retrouvés au Moyen-Orient, c’est le cas d’un pendentif en cuivre retrouvé au nord de l’actuel Irak.

La période de transition, dans certaines régions, entre la période précédente ( Néolithique ) et l’âge du bronze a été nommée « chalcolithique » ( « pierre-cuivre » ), certains outils en cuivre très pur étant utilisés en même temps que les outils de pierre.

Âge du bronze

Le fait d’allier artificiellement du cuivre avec de l’étain ou du zinc, d’abord par traitement de leurs minerais intimement associés, puis par traitement de mélange raffiné de minerais choisis, puis par fusion de métaux déjà préalablement obtenus et pesés, pour obtenir, selon notre conception moderne, du bronze ou du laiton se pratique 2 300 ans après la découverte du cuivre lui-même, ce qui a amené précocement les peuples de l’Europe centrale à un art maîtrisé du martelage de grande feuille de bronze.

Les artefacts de cuivre et de bronze provenant des cités sumériennes datent de 3 000 av. J.-C., et les objets égyptiens en cuivre et en alliage cuivre-étain sont à peu près aussi anciens, l’utilisation du bronze s’est tellement propagée en Europe autour de 2 500 à 600 av. J.-C. que cette période a été nommée âge du bronze, les lingots de bronze servent vraisemblablement d’unités monétaires dans le monde méditerranéen, comme le minerai de cuivre, sans être abondant, mais parfois concentré en certains sites, n’est pas rare, le contrôle des ressources d’étain, nettement plus rares et aux lieux d’exploitation restrictifs, est devenu crucial d’où la recherche par les marchands et marins-négociateurs des terres ou îles légendaires qualifiées de Cassitérides.

Antiquité et Moyen Âge

En Grèce, le nom donné à ce métal était chalkos, selon Pline l’Ancien d’après Théophraste, couler le cuivre et le tremper sont des inventions d’un Phrygien nommé Délas, le cuivre constituait, pour les Romains, les Grecs et d’autres peuples de l’Antiquité une ressource importante.

Une statue en bronze d’un temple de Nara au Japon, représentant un grand bouddha, représenterait une fabrication par coulée, en 749, de presque 16 mètres de haut et impliquant de 400 tonnes de matière.

En 922, les mines cuprifères de Saxe, en particulier le secteur de Frankenberg, font la prospérité de la lignée d’Henri, souverain saxon du royaume de Francie orientale et la fabrication par cémentation connue dès l’Antiquité s’est maintenue au Moyen Âge.

Époque moderne

La grande montagne de cuivre de Falun était une mine située en Suède, qui a fonctionné pendant un millénaire, produisait environ les deux tiers des besoins européens et permit, à cette époque, de financer une partie des guerres menées par la Suède et le cuivre était considéré comme trésor national.

Tout au long de l’histoire, l’utilisation du cuivre dans le domaine de l’art s’étendit bien au-delà de la monnaie, a été utilisé par les sculpteurs de la Renaissance, dans la technique pré-photographique connue sous le nom de daguerréotype, et pour la statue de la Liberté, le placage et le doublage en cuivre des coques de navires étaient largement répandus, les navires de Christophe Colomb furent parmi les premiers à bénéficier de cette protection, la Norddeutsche Affinerie de Hambourg fut la première usine galvanoplastique, dont la production a commencé en 1876 et, par ailleurs, on découvrit également que le type et la quantité de métal d’alliage affectait la sonorité des cloches, ce qui a entraîné la fonderie de cloches.

Époque contemporaine

Dans le monde sociologique et économique, le cuivre s’est avéré un élément crucial, du fait essentiellement des conflits impliquant des mines de cuivre, la grève de Cananea de 1906 à Mexico porta sur les problèmes d’une organisation mondiale, la mine de cuivre de Teniente ( 1904–1951 ) mit en lumière les problèmes politiques liés au capitalisme et à la structure de classes, la plus grosse mine de cuivre du Japon, la mine d’Ashio, fut le théâtre d’une émeute en 1907 et la grève des mineurs de l’Arizona en 1938 fut déclenchée par les problèmes liés au travail des américains, notamment le droit de grève.

L’industriel Eugène Secrétan est un acteur-inventeur et témoin de l’évolution des techniques industriels du cuivre et le terme français pour désigner une fabrique de cuivre et d’alliages communs de cuivre, tels le maillechort, est « cuivrerie »

Au XXIe siècle

Au XXIe siècle, le cuivre est utilisé dans différentes industries, entre autres pour le câble électrique, les tuyaux de plomberie et les supraconducteurs.

Symbolique alchimique

Traditionnellement, le cuivre est associé à la planète Vénus, les alchimistes utilisaient le symbole ♀ pour le représenter, et c’est donc un métal associé à la féminité, la jeunesse et l’amour, des miroirs anciens, symbole de narcissisme, étaient faits de cuivre.