EL COBRE
Estado
Natural
El cobre ocupa el lugar 25 en abundancia entre los elementos
de la corteza terrestre, frecuentemente se encuentra agregado con otros metales
como el oro, plata, bismuto y plomo,
apareciendo en pequeñas partículas en rocas, aunque se han hallado masas
compactas de hasta 420 toneladas. El cobre se encuentra por todo el mundo en la
lava basáltica, localizándose
el mayor depósito conocido en la cordillera de los Andes en Chile, bajo la
forma de pórfido. Este país
posee aproximadamente el 25% de las reservas mundiales conocidas de cobre y a
comienzos de 1980 se convirtió en el primer país productor de este metal. Los
principales yacimientos se localizan en Chuquicamata, Andina, El Salvador y El
Teniente.
Las principales fuentes del cobre son la calcopirita y la bornita,
sulfuros mixtos de hierro y cobre. Otras menas importantes son los sulfuros de
cobre calcosina y covellina;
la primera se encuentra en Chile, México, Estados Unidos y la antigua URSS, y
la segunda, en Estados Unidos.
APLICACIONES
El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones
a causa de sus ventajosas propiedades, como son su elevada conductividad del
calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y
ductilidad, además de su belleza. Debido a su extraordinaria conductividad,
sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria
eléctrica. Su ductilidad permite transformarlo en cables de cualquier
diámetro, a partir de 0,025 mm. La resistencia a la tracción del alambre de
cobre estirado es de unos 4.200 kg/cm2. Puede usarse tanto en cables
y líneas de alta tensión exteriores como en el cableado eléctrico en
interiores, cables de lámparas y maquinaria eléctrica en general: generadores,
motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos y
sistemas de comunicaciones.
A lo largo de la historia, el cobre se ha
utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles de cocina, tinajas y
objetos ornamentales. En un tiempo era frecuente reforzar con cobre la quilla
de los barcos de madera para proteger el casco ante posibles colisiones. El
cobre se puede galvanizar fácilmente como tal o como base para otros metales.
Con este fin se emplean grandes cantidades en la producción de electrotipos
(reproducción de caracteres de impresión).
PRODUCCIÓN
El cobre metálico y las menas de cobre, como la calcopirita y la bornita, que se
encuentran en depósitos cerca de la superficie terrestre, se explotan a cielo
abierto. Después es necesario refinarlo para separar el cobre de impurezas como
sulfuros, carbonatos, hierro y silicatos.
PROPIEDADES
Y CARACTERÍSTICAS DEL COBRE
El cobre posee varias propiedades físicas que
propician su uso industrial en múltiples aplicaciones, siendo el tercer metal,
después del hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. Es de color
rojizo y de brillo metálico y, después de la plata,
es el elemento con mayor conductividad eléctrica y térmica. Es un material
abundante en la naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas
y es resistente a la corrosión y oxidación.
PROPIEDADES
MECÁNICAS
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una
buena maquinabilidad,
es decir, son fáciles de mecanizar. El
cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir láminas e
hilos muy delgados y finos. Es un metal blando y su resistencia a la tracción es de 210 MPa,
con un límite elástico
de 33,3 MPa. Admite procesos de fabricación
de deformación como laminación o forja,
y procesos de soldadura y sus aleaciones adquieren propiedades
diferentes con tratamientos térmicos
como temple
y recocido. En general, sus propiedades mejoran con
bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas.
CARACTERÍSTICAS
QUÍMICAS
En la mayoría de sus compuestos, el cobre
presenta estados de oxidación
bajos, siendo el más común el +2, aunque también hay algunos con estado de
oxidación +1.
Expuesto al aire, el color rojo salmón, inicial
se torna rojo violeta por la formación de óxido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse
posteriormente por la formación de óxido cúprico
(CuO). La coloración azul del Cu+2 se debe a la formación del ion
[Cu (OH2)6]+2.
Expuesto largo tiempo al aire húmedo, forma una
capa adherente e impermeable de carbonato básico (carbonato cúprico)
de color verde y venenoso. También pueden formarse pátinas de cardenillo, una mezcla venenosa de acetatos de
cobre de color verdoso o azulado que se forma cuando los óxidos de cobre
reaccionan con ácido acético,
que es el responsable del sabor del vinagre y se produce en procesos de fermentación acética.
Al emplear utensilios de cobre para la cocción de alimentos, deben tomarse
precauciones para evitar intoxicaciones por cardenillo que, a pesar de su mal sabor, puede ser
enmascarado con salsas y condimentos y ser ingerido.
Los halógenos atacan con facilidad al cobre,
especialmente en presencia de humedad. En seco, el cloro
y el bromo no producen efecto y el flúor sólo le ataca a temperaturas superiores a
500 °C. El cloruro
cuproso y el cloruro cúprico,
combinados con el oxígeno y en presencia de humedad producen ácido clorhídrico,
ocasionando unas manchas de atacamita o paratacamita, de color verde pálido a azul
verdoso, suaves y polvorientas que no se fijan sobre la superficie y producen
más cloruros de cobre, iniciando de nuevo el ciclo de la erosión.
Los ácidos oxácidos
atacan al cobre, por lo cual se utilizan estos ácidos como decapantes (ácido sulfúrico)
y abrillantadores
(ácido nítrico).
El ácido sulfúrico
reacciona con el cobre formando un sulfuro, CuS (covelina) o Cu2S
(calcocita) de color negro y agua. También pueden
formarse sales de sulfato cúprico
(antlerita)
con colores de verde a azul verdoso. Estas sales son muy comunes en los ánodos de los acumuladores de plomo
que se emplean en los automóviles.
El ácido cítrico
disuelve el óxido de cobre, por lo que se aplica para limpiar superficies de
cobre, lustrando el metal y formando citrato de cobre.
ALEACIONES
Y TIPOS DE COBRE
Existe una amplia variedad de aleaciones de
cobre, de cuyas composiciones dependen las características técnicas que se
obtienen, por lo que se utilizan en multitud de objetos con aplicaciones
técnicas muy diversas. El cobre se alea principalmente con los siguientes
elementos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si, Cd, Cr
y otros en menor cuantía.
Según los fines a los que se destinan en la
industria, se clasifican en aleaciones para forja y en aleaciones para moldeo.
Para identificarlas tienen las siguientes nomenclaturas generales según la
norma ISO 1190-1:1982 o su equivalente UNE
37102:1984
Latón
(Cu-Zn)
El latón, también conocido como cuzin, es una aleación de cobre, cinc
(Zn) y, en menor proporción, otros metales. Se obtiene mediante la fusión de sus
componentes en un crisol o mediante la fusión y reducción de menas
sulfurosas en un horno de reverbero.
Las características de los latones dependen de la
proporción de elementos que intervengan en la aleación de tal forma que algunos
tipos de latón son maleables
únicamente en frío, otros exclusivamente en caliente, y algunos no lo son a
ninguna temperatura. Todos los tipos de latones se vuelven quebradizos cuando
se calientan a una temperatura próxima al punto de fusión.
El latón es más duro que el cobre, pero fácil de mecanizar, grabar y fundir. Es resistente a la oxidación, a las condiciones salinas y es maleable, por lo que puede laminarse en planchas
finas. Su maleabilidad varía la temperatura y con la presencia, incluso en
cantidades mínimas, de otros metales en su composición.
Un pequeño aporte de plomo en la composición del
latón mejora la maquinabilidad
porque facilita la fragmentación de las virutas
en el mecanizado. El plomo también tiene un efecto lubricante por su bajo punto
de fusión, lo que permite ralentizar el desgaste de la herramienta de corte.
El latón tiene un color amarillo brillante, con parecido al oro,
característica que es aprovechada en joyería, especialmente en bisutería, y en el galvanizado de elementos decorativos. Las
aplicaciones de los latones abarcan otros campos muy diversos, como armamento, calderería, soldadura, fabricación de alambres, tubos de condensadores
y terminales eléctricos. Como no es atacado por el
agua salada, se usa también en las construcciones de barcos
y en equipos pesqueros y marinos.
El latón no produce chispas por impacto mecánico,
una propiedad atípica en las aleaciones. Esta característica convierte al latón
en un material importante en la fabricación de envases para la manipulación de
compuestos inflamables, cepillos de limpieza de metales y en pararrayos.
Bronce
(Cu-Sn)
Las aleaciones en cuya composición predominan el
cobre y el estaño (Sn) se conocen con el nombre de bronce
y son conocidas desde la antigüedad. Hay muchos tipos de bronces que contienen
además otros elementos como aluminio, berilio, cromo
o silicio. El porcentaje de estaño en estas
aleaciones está comprendido entre el 2 y el 22%. Son de color amarillento y las
piezas fundidas de bronce son de mejor calidad que las de latón, pero son más
difíciles de mecanizar y más caras.
La tecnología metalúrgica de la fabricación de
bronce es uno de los procesos más importantes de la historia de la humanidad pues dio origen a la llamada Edad de Bronce. El bronce fue la primera aleación
fabricada voluntariamente por el ser humano: se realizaba mezclando el mineral
de cobre (calcopirita, malaquita, etc.) y el de estaño (casiterita) en un horno alimentado con carbón vegetal. El anhídrido carbónico
resultante de la combustión del carbón, reducía los minerales de cobre y estaño a
metales. El cobre y el estaño que se fundían, se aleaban entre un 5 y un 10% en
peso de estaño.
El bronce se emplea especialmente en aleaciones
conductoras del calor, en baterías eléctricas
y en la fabricación de válvulas, tuberías y uniones de fontanería. Algunas aleaciones de bronce se usan
en uniones deslizantes, como cojinetes y
descansos, discos de fricción; y otras aplicaciones donde se requiere alta
resistencia a la corrosión
como rodetes de turbinas o válvulas de bombas, entre
otros elementos de máquinas.
En algunas aplicaciones eléctricas es utilizado en resortes.
Alpaca
(Cu-Ni-Zn)
Las alpacas o
platas alemanas son aleaciones de cobre, níquel (Ni) y zinc
(Zn), en una proporción de 50-70% de cobre, 13-25% de níquel, y 13-25% de zinc.
Sus propiedades varían de forma continua en
función de la proporción de estos elementos en su composición, pasando de
máximos de dureza a mínimos de conductividad.
Si a estas aleaciones de cobre-níquel-cinc se les
añaden pequeñas cantidades de aluminio o hierro
constituyen aleaciones que se caracterizan por su resistencia a la corrosión marina, por lo que se utilizan
ampliamente en la construcción naval, principalmente en condensadores y
tuberías, así como en la fabricación de monedas
y de resistencias eléctricas.
Las aleaciones de alpaca tienen una buena
resistencia a la corrosión y buenas cualidades mecánicas. Su aplicación se
abarca materiales de telecomunicaciones,
instrumentos y accesorios de fontanería y electricidad, como grifos,
abrazaderas, muelles, conectores. También se emplea en la construcción y
ferretería, para elementos decorativos y en las industrias químicas y
alimentarias, además de materiales de vajillas y orfebrería.
El monel es una aleación que se obtiene
directamente de minerales canadienses y tiene una composición de Cu=28-30%,
Ni=66-67%, Fe=3-3,5%. Este material tiene gran resistencia a los agentes
corrosivos y a las altas temperaturas.
Otro tipo de alpaca es el llamado platinoide,
aleación de color blanco compuesta de 60% de cobre, 14% de níquel, 24% de cinc
y de 1-2% de wolframio.
METALURGIA
DEL COBRE
La metalurgia del cobre depende de que el mineral se
presente en forma de sulfuros o de
óxidos (cuproso u cúprico).
Como regla general una instalación metalúrgica de
cobre que produzca 300.000 t/año de ánodos, consume 1.000.000 t/año
de concentrado de cobre y como subproductos produce 900.000 t/año de ácido sulfúrico
y 300.000 t/año de escorias.
Cuando se trata de aprovechar los residuos
minerales, la pequeña concentración de cobre que hay en ellos se encuentra en
forma de óxidos y sulfuros, y para recuperar ese cobre se emplea la tecnología
llamada hidrometalurgia.
Esta tecnología se utiliza muy poco porque la
casi totalidad de concentrados de cobre se encuentra formando sulfuros, siendo
la producción mundial estimada de recuperación de residuos en torno al 15% de
la totalidad de cobre producido.
Aplicaciones
y usos del cobre
Ya sea considerando la cantidad o el valor del
metal empleado, el uso industrial del cobre es muy elevado. Es un material
importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado un
recurso estratégico en situaciones de conflicto.
ELECTRICIDAD Y TELECOMUNICACIONES
El cobre es el metal no precioso con mejor conductividad eléctrica.
Esto, unido a su ductilidad y
resistencia mecánica, lo han convertido en el material más empleado para
fabricar cables eléctricos, tanto de uso industrial como
residencial. Asimismo se emplean conductores de cobre en numerosos equipos
eléctricos como generadores, motores y transformadores. La principal alternativa al cobre
en estas aplicaciones es el aluminio.
También son de cobre la mayoría de los cables
telefónicos, los cuales además posibilitan el acceso a Internet. Las principales alternativas al cobre
para telecomunicaciones son la fibra óptica y los sistemas inalámbricos.
Por otro lado, todos los equipos informáticos y de telecomunicaciones contienen
cobre en mayor o menor medida, por ejemplo en sus circuitos integrados,
transformadores y cableado interno.
MEDIOS DE TRANSPORTE
El cobre se emplea en varios componentes de
coches y camiones, principalmente los radiadores (gracias a su alta conductividad térmica
y resistencia a la corrosión), frenos y cojinetes, además naturalmente de los cables y
motores eléctricos. Un coche pequeño contiene en total en torno a 20 kg de
cobre, subiendo esta cifra a 45 kg para los de mayor tamaño.
También los trenes
requieren grandes cantidades de cobre en su construcción: 1 - 2 toneladas en
los trenes tradicionales y hasta 4 toneladas en los de alta velocidad.
Además las catenarias
contienen unas 10 toneladas de cobre por kilómetro en las líneas de alta velocidad.
Por último, los cascos
de los barcos incluyen a menudo aleaciones de cobre y níquel para
reducir el ensuciamiento producido por los seres marinos.
CONSTRUCCIÓN
Una gran parte de las redes de transporte de agua están hechas de cobre
o latón, debido a su resistencia a la corrosión y sus propiedades
anti-bacterianas, habiendo quedado las tuberías de plomo
en desuso por sus efectos nocivos para la salud humana. Frente a las tuberías
de plástico, las de cobre tienen la ventaja de que no
arden en caso de incendio y por tanto no liberan humos y gases potencialmente
tóxicos.
El cobre y, sobre todo, el bronce se utilizan
también como elementos arquitectónicos y revestimientos en tejados, fachadas, puertas y ventanas. El cobre se emplea
también a menudo para los pomos de las puertas de locales
públicos, ya que sus propiedades anti-bacterianas evitan la propagación de epidemias.
Dos aplicaciones clásicas del bronce en la
construcción y ornamentación son la realización de estatuas y de campanas.
El sector de la construcción consume actualmente
(2008) el 26% de la producción mundial de cobre.
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