Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe cuivre parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 128 pm — soit 0,128 nm ; il en faudrait donc environ 3,91 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Cuivre est liquide dans une plage de 1477 K, de 1358 K à 2835 K.
Où il se trouve
Cuivre se trouve dans la période 4, groupe 11. Tous les éléments du groupe 11 possèdent le même nombre d’électrons externes, ce qui explique qu’ils se comportent de manière si similaire.
Autres Métaux de transition
Tous les métaux de transitionL’histoire
Premier métal utilisé par l’être humain. Excellent conducteur de l’électricité.
Le cuivre représente la première utilisation intentionnelle d’un métal par l’humanité, qui commence vers 9000 avant notre ère dans le Croissant fertile. Des preuves archéologiques découvertes à Çayönü Tepesi, en Turquie, montrent des perles et des outils en cuivre antérieurs à l’agriculture. Contrairement au fer ou à l’aluminium, le cuivre natif se trouve naturellement sous forme métallique, ce qui permettait aux premiers humains de le travailler sans technologie complexe de fusion.
Vers 5000 avant notre ère, des civilisations des Balkans et du Moyen-Orient découvrirent que le chauffage de certaines roches vertes et bleues (des carbonates de cuivre) avec du charbon de bois produisait du cuivre métallique pur. Cette avancée lança l’âge chalcolithique (âge du cuivre), transformant fondamentalement la technologie humaine. L’homme des glaces (Ötzi), découvert dans les Alpes et datant de 3300 avant notre ère, portait une hache en cuivre qui témoignait d’une métallurgie avancée.
Le bronze — un alliage de cuivre et d’étain — apparut vers 3500 avant notre ère au Proche-Orient, lançant l’âge du bronze, qui dura jusqu’en 1200 avant notre ère. Cette découverte s’est probablement produite accidentellement lorsque des minerais de cuivre contenant de l’étain furent fondus ensemble. Le bronze s’avéra supérieur au cuivre pur pour les armes, les outils et l’art, favorisant le développement de réseaux commerciaux internationaux tandis que les civilisations recherchaient des sources d’étain.
Des textes sumériens datant de 2500 avant notre ère décrivent des techniques sophistiquées de travail du cuivre, notamment la fonte à la cire perdue et la composition des alliages. L’étendard d’Ur et d’innombrables objets témoignent de leur maîtrise de la métallurgie du cuivre et du bronze. Les marchands mésopotamiens établirent des routes commerciales s’étendant de l’Afghanistan (étain) à Chypre (cuivre).
L’île de Chypre devint synonyme de cuivre dans le monde antique, donnant au métal son nom latin « cuprum » (issu de « aes cyprium » — métal de Chypre). Les mines romaines de Chypre furent exploitées pendant plus de 1500 ans, produisant le cuivre qui contribua à bâtir un empire. L’ingénierie romaine utilisait le cuivre pour les pièces de monnaie, la plomberie, les toitures et les œuvres d’art qui subsistent encore aujourd’hui.
Les métallurgistes égyptiens atteignirent un degré de sophistication remarquable, créant des tuyaux en cuivre pour les systèmes de drainage des temples ainsi que des objets élaborés en bronze. Le papyrus Edwin Smith (1600 avant notre ère) décrit les utilisations médicales de composés du cuivre pour traiter les infections — anticipant de 3600 ans les applications antimicrobiennes modernes.
L’exploration européenne fut en partie motivée par la recherche de cuivre et d’autres métaux. Les conquistadors espagnols découvrirent une métallurgie avancée du cuivre dans les Amériques, où les peuples autochtones avaient développé indépendamment des techniques sophistiquées. La région cuprifère de la péninsule Supérieure du Michigan fournit du cuivre aux forces de l’Union pendant la guerre de Sécession.
La découverte de l’électricité transforma le cuivre, qui passa du statut de métal utile à celui de matériau essentiel. Les expériences d’induction électromagnétique de Michael Faraday (1831) démontrèrent le potentiel de l’électricité, tandis que les systèmes de distribution d’électricité de Thomas Edison rendirent le câblage en cuivre central. Le procédé Bessemer (1856) permit la production d’acier à grande échelle, créant une demande de cuivre pour les moteurs à vapeur et les machines industrielles.
Antoine Lavoisier inclut le cuivre dans ses « Éléments de chimie » révolutionnaires (1789), l’établissant comme un élément fondamental. La théorie atomique de John Dalton (1803) fournit le cadre théorique nécessaire à la compréhension des propriétés du cuivre. La cristallographie aux rayons X révéla sa structure cubique à faces centrées, expliquant son exceptionnelle conductivité électrique et sa conductivité thermique.
L’ère électrique créa une demande sans précédent de cuivre. Westinghouse et General Electric rivalisèrent pour développer des systèmes électriques à courant alternatif nécessitant d’immenses quantités de fils de cuivre. Les Première et Seconde Guerres mondiales démontrèrent l’importance stratégique du cuivre, entraînant la constitution de stocks gouvernementaux et la mise en place de programmes de recyclage. Le développement de la réfrigération, de la climatisation et de l’électronique élargit encore les applications du cuivre.
Applications
L’excellente conductivité électrique du cuivre (devancée seulement par celle de l’argent) le rend central aux réseaux électriques mondiaux. Les lignes de transport d’électricité acheminent l’électricité des centrales de production vers les villes grâce à la conductivité du cuivre, qui atteint 59.6 MS/m. Les moteurs électriques, des réfrigérateurs aux pompes industrielles, reposent sur des bobinages en cuivre qui convertissent l’énergie électrique en mouvement mécanique avec un rendement supérieur à 95 %. L’industrie électrique consomme 65 % de la production mondiale de cuivre.
Les tuyaux en cuivre fournissent de l’eau potable depuis plus de 4000 ans, en éliminant naturellement les bactéries et les virus grâce à l’effet oligodynamique. Les habitations modernes utilisent la plomberie en cuivre pour sa fiabilité, sa résistance à la corrosion et ses propriétés antimicrobiennes. Les réseaux d’eau des hôpitaux prescrivent de plus en plus le cuivre pour prévenir la prolifération de Legionella et d’autres agents pathogènes hydriques. Les systèmes d’ionisation cuivre-argent purifient l’eau des piscines et des engins spatiaux.
La conductivité thermique du cuivre (401 W/m·K) permet d’utiliser des échangeurs thermiques efficaces dans les climatiseurs, les radiateurs automobiles et les procédés industriels. Les ustensiles de cuisine en cuivre assurent une répartition de la chaleur inégalée dans les cuisines professionnelles. Les condenseurs des centrales électriques utilisent des alliages cuivre-nickel pour transférer la chaleur résiduelle des turbines à vapeur vers l’eau de refroidissement, maximisant ainsi le rendement de la production électrique.
Le bronze (cuivre-étain) a marqué le début de l’âge du bronze de la civilisation il y a 5000 ans et reste essentiel pour les paliers, les hélices de navires et les éléments architecturaux. Le laiton (cuivre-zinc) permet de fabriquer des instruments de musique à l’acoustique parfaite et des équipements marins résistants à la corrosion par l’eau salée. Le cuivre au béryllium forme des outils résistants aux étincelles pour les environnements explosifs ainsi que des ressorts qui conservent leur tension pendant des décennies.
L’EPA reconnaît le cuivre comme la seule surface solide qui élimine continuellement les bactéries, les virus et les champignons. Les poignées de porte, les rampes et les cadres de lit des hôpitaux utilisent des alliages de cuivre pour réduire jusqu’à 58 % les infections associées aux soins. Les recherches sur la COVID-19 montrent que les surfaces en cuivre inactivent le virus en moins de 4 heures, ce qui entraîne une adoption accrue dans les espaces publics.
La patine naturelle du cuivre crée la couleur verte caractéristique de la Statue de la Liberté, d’innombrables dômes d’églises et de réalisations architecturales modernes. Les toitures en cuivre à joint debout durent plus de 100 ans tout en développant une magnifique oxydation bleu-vert. Frank Lloyd Wright et d’autres architectes ont choisi le cuivre pour sa durabilité, sa facilité de mise en œuvre et son attrait esthétique évolutif.
Les catalyseurs au cuivre permettent la synthèse du méthanol, la production pharmaceutique et le traitement pétrochimique. La réaction d’Ullmann utilise le cuivre pour former des liaisons carbone-carbone dans la fabrication de médicaments. Le sulfate de cuivre contrôle les algues dans le traitement de l’eau et fournit des micronutriments essentiels à la croissance des plantes en agriculture.
D’où il vient
60 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 79 % des éléments
Le cuivre est le 25e élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec 60 parties par million, mais les concentrations économiquement exploitables nécessitent des processus géologiques qui augmentent l’abondance locale d’un facteur 100. Le Chili contient 28 % des réserves mondiales, principalement dans le désert d’Atacama, où les conditions arides préservent les minerais sulfurés. Le Pérou, la Chine et la République démocratique du Congo abritent d’autres gisements majeurs, formés par divers processus géologiques.
Les gisements porphyriques fournissent 75 % de la production mondiale de cuivre. Ils se forment grâce à d’immenses systèmes hydrothermaux associés au volcanisme des zones de subduction. La mine de Chuquicamata au Chili — la plus grande mine de cuivre à ciel ouvert du monde — illustre ces systèmes gigantesques, dans lesquels des fluides magmatiques ont transporté le cuivre pendant des millions d’années. Le molybdène, l’or et l’argent accompagnent souvent le cuivre dans ces gisements, formant des corps minéralisés polymétalliques.
Les plaques océaniques en subduction produisent des magmas riches en cuivre qui s’injectent dans la croûte sus-jacente sous forme de stocks porphyriques. Des fluides hydrothermaux à 300-600°C transportent le cuivre sous forme de complexes chlorurés et déposent de la chalcopyrite (CuFeS₂) et de la bornite (Cu₅FeS₄) dans des réseaux de fractures. Ce processus exige des conditions précises de température, de pression et de composition chimique, qui se rencontrent principalement aux frontières convergentes des plaques.
La ceinture cuprifère de Zambie et de la République démocratique du Congo contient des gisements de cuivre stratiformes, formés dans d’anciens bassins de rift. Des fluides cuprifères ont circulé à travers les roches sédimentaires, précipitant de la chalcocite (Cu₂S) et de la malachite [Cu₂CO₃(OH)₂] dans des environnements réducteurs. Ces gisements ont fourni du cuivre aux civilisations africaines il y a des milliers d’années.
Les gisements de type chypriote se forment au niveau des dorsales médio-océaniques, où des sources hydrothermales précipitent des sulfures de cuivre sur le fond marin. L’île de Chypre a donné son nom au cuivre (latin « cuprum ») en raison de l’exploitation minière intensive de ces gisements dans l’Antiquité. Les équivalents modernes comprennent les sources hydrothermales dites « fumeurs noirs », qui concentrent le cuivre, le zinc et le plomb dans des sulfures polymétalliques.
La péninsule de Keweenaw, au Michigan, contient les plus grands gisements de cuivre natif du monde, où le cuivre métallique se trouve naturellement sans combinaison chimique. Des basaltes de plateaux précambriens ont créé des conditions réductrices qui ont déposé du cuivre pur dans des amygdules et des fractures. Les peuples autochtones d’Amérique ont extrait ce cuivre pendant 7000 ans, fabriquant des outils et des ornements échangés dans toute l’Amérique du Nord.
Le cuivre se forme par capture lente de neutrons (processus s) dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes et par nucléosynthèse explosive dans les supernovæ de type II. Le rapport isotopique Cu-63/Cu-65 fournit des informations sur l’évolution chimique galactique et les processus stellaires. Les météorites contiennent du cuivre dans des états sulfurés, ce qui indique sa présence lors de la formation du système solaire, il y a 4,6 milliards d’années.
L’eau de mer contient 0.25 partie par milliard de cuivre, essentiel aux organismes marins mais toxique à des concentrations plus élevées. Les nodules polymétalliques des grands fonds océaniques accumulent du cuivre pendant des millions d’années, à mesure que les métaux précipitent depuis l’eau de mer. Les systèmes hydrothermaux des dorsales médio-océaniques font continuellement circuler le cuivre entre le manteau et les océans, maintenant l’équilibre géochimique mondial.
Le cuivre est un micronutriment essentiel à toutes les formes de vie et intervient dans des enzymes telles que la cytochrome oxydase et la superoxyde dismutase. Les plantes ont besoin de cuivre pour la photosynthèse et le métabolisme du fer, tandis que les animaux en ont besoin pour la formation des tissus conjonctifs et le transport du fer. La disponibilité du cuivre dans les sols influence la productivité agricole et la santé des écosystèmes.
L’altération des sulfures de cuivre crée des minéraux secondaires spectaculaires. L’azurite [Cu₃(CO₃)₂(OH)₂] produit des cristaux d’un bleu intense, tandis que la malachite [Cu₂CO₃(OH)₂] forme des motifs rubanés d’un vert éclatant. La chrysocolle forme des masses silicatées bleu-vert, et la cuprite (Cu₂O) présente des cristaux octaédriques rouge profond. Ces minéraux colorés attirent les êtres humains depuis des millénaires.
Manipulation
OSHA PEL : 1 mg/m³ pour les fumées de cuivre, 1 mg/m³ pour les poussières et brouillards de cuivre (moyenne pondérée sur 8 heures). NIOSH REL : 1 mg/m³ pour les composés du cuivre, 0.1 mg/m³ pour les fumées de cuivre afin de prévenir la fièvre des métaux. ACGIH TLV : 0.2 mg/m³ pour les fumées de cuivre, compte tenu des risques accrus de sensibilisation respiratoire liés au soudage et aux opérations à haute température.
La fièvre des fumées de cuivre touche les soudeurs et les métallurgistes exposés aux fumées d’oxyde de cuivre, provoquant des symptômes pseudo-grippaux, notamment de la fièvre, des frissons, des douleurs musculaires et un goût métallique. Les symptômes apparaissent généralement 4-12 heures après l’exposition et disparaissent en 24-48 heures. La fièvre du lundi matin survient lorsque les travailleurs perdent leur tolérance pendant le week-end. La prévention nécessite une ventilation adéquate et une protection respiratoire lors des travaux à chaud.
L’ingestion de sulfate de cuivre provoque une forte irritation gastro-intestinale, des nausées, des vomissements et peut entraîner des lésions hépatiques mortelles à des doses supérieures à 10-20 grammes. La maladie de Wilson - une maladie génétique touchant 1 personne sur 30,000 - empêche l’excrétion normale du cuivre, entraînant une accumulation dangereuse dans le foie et le cerveau. Les symptômes comprennent une maladie hépatique, des troubles neurologiques et des anneaux de Kayser-Fleischer caractéristiques dans les yeux.
Inhalation : déplacer immédiatement la personne à l’air frais, surveiller l’apparition retardée de symptômes respiratoires, consulter un médecin en cas de toux persistante ou de difficultés respiratoires. Contact avec la peau : laver à l’eau et au savon, retirer les vêtements contaminés. Contact avec les yeux : rincer à l’eau propre pendant 15 minutes, consulter un médecin en cas d’irritation persistante. Ingestion : ne pas provoquer de vomissements, donner de l’eau ou du lait, consulter immédiatement un médecin.
Norme de l’EPA pour l’eau potable : niveau d’intervention de 1.3 mg/L pour le cuivre dans les réseaux publics d’eau. Des concentrations plus élevées provoquent des troubles gastro-intestinaux et peuvent indiquer une corrosion de la plomberie. Toxicité aquatique : le cuivre est très toxique pour les poissons et les invertébrés aquatiques, ce qui impose une élimination soigneuse des solutions contenant du cuivre et un traitement des eaux usées industrielles.
Stocker les matériaux en cuivre dans un environnement sec afin de prévenir l’oxydation et la formation de poussières. Les opérations de meulage et de découpe nécessitent une ventilation locale par aspiration pour maîtriser les poussières de cuivre. Le soudage et le brasage nécessitent des systèmes spécialisés d’extraction des fumées. Un entretien régulier des locaux empêche l’accumulation de poussières de cuivre susceptibles de créer des risques respiratoires ou des conditions favorables à la formation de poussières combustibles.
Les travailleurs fortement exposés au cuivre doivent effectuer initialement puis régulièrement des tests de la fonction hépatique, des numérations-formules sanguines et des évaluations respiratoires. Les dosages du cuivre sérique et de la céruloplasmine aident à détecter une absorption excessive. La détection précoce de la maladie de Wilson chez les travailleurs permet une prise en charge médicale appropriée et prévient les complications graves.
Réponses rapides
Cuivre (symbole Cu) est l’élément 29 du tableau périodique, un Métal de transition de la période 4, du groupe 11. Le premier métal que les humains ont fondu et toujours le système nerveux du monde électrifié. À température ambiante, c’est un solide.
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹ ; elle comporte 4 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 1.Cuivre fond à 1357.8 K (1084.6 °C) et bout à 2835 K (2561.9 °C).
La masse atomique standard de Cuivre est de 63.546 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Cuivre a une masse volumique de 8.96 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Cuivre est donc environ 9× plus lourd.
Cuivre a une électronégativité de Pauling de 1.9. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Cuivre est connu depuis l’Antiquité — il existe sous une forme utilisable sans réduction du minerai ; aucune personne en particulier ne peut donc être créditée de sa découverte. Le nom vient de latin cuprum, d’après Chypre.
Cuivre constitue environ 60 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.