Utente:Riccardo Rovinetti/Sandbox 27

Rame

Pepita di rame nativo.

Dati

Elettronegatività: 1,90
Valenze: +1, +2 (+3, +4)
Peso atomico: 63,456(3) u
Classe: Metalli di transizione
Temperatura di fusione: 1084 °C
Temperatura di ebollizione: 2562 °C
Solubilità: altri metalli fusi
Densità: 8,96 g/cm³ (20 °C)

Struttura cristallina

Pericoli

Non pericoloso

Il rame è il primo elemento del gruppo XI della tavola periodica, situato fra nichel e zinco, di numero atomico 29. E' un metallo di transizione nobile, il più elettronegativo fra quelli del IV periodo ed ha un caratteristico color salmone che lo contraddistingue dagli altri elementi. Non viene ossidato dall'acqua e reagisce molto lentamente con l'ossigeno e con gli acidi diluiti. Il suo stato di ossidazione più comune è +2 (il cui colore tipico in soluzione acquosa è azzurro scuro) mentre l'altro suo stato di ossidazione, +1, è più difficile da ottenere e tende ad ossidarsi in presenza di ossigeno.
Le fonti di rame più economiche e reperibili per il laboratorio sono i cavi elettrici degli elettrodomestici rotti ed il solfato di rame, usato come fungicida in giardinaggio.

Reperibilità

Il rame è un metallo prezioso molto comune. Sono composti di rame puro i cavi elettrici presenti nei comuni elettrodomestici, la patina che ricopre le monete da 1, 2 e 5 centesimi di euro e le grondaie. Tutti questi oggetti, soprattutto i cavi elettrici, sono la fonte primaria del rame utilizzabile in un laboratorio domestico. Il resto è presente in leghe quali bronzo, ottone, duralluminio ed oro rosso.

I minerali di rame più importanti sono l'azzurrite (2 CuCO₃·Cu(OH)₂) e la malachite (CuCO₃·Cu(OH)₂) usate entrambe come pietre ornamentali. I principali minerali da cui si estrae industrialmente il rame sono i suoi solfuri, quali la calcocite (Cu₂S), la calcopirite (CuS·FeS) e la covellite (CuS), ed i suoi ossidi, come la cuprite (Cu₂O).

• 
  Azzurrite
• 
  Malachite
• 
  Calcocite
• 
  Calcopirite
• 
  Covellite
• 
  Cuprite

Sintesi

Il rame elementare può essere sintetizzato, sottoforma di polvere, per riduzione dei suoi sali quali CuSO₄.

Proprietà chimiche

Introduzione quantistica

Rame

Dati atomici

Configurazione elettronica:

1s²

2s² 2p⁶

3s² 3p⁶ 3d¹⁰

4s¹

Elettroni di valenza in grassetto

Energie di ionizzazione (kJ/mol):

1. 745.5
2. 1957.9
3. 3555
4. 5536
5. 7700

6. 9900
7. 13400
8. 16000
9. 19200
10. 22400

Isotopi stabili:

Isotopo	Abbondanza	Neutroni
63Cu	69,15%	34
65Cu	30,85%	36

Il rame è un metallo di transizione i cui 5 orbitali d sono occupati da 10 elettroni, ed ha quindi il livello 3 completo, mentre l'orbitale s del livello 4 contiene un solo elettrone. Da ciò si può dedurre che uno degli stati di ossidazione del rame è sicuramente +1, e infatti questo è lo stato in cui il legame tra i due elementi è più forte, e di conseguenza l'acqua non è in grado di solubilizzare i suoi sali in quello stato.
Guardando le energie di ionizzazione dell'atomo si nota che è teoricamente possibile strappare anche il secondo elettrone all'atomo, e infatti il rame è in grado di ossidarsi a +2. Questo ultimo stato di ossidazione, nonostante l'elettrone sottratto appartenga ad un livello inferiore completo, risulta anch'esso molto stabile. In laboratorio infatti sono i composti del Cu²⁺ quelli ottenuti normalmente per ossidazione del rame con acidi, mentre i composti di rame(I) vanno sintetizzati per riduzione del Cu²⁺.

Atomi molto elettronegativi, quali F ed O sono in grado di strappare un terzo ed un quarto elettrone al rame, originando composti come KCuO₂ e Cs₂CuF₆. Essi non sono sintetizabili in un comune laboratorio chimico, ma rivestono un importante ruolo nella chimica dei superconduttori.

Rame(II)

Struttura del complesso che Cu²⁺ forma quando è sciolto in acqua.

I composti più comuni del rame contengono l'elemento in stato di ossidazione +2.
Essi possono essere sintetizzati partendo dal rame metallico, sciogliendolo in acido ed accelerando la reazione aggiungendo alla soluzione dell'acqua ossigenata o svolgendo l'elettrolisi della soluzione acida mentre il rame è posto al catodo, oppure dal solfato rameico, CuSO₄, che facendolo reagire con idrossido o bicarbonato di sodio forma idrossido rameico, Cu(OH)₂, un precipitato che può essere in seguito fatto reagire con diversi acidi per dare qualsiasi sale di rame(II).

Lo ione Cu²⁺ è stabile in soluzione acquosa, dove viene circondato da sei molecole d'acqua in un complesso dal caratteristico colore azzurro, colore caratteristico anche anche dei suoi sali idrati solidi (CuSO₄·5H₂O, CuCl₂·2H₂O, Cu(NO₃)₂·6H₂O ...).
Esso è un debole agente ossidante:
Cu²⁺ + 2 e^- ↔ Cu.................E° = +0,34 V
Cu²⁺ + e^- ↔ Cu⁺..................E° = +0,159 V
Cu⁺ + e^- ↔ Cu.....................E° = +0,52 V
È in grado infatti di ossidare molti metalli, come Fe, Al, Sn, Pb ecc. A causa di questo suo potere ossidante non è in grado di formare alcuni composti, quali CuI₂ e Cu(CN)₂, in quanto ossida i rispettivi anioni riducendosi a Cu⁺:

2 Cu²⁺ + 4 I^- → 2 CuI↓ + I₂

2 Cu²⁺ + 4 CN^- → 2 CuCN↓ + (CN)₂↑

Esso è un acido di Lewis debole (pKa = 7,34) ed è in grado di coordinare molti leganti oltre all'acqua, tra cui NH₃, CH₃COO^- e Cl^- formando complessi colorati.

Complessi del rame(II)

Complessi in soluzione acquosa:

• 
  [Cu(H₂O)₆]²⁺
• 
  [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺
• 
  [CuCl₄]^2-
• 
  [Cu(CH₃COO)₄(H₂O)₂]^2-

Formula di struttura dei complessi:

• 
  [Cu(H₂O)₆]²⁺
• 
  [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺
• 
  [CuCl₄]^2-
• 
  [Cu(CH₃COO)₄(H₂O)₂]^2-

Rame(I)

I composti del rame in stato di ossidazione +1 sono generalmente insolubili in acqua e si ossidano lentamente all'aria. Il loro precursore più comune è l'ossido rameoso, Cu₂O, ottenibile per riduzione a caldo in ambiente basico dell'ossido o dell'idrossido rameico con uno zucchero (anche il comune saccarosio che costituisce lo zucchero da cucina).

Da questo composto, per addizione di acidi e per reazioni di scambio, si possono ottenere il resto dei composti di rame(I).
L'unico composto che il rame(I) non può formare è l'idrossido rameoso, CuOH che deidrata spontaneamente (anche in soluzione) per formare Cu₂O. Un altro composto la cui esistenza è ancora in fase di studio è il fluoruro di rame(I), CuF, che tende a disproporzionare in Cu e CuF₂.

Anche Cu⁺ forma dei complessi con diversi ligandi, che tuttavia sono per la maggior parte incolori. In soluzione di HCl forma l'anione [CuCl₂]^-, in soluzione di NH₃ forma il catione [Cu(NH₃)₂]⁺ e in soluzione di cianuri forma [Cu(CN)₃]^2- e [Cu(CN)₄]^3- (allo stato solido forma anche [Cu(CN)₂]^-). Tali complessi sono però ancora più suscettibili all'ossidazione rispetto ai precipitati solidi, e le soluzioni tendono a risultare colorate per la presenza dei complessi visti nella sezione precedente.