Rame: Proprietà e applicazioni

La parola rame deriva dal latino ‘cuprum’, che significa ‘minerale di Cipro’. Questo è il motivo per cui il simbolo chimico del rame è Cu. Il rame ha molte proprietà estremamente utili, tra cui:

  • buona conducibilità elettrica
  • buona conducibilità termica
  • resistenza alla corrosione

È anche:

  • facile da legare
  • igienico
  • facile da unire
  • duttile
  • resistente
  • non-magnetico
  • attraente
  • riciclabile
  • catalitico

Vedi sotto per maggiori informazioni su ciascuna di queste proprietà, e come ci avvantaggiano nella nostra vita quotidiana.

Buona conducibilità elettrica

Il rame ha la migliore conducibilità elettrica di qualsiasi metallo, eccetto l’argento.

Una buona conducibilità elettrica equivale a una piccola resistenza elettrica. Una corrente elettrica scorre attraverso tutti i metalli, tuttavia essi hanno ancora una certa resistenza, il che significa che la corrente ha bisogno di essere spinta (da una batteria) per continuare a scorrere. Più grande è la resistenza, più difficile è spingere (e più piccola è la corrente). La corrente scorre facilmente attraverso il rame grazie alla sua piccola resistenza elettrica, senza molta perdita di energia. Questo è il motivo per cui i fili di rame sono usati nei cavi di rete nelle case e sottoterra (anche se i cavi aerei tendono ad essere in alluminio perché è meno denso). Tuttavia, dove le dimensioni piuttosto che il peso sono importanti, il rame è la scelta migliore. Una spessa striscia di rame è usata per i parafulmini su edifici alti come le guglie delle chiese. La striscia di rame deve essere spessa in modo che possa portare una grande corrente senza fondersi.

Il filo di rame può essere avvolto in una bobina. La bobina produrrà un campo magnetico e, essendo fatta di rame, non sprecherà molta energia elettrica. Le bobine di rame si possono trovare in:

Dispositivo Uso
Elettromagneti Serrature, gru da rottamare, campane elettriche. (Vedere Elettromagneti.)
Motori Pompe, elettrodomestici (lavatrici, lavastoviglie, frigoriferi, aspirapolvere), automobili (motori di avviamento, tergicristalli, alzacristalli elettrici), computer (unità disco, ventole), sistemi di intrattenimento (lettori DVD). (Vedere Motori elettrici.)
Dinamo Biciclette, centrali elettriche
Trasformatori Adattatori di rete, sottostazioni elettriche, centrali elettriche. (Vedere Rame ed elettricità: i trasformatori e la rete).

Come il rame conduce
Il rame è un metallo composto da atomi di rame strettamente impacchettati insieme.

Se potessimo guardare abbastanza da vicino, vedremmo che ci sono elettroni che si muovono tra gli atomi di rame.

Ogni atomo di rame ha perso un elettrone ed è diventato uno ione positivo. Così il rame è un reticolo di ioni di rame positivi con elettroni liberi che si muovono tra di loro. (Gli elettroni sono un po’ come le particelle di un gas che è libero di muoversi all’interno delle superfici del filo).

Gli elettroni possono muoversi liberamente attraverso il metallo. Per questo motivo, sono conosciuti come elettroni liberi. Sono anche conosciuti come elettroni di conduzione, perché aiutano il rame ad essere un buon conduttore di calore ed elettricità.

Gli ioni di rame stanno vibrando (vedi figura 1). Notate che vibrano intorno allo stesso posto, mentre gli elettroni possono muoversi attraverso il reticolo. Questo è molto importante quando colleghiamo il filo a una batteria.

Elettroni che si muovono attraverso il rame

Figura 1 – Un filo di rame è fatto di un reticolo di ioni di rame. Ci sono elettroni liberi che si muovono attraverso questo reticolo come un gas.

Condurre l’elettricità

Possiamo collegare un filo di rame ad una batteria e ad un interruttore. Normalmente, gli elettroni liberi si muovono a caso nel metallo. Quando chiudiamo l’interruttore, scorre una corrente elettrica. Ora gli elettroni liberi scorrono attraverso il filo (figura 2) e si muovono da sinistra a destra (e si muovono ancora in modo casuale).

Corrente attraverso il rame

Corrente attraverso il rame

Figura 2 – Azionando l’interruttore nel circuito qui sopra gli elettroni fluiscono da sinistra a destra, nella direzione opposta della corrente.

Gli elettroni hanno una carica negativa. Sono attratti dall’estremità positiva della batteria. Gli elettroni liberi si muovono attraverso il rame, scorrendo dal terminale negativo a quello positivo della batteria (si noti che scorrono nella direzione opposta alla corrente convenzionale; questo perché hanno una carica negativa).

Gli ioni di rame nel filo vibrano. A volte uno ione blocca il percorso di un elettrone in movimento. L’elettrone si scontra con lo ione e rimbalza su di esso. Questo rallenta l’elettrone. Parte della sua energia è stata trasferita allo ione, che vibra più velocemente.

In questo modo, l’energia viene trasferita dagli elettroni in movimento agli ioni di rame. Il rame diventa più caldo. Questo spiega perché:

  • i metalli hanno resistenza elettrica.
  • i metalli si scaldano quando una corrente li attraversa.

Buona conducibilità termica

Il rame è un buon conduttore di calore. Questo significa che se si riscalda un’estremità di un pezzo di rame, l’altra estremità raggiungerà rapidamente la stessa temperatura. La maggior parte dei metalli sono buoni conduttori; tuttavia, a parte l’argento, il rame è il migliore.

Metal Relative Conducibilità
Rame 394
Argento 418
Alluminio 238
Acciaio inox 13

Conducibilità termica dei metalli comuni. Quando si riscalda un lato di un materiale, l’altro lato si riscalda. I valori qui sopra sono una misura di quanto velocemente l’altro lato diventa caldo come il lato riscaldato.

È usato in molte applicazioni di riscaldamento perché non si corrode e ha un alto punto di fusione. L’unico altro materiale che ha una resistenza simile alla corrosione è l’acciaio inossidabile. Tuttavia, la sua conducibilità termica è 30 volte peggiore di quella del rame.

Applicazioni
Il rame permette al calore di attraversarlo rapidamente. È quindi usato in molte applicazioni dove il trasferimento rapido del calore è importante. Queste includono:

Dispositivo Uso
Piastra di rame Fondi pentola.
Tubi di rame Scambiatori di calore in serbatoi di acqua calda, sistemi di riscaldamento a pavimento, campi da calcio per tutte le stagioni e radiatori auto.
Dissipatori di calore Computer, unità disco, televisori.

Condurre il calore
Il rame è fatto da un reticolo di ioni con elettroni liberi (vedi figura 1). Gli ioni vibrano e gli elettroni possono muoversi attraverso il rame (un po’ come un gas).

La figura 3 mostra cosa succede quando un’estremità del pezzo di rame diventa più calda. Gli ioni di rame all’estremità calda vibrano di più. Nota: gli elettroni sono stati lasciati fuori dall’immagine per mantenere la chiarezza.

Figura 3 conduttività termica

Figura 3 – L’estremità sinistra del pezzo di rame è più calda. Gli ioni di rame all’estremità calda vibrano di più. (Nota: gli elettroni sono stati lasciati fuori dall’immagine per mantenerla chiara.)

La figura 4 si concentra solo su alcuni elettroni per vedere come conducono il calore da sinistra a destra.

  1. Un elettrone libero si scontra con uno ione all’estremità calda, e guadagna energia cinetica (accelera).
  2. Si sposta all’estremità fredda.
  3. Collide con uno ‘ione freddo’, facendo vibrare di più lo ione precedentemente freddo. Questo riscalda l’estremità fredda.
  4. In questo modo, l’energia viene trasferita attraverso il rame, dal caldo al freddo.

Come gli elettroni conducono il calore

Figura 4 – Come gli elettroni conducono il calore da sinistra a destra (ne sono mostrati solo alcuni per renderlo più facile da vedere).

I non-metalli conducono il calore
Confronta questo con come il calore è condotto in un non-metallo. Le particelle vibranti trasmettono le vibrazioni ai loro vicini più vicini. Questo è molto più lento. Ecco perché i metalli sono i migliori conduttori – i loro elettroni liberi possono trasportare l’energia lungo la loro lunghezza.

Resistenza alla corrosione

Il rame è basso nella serie di reattività. Questo significa che non tende a corrodersi. Questo è importante per il suo uso per tubi, cavi elettrici, pentole e radiatori.

Significa anche che è adatto all’uso decorativo. Gioielli, statue e parti di edifici possono essere realizzati in rame, ottone o bronzo e rimanere attraenti per migliaia di anni.

Per maggiori informazioni sui vantaggi della resistenza alla corrosione del rame per le applicazioni marine, vedere la risorsa Leghe di rame in acquacoltura.

Leghe facili

Il rame può essere combinato facilmente con altri metalli per fare leghe. La prima lega prodotta fu il rame fuso con lo stagno per formare il bronzo – una scoperta così importante che i periodi della storia sono chiamati Età del Bronzo.

Molto più tardi venne l’ottone (rame e zinco), e – nell’era moderna – il cupronickel (rame e nichel). Le leghe sono più dure, più forti e più resistenti del rame puro. Possono essere rese ancora più dure martellandole – un processo chiamato “incrudimento”.

L’albero delle leghe di rame mostra le opzioni per aggiungere altri metalli per fare diverse leghe. Qui sotto ci sono alcuni esempi. Clicca sul diagramma sopra per vedere una versione più grande.

Rame + stagno = bronzo allo stagno
Rame + stagno + fosforo = bronzo al fosforo
Rame + alluminio = bronzo all’alluminio
Rame + zinco = ottone
Rame + stagno + zinco = canna di fucile
Rame + nichel = rame-nichel
Rame + nichel + zinco = alpacca.

Per maggiori informazioni, vedi la risorsa Copper in Coinage. Puoi anche vedere le pagine della Copper Development Association sul rame e le sue leghe.

Igienico

Il rame è intrinsecamente igienico, cioè è ostile a batteri, virus e funghi che si stabiliscono sulla sua superficie. Questa proprietà sta vedendo l’installazione di superfici fatte di rame e leghe di rame negli ospedali e in altre aree dove l’igiene è una preoccupazione chiave.

Si unisce facilmente

Il rame può essere unito facilmente tramite saldatura o brasatura. Questo è utile per le tubature e per fare recipienti di rame sigillati.

Duttile

Il rame è un metallo duttile. Questo significa che può essere facilmente modellato in tubi e trafilato in fili. I tubi di rame sono leggeri perché possono avere pareti sottili. Non si corrodono e possono essere piegati per adattarsi agli angoli. I tubi possono essere uniti per saldatura e sono sicuri negli incendi perché non bruciano o supportano la combustione.

Duro

Il rame e le leghe di rame sono resistenti. Questo significa che erano ben adatte ad essere usate per utensili e armi. Immaginate la gioia dell’uomo antico quando scoprì che le sue punte di freccia accuratamente formate non si frantumavano più all’impatto.

La proprietà della tenacità è vitale per il rame e le leghe di rame nel mondo moderno. Non si frantumano quando cadono o diventano fragili quando si raffreddano sotto 0°C.

Non-magnetico

Il rame non è magnetico e non scintilla. Per questo motivo, è usato in strumenti speciali e applicazioni militari.

Colore attraente

Il rame e le sue leghe, come l’ottone, sono usati per gioielli e ornamenti. Hanno un attraente colore dorato che varia con il contenuto di rame. Hanno una buona resistenza all’appannamento che li fa durare a lungo.

Riciclabile

Il rame può essere riciclato senza alcuna perdita di qualità. Circa il 40% della domanda europea è soddisfatta dal rame riciclato.

Per maggiori informazioni, vedi la risorsa Riciclo e sostenibilità del rame.

Catalitico

Il rame può agire come catalizzatore – cioè una sostanza che può accelerare una reazione chimica e migliorare la sua efficienza. Lo fa riducendo l’energia di attivazione. I catalizzatori nelle reazioni biologiche sono chiamati enzimi.

Il rame accelera la reazione tra zinco e acido solforico diluito. Si trova in alcuni enzimi, uno dei quali è coinvolto nella respirazione. È davvero un elemento vitale!