Cobre: Propriedades e Aplicações

A palavra cobre vem do latim ‘cuprum’, que significa ‘minério de Chipre’. É por esta razão que o símbolo químico para o cobre é Cu. O cobre tem muitas propriedades extremamente úteis, incluindo:

  • boa condutividade eléctrica
  • boa condutividade térmica
  • resistência à corrosão

é também:

  • fácil à liga
  • higiénico
  • ligação fácil
  • dutile
  • bastante duro
  • não-magnético
  • atractivo
  • reciclável
  • catalítico

Ver abaixo para mais informações sobre cada uma destas propriedades, e como eles nos beneficiam na nossa vida quotidiana.

Bom condutividade eléctrica

Cobre tem a melhor condutividade eléctrica de qualquer metal, excepto a prata.

Uma boa condutividade eléctrica é o mesmo que uma pequena resistência eléctrica. Uma corrente eléctrica fluirá através de todos os metais, no entanto estes ainda têm alguma resistência, o que significa que a corrente precisa de ser empurrada (por uma bateria) a fim de continuar a fluir. Quanto maior for a resistência, mais difícil teremos de empurrar (e quanto mais pequena for a corrente). A corrente flui facilmente através do cobre graças à sua pequena resistência eléctrica, sem grande perda de energia. É por isso que os fios de cobre são utilizados em cabos de rede nas casas e no subsolo (embora os cabos aéreos tendam a ser de alumínio porque é menos denso). Contudo, onde o tamanho e não o peso é importante, o cobre é a melhor escolha. A faixa grossa de cobre é utilizada para pára-raios em edifícios altos, como os pináculos de igrejas. A tira de cobre tem de ser espessa para que possa transportar uma grande corrente sem derreter.

Fio de cobre pode ser enrolado numa bobina. A bobina irá produzir um campo magnético e, sendo feita de cobre, não desperdiçará muita energia eléctrica. As bobinas de cobre podem ser encontradas em:

Transformadores

Dispositivo Use
Electromagnets Locks, gruas de ferro-velho, sinos eléctricos. (Ver Electroímanes.)
Motores Bombas, aparelhos domésticos (máquinas de lavar roupa, máquinas de lavar louça, frigoríficos, aspiradores), automóveis (motores de arranque, limpa pára-brisas, vidros eléctricos), computadores (unidades de disco, ventoinhas), sistemas de entretenimento (leitores de DVD). (Ver Motores Eléctricos.)
Dynamos Bicicletas, centrais eléctricas
Adaptadores de corrente, subestações eléctricas, centrais eléctricas. (Ver Cobre e Electricidade: Transformadores e a Rede.)

Como o cobre conduz
O cobre é um metal composto de átomos de cobre bem embalados juntos.

Se pudéssemos olhar com atenção suficiente, veríamos que há electrões a mover-se entre os átomos de cobre.

Cada átomo de cobre perdeu um electrão e tornou-se um ião positivo. Portanto, o cobre é uma malha de iões de cobre positivos com electrões livres que se movem entre eles. (Os electrões são um pouco como as partículas de um gás que se move livremente dentro das superfícies do fio).

Os electrões podem mover-se livremente através do metal. Por esta razão, eles são conhecidos como electrões livres. Também são conhecidos como electrões condutores, porque ajudam o cobre a ser um bom condutor de calor e electricidade.

Os iões de cobre estão a vibrar (ver Figura 1). Note-se que vibram no mesmo local enquanto que os electrões podem mover-se através da rede. Isto é muito importante quando ligamos o fio a uma bateria.

Electrões movendo-se através do cobre

Figure 1 – Um fio de cobre é feito de uma rede de iões de cobre. Há electrões livres que se movem através desta malha como um gás.

Condução de electricidade

Podemos ligar um fio de cobre a uma bateria e a um interruptor. Normalmente, os electrões livres movem-se de forma aleatória no metal. Quando se fecha o interruptor, flui uma corrente eléctrica. Agora, os electrões livres fluem através do fio (Figura 2) movem-se da esquerda para a direita (e ainda se movem de forma aleatória também).

Corrente através do cobre

Corrente através do cobre

Figure 2 – O funcionamento do interruptor no circuito acima faz com que os electrões fluam da esquerda para a direita, na direcção oposta da corrente.

Os electrões têm uma carga negativa. Eles são atraídos para a extremidade positiva da bateria. Os electrões livres movem-se através do cobre, fluindo do terminal negativo para o positivo da bateria (note-se que fluem na direcção oposta à corrente convencional; isto porque têm uma carga negativa).

Os iões de cobre no fio vibram. Por vezes, um ião bloqueia o caminho de um electrão em movimento. O electrão colide com o ião e ricocheteia-o. Isto abranda o electrão. Parte da sua energia foi transferida para o ião, que vibra mais rapidamente.

Desta forma, a energia é transferida dos electrões em movimento para os iões de cobre. O cobre fica mais quente. Isto explica porque:

  • metals têm resistência eléctrica.
  • metals aquecem quando uma corrente flui através deles.

Good Thermal Conductivity

Cobre é um bom condutor de calor. Isto significa que se aquecer uma extremidade de um pedaço de cobre, a outra extremidade atingirá rapidamente a mesma temperatura. A maioria dos metais são muito bons condutores; contudo, para além da prata, o cobre é o melhor.

Metal Relativa Conductivity
Copper 394
Prata 418
Alumínio 238
Aço inoxidável 13

Condutividade térmica dos metais comuns. Quando se aquece um lado de um material, o outro lado irá aquecer. Os valores acima são uma medida de quão rapidamente o outro lado fica tão quente como o lado aquecido.

É utilizado em muitas aplicações de aquecimento porque não corrói e tem um ponto de fusão elevado. O único outro material que tem uma resistência semelhante à corrosão é o aço inoxidável. Contudo, a sua condutividade térmica é 30 vezes pior do que a do cobre.

Aplicações
Cobre permite que o calor passe rapidamente através dele. É portanto utilizado em muitas aplicações onde a transferência rápida de calor é importante. Estas incluem:

Dispositivo Uso
Placa de cobre Fundos de tacho.
Canos de cobre Permutadores de calor em tanques de água quente, sistemas de aquecimento do chão, campos de futebol e radiadores de automóveis.
Dissipadores de calor Computadores, unidades de disco, aparelhos de TV.

Condução de calor
Cobre é feito a partir de uma rede de iões com electrões livres (ver Figura 1). Os iões estão a vibrar e os electrões podem mover-se através do cobre (como um gás).

Figure 3 mostra o que acontece quando uma extremidade do pedaço de cobre fica mais quente. Os iões de cobre na extremidade quente vibram mais. Nota: os electrões foram deixados fora do quadro para o manter claro.

Figure 3 condutividade térmica

Figure 3 – A extremidade esquerda do pedaço de cobre é mais quente. Os iões de cobre na extremidade quente vibram mais. (Nota: os electrões foram deixados fora do quadro para o manter claro.)

Figure 4 centra-se apenas em alguns electrões para ver como conduzem o calor da esquerda para a direita.

  1. Um electrão livre colide com um ião na extremidade quente, e ganha energia cinética (acelera).
  2. Move-se para a extremidade fria.
  3. Colide com um ‘ião frio’, fazendo vibrar mais o ião anteriormente frio. Isto aquece a extremidade fria.
  4. Desta forma, a energia é transferida através do cobre, do quente para o frio.

Como os electrões conduzem o calor

Figure 4 – Como os electrões conduzem o calor da esquerda para a direita (apenas alguns são mostrados para facilitar a sua visualização).

Não-metálicos conduzindo calor
Comparar isto com a forma como o calor é conduzido num não-metal. As partículas vibrantes passam as vibrações para os seus vizinhos mais próximos. Isto é muito mais lento. É por isso que os metais são os melhores condutores – os seus electrões livres podem transportar a energia ao longo do seu comprimento.

Resistência à corrosão

Cobre é baixo na série de reactividade. Isto significa que não tem tendência a corroer. Isto é importante para a sua utilização em tubos, cabos eléctricos, panelas e radiadores.

Significa também que é bem adequado para uso decorativo. Jóias, estátuas e partes de edifícios podem ser feitas de cobre, latão ou bronze e permanecer atractivas durante milhares de anos.

Para mais informações sobre os benefícios da resistência à corrosão do cobre para aplicações marinhas, ver o recurso Ligas de Cobre em Aquacultura.

Ligas Facilmente

Cobre pode ser facilmente combinado com outros metais para fazer ligas. A primeira liga produzida foi o cobre fundido com estanho para formar bronze – uma descoberta tão importante que períodos na história são chamados A Idade do Bronze.

Muito mais tarde veio o latão (cobre e zinco), e – na era moderna – o cuproníquel (cobre e níquel). As ligas são mais duras, mais fortes e mais resistentes do que o cobre puro. Podem ser ainda mais duras martelando-as – um processo chamado ‘work hardening’.

A árvore da liga de cobre mostra as opções de adição de outros metais para fazer ligas diferentes. Abaixo estão alguns exemplos. Clique no diagrama acima para ver uma versão maior.

Cobre + estanho = bronze estanho
Cobre + estanho + fósforo = bronze fósforo
Cobre + alumínio = bronze alumínio
Cobre + zinco = latão
Cobre + estanho + zinco = bronze pistola
Cobre + níquel = cobre-níquel
Cobre + níquel + zinco = prata níquel.

Para mais informações, ver o recurso Cobre em Cobre em Coinagem. Também pode ver as páginas da Copper Development Association em Cobre e suas Ligas.

Hygienic

Cobre é inerentemente higiénico, o que significa que é hostil a bactérias, vírus e fungos que se instalam na sua superfície. Esta propriedade está a ver a instalação de superfícies feitas de cobre e ligas de cobre em hospitais e outras áreas onde a higiene é uma preocupação fundamental.

Fácilmente unidas

Cobre pode ser facilmente unida por soldadura ou brasagem. Isto é útil para canalizações e para fazer recipientes de cobre selados.

Dúctil

Cobre é um metal dúctil. Isto significa que pode ser facilmente moldado em tubos e arrastado em arames. Os tubos de cobre são leves porque podem ter paredes finas. Não corroem e podem ser dobrados para encaixar nos cantos. Os tubos podem ser ligados por soldadura e são seguros em incêndios porque não ardem nem suportam combustão.

Tough

Cobre e ligas de cobre são resistentes. Isto significa que são bem adequadas para serem utilizadas em ferramentas e armas. Imagine a alegria do homem antigo quando descobriu que as suas pontas de flecha cuidadosamente formadas já não se estilhaçavam no impacto.

A propriedade da tenacidade é vital para o cobre e as ligas de cobre no mundo moderno. Elas não se estilhaçam quando caem ou se tornam quebradiças quando arrefecidas abaixo de 0°C.

Não-magnéticas

Cobre não é magnético e não tem fagulhas. Devido a isto, é utilizado em ferramentas especiais e aplicações militares.

Corante attractiva

Cobre e as suas ligas, tais como latão, são utilizadas para jóias e ornamentos. Têm uma cor dourada atraente que varia com o teor de cobre. Têm uma boa resistência ao manchamento, fazendo com que durem muito tempo.

Reciclável

Cobre pode ser reciclado sem qualquer perda de qualidade. Cerca de 40% da procura europeia é satisfeita a partir do cobre reciclado.

Para mais informações, ver o recurso Reciclagem de Cobre e Sustentabilidade.

Catalítico

Cobre pode actuar como catalisador – ou seja, uma substância que pode acelerar uma reacção química e melhorar a sua eficiência. Fá-lo através da redução da energia de activação. Os catalisadores em reacções biológicas são chamados enzimas.

Cobre acelera a reacção entre o zinco e o ácido sulfúrico diluído. É encontrado em algumas enzimas, uma das quais está envolvida na respiração. É realmente um elemento vital!