Propriétés et isotopes

Dans le tableau périodique des éléments ou tableau de Mendeleïev, le cuivre est un métal de transition. Cet élément est situé sur la période 4 et fait partie du groupe 11. Il appartient au bloc d des éléments chalcophiles, caractérisés par leur forte affinité pour le soufre. Cette propriété confère au cuivre des propriétés physiques remarquables pour l’industrie et l’électronique.

Le cuivre, l’argent et l’or appartiennent à la même famille. Cette similarité s’explique par leur configuration électronique. En effet, l’ensemble de ces éléments possède une orbitale s contenant un électron solitaire au sein des sous-couches p et d saturées. Cette configuration permet la formation de liaisons métalliques Ar 3d¹⁰ 4s¹, caractéristique commune à ces trois métaux.

Les métaux du groupe du cuivre se distinguent par leur caractère noble et leur rareté. Le cuivre se démarque par son rayon atomique réduit et son empilement compact d’atomes. Cette particularité lui confère des propriétés uniques, notamment sa conductivité électrique et thermique exceptionnelle. Sa composition atomique compacte offre une grande résistance mécanique et une bonne résistance à la corrosion.

Grâce à sa configuration électronique, le cuivre possède une capacité remarquablement élevée d’ionisation. Cette propriété s’explique en partie par la présence de sous-couches spécifiques qui contribuent à la stabilité de l’atome et à la résistance de celui-ci à la perte d’électrons. De plus, il possède un point de fusion relativement élevé ainsi qu’une inertie chimique appréciable. Il présente ainsi une réactivité chimique relativement faible.

Le point de fusion du cuivre est moyennement élevé et la réduction de l’oxyde de cuivre est relativement aisée. Ces propriétés spécifiques offrent une grande accessibilité et flexibilité dans son utilisation.

Le cuivre est un élément chimique qui possède sept isomères nucléaires, et 29 isotopes connus dont les nombres de masse varient de 52 à 80. Seuls deux isotopes sont stables, le ⁶³Cu et le ⁶⁵Cu qui représentent environ 70 % du cuivre naturel. Ils ont un spin nucléaire de 3/2 et une masse atomique standard de 63,546 u.

Les autres isotopes sont radioactifs et sont produits artificiellement. Le plus stable est le ⁶⁷Cu avec une demi-vie de 61,83 heures, tandis que le moins stable, le ⁵⁴Cu ne dispose approximativement que de 75 nanosecondes. La plupart des autres isotopes ont une demi-vie inférieure à une minute.

Histoire et découverte

Les découvertes archéologiques révèlent que la fusion du cuivre dans des fours à vent a été réalisée il y a environ 7 000 ans sur le site de Sialk III. Ce dernier est situé sur le plateau iranien et daté de la première moitié du V^e millénaire avant notre ère. Au fil du temps, l’extraction de minerai pour obtenir du cuivre est devenue courante dans plusieurs régions du monde, notamment en Eurasie et en Afrique. Les mines de malachite du Sinaï en Égypte antique ont notamment été exploitées à partir de 4 500 av. J.-C.

L’histoire antique du commerce du cuivre en Méditerranée est attachée à l’île de Chypre où les mines de cuivre ont été exploitées pour la première fois. Ces dernières ont permis à des civilisations anciennes méconnues, de prospérer avant les civilisations minoenne, mycénienne et phénicienne.

Associé à d’autres métaux dont l’étain, le cuivre a entraîné une évolution technologique majeure. Il s’agit de « l’âge du bronze » qui a eu lieu aux alentours de 2 300 ans avant notre ère. Cette alliance de métaux a permis la création d’objets de plus grande qualité et plus durable. Ainsi, l’utilisation du bronze en tant que matériau esthétique et pratique dans les domaines de l’art, de l’artisanat et de l’industrie a largement été répandue à partir de cette époque.

La maîtrise de cette technique a contribué à la fabrication de chefs-d’œuvre artistiques comme la statue-phare de Helios-Apollon sur l’île de Rhodes au IIIᵉ siècle av. J.-C. Cette statue, appelée le « colosse de Rhodes » était l’une des sept merveilles du monde antique.

Les propriétés uniques du bronze lui confèrent une résistance supérieure à celle du cuivre natif ou purifié, tout en étant plus fusible et résistant à la corrosion atmosphérique. Grâce à l’utilisation du bronze, d’innombrables objets ont été fabriqués : ustensiles, armes, objets d’art et grandes statues très détaillées, chandeliers ou grands vases, médailles et monnaie, etc.

Évolution de l’activité humaine et production

En avril 1996, l’édition de la revue « Science » présente une série d’articles élaborés par une équipe transdisciplinaire d’archéologues, de glaciologues, de physico-chimistes et d’historiens. Leur étude portait sur l’évolution de l’activité humaine et de la production industrielle à travers l’histoire. Grâce à des mesures spectrométriques de particules et de poussières de cuivre métallique, ainsi que de ses dérivés, capturées dans des échantillons de glace prélevés dans la calotte glaciaire du Groenland, les chercheurs ont établi les variations de production artisanale et proto-industrielle.

Les chercheurs ont analysé les échantillons de glace à l’aide de méthodes avancées de spectrométrie de masse, en utilisant notamment des techniques de datation par radiocarbone et d’analyse isotopique. Les résultats ont fourni des preuves tangibles quant à l’évolution de la production de cuivre et ses dérivés au cours de l’histoire. Les résultats obtenus ont également montré une augmentation significative de la production de cuivre au cours de la période médiévale, liée aux progrès dans la sidérurgie.

En parallèle, les pics de production de cuivre ont permis de comprendre l’importance de ce métal dans l’histoire, depuis l’introduction de la monnaie jusqu’à l’ouverture de mines comme celle de Falun en Suède. Les chercheurs ont utilisé des données remontant jusqu’à -5000 av. J.-C. Les pertes atmosphériques étaient de l’ordre de 15 % au début de la métallurgie généralisée vers -2500 av. J.-C. Ce chiffre a été ensuite réduit à seulement 0,25 % vers 1750 grâce aux progrès des procédés chimiques.

Selon les résultats des recherches, la production annuelle mondiale de cuivre aurait atteint son apogée au début du premier siècle de l’ère chrétienne, avec une production annuelle estimée à 15 kt. La production moyenne en Europe occidentale et centrale de la fin de l’Empire romain à l’aube du XVIII^e siècle était d’environ 2 kt. L’essor de la métallurgie chinoise a également eu un impact significatif. Elle a entraîné une production approximative de13 kt/an au XII^e et XIII^e siècles.

Terminologie

Les processus d’extraction, de raffinage et l’utilisation du cuivre ont conduit à la formation d’une terminologie qui lui est propre.

Le nom « cuivre » trouve son origine dans le mot latin « cuprum » dérivé de « aes Cyprium ». Cette expression signifie littéralement « métal de Chypre », une allusion à l’île de Chypre, connue pour sa riche exploitation de mines de cuivre natif. Avec le temps, le terme « cuprum » a évolué pour devenir le mot français « cuivre ».

Les adjectifs « cuivreux » et « cuprifère » sont communément utilisés pour décrire des matériaux ou des substances contenant du cuivre. Le premier peut prêter à confusion pour les chimistes puisqu’il désigne le cuivre dans son état d’oxydation I. En géosciences, « cuprifère » est utilisé pour décrire des gisements ou des roches contenant du cuivre. Il est donc essentiel de faire preuve de rigueur dans l’utilisation de ces termes afin d’éviter toute confusion ou incompréhension.

L’adjectif « cuivrique » désigne l’état d’oxydation II du cuivre qui est la forme la plus courante dans les solutions aqueuses. Enfin, les termes savants « cuprique » et « cupreux » sont également utilisés en référence au cuivre. Les racines latines « cupro- » ou « cupr- », trouvent leur application dans une pléthore d’appellations chimiques et techniques liées à ce métal.

De manière générale, le terme « cuprique » désigne le caractère du cuivre alors que l’adjectif « cupreux » renvoie à la présence de ce métal. Ils sont employés dans des contextes scientifiques et techniques pour décrire les propriétés du cuivre, comme sa conductivité électrique et thermique, sa résistance à la corrosion et son pouvoir catalytique.

Cuivre natif

Le cuivre natif est un minéral qui se trouve dans des zones où l’hydrothermalisme est très actif et où les roches magmatiques basiques sont présentes.

Les gisements de cuivre natif se trouvent principalement dans des zones poreuses de basalte où les réactions entre les solutions hydrothermales et les minerais ferrifères produisent le minéral. La presqu’île de Keweenaw des États-Unis se caractérise par des couches de basalte qui alternent avec des grès et des conglomérats. Les cavités présentes dans cette région sont remplies de cuivre en association avec des minéraux tels que l’épidote, la calcite, des zéolites, une faible quantité d’argent et des minéraux cuprifères. Une importante masse de cuivre natif a été découverte dans cette région, notamment dans l’État du Michigan où un bloc fractal interne et externe d’au moins 420 kg de cuivre a été identifié parmi des amas de forte puissance au bord du lac Supérieur.

Le cuivre natif se trouve également dans des formations géologiques telles que les grès et les schistes. Son origine est probablement liée à des processus hydrothermaux. De plus, il est présent en faibles quantités dans certains types de météorites.

De nombreux sites miniers de cuivre natif sont réputés pour leur qualité exceptionnelle à travers le monde. En Bolivie, ce minéral a été décelé dans la région de Coro-Coro, dans la province de Pacajes, dans le département de La Paz. Au Canada, des gisements de cuivre natif ont été découverts dans la région des Appalaches, au Québec. Aux États-Unis, des gisements de cuivre natif ont été identifiés dans le Lac –Supérieur, dans le Michigan. En France, du cuivre natif a été trouvé dans plusieurs régions : dans les Hautes-Alpes, les Alpes-Maritimes, dans le Rhône et dans le Tarn. En Pologne, le bassin de Lubin, en Basse-Silésie, recèle un gisement de cuivre natif.

Minéraux

Le cuivre est un élément chimique largement répandu dans la croûte terrestre et se trouve sous forme de sulfures tels que la covelline, la bornite et la chalcopyrite. Il existe également des sulfures de cuivre complexes tels que la tétraédrite et la tennantite qui contiennent de l’arsenic et/ou de l’antimoine.

Les sulfosels comprennent l’énargite, la ménéghinite et la lengenbachite. L’énargite est utilisée dans la production de cuivre pour sa teneur élevée en cuivre et sa capacité à être transformée en un concentré de haute qualité. La ménéghinite et la lengenbachite sont employées pour leur conductivité et leur résistance aux températures élevées dans la production de matériaux semi-conducteurs.

Par ailleurs, le cuivre réagit avec l’oxygène pour former des ions cuivreux et cuivriques tels que la cuprite et la ténorite.

Les minéraux de cuivre courants comprennent des carbonates tels que l’aurichalcite, la malachite et l’azurite.

Les silicates incluent la kinoïte, la dioptase et la chrysocolle. Les chlorures et autres halogénures de cuivre comprennent la botallackite, la boléite et l’atacamite.

Il existe des sulfates de cuivre tels que la kröhnkite, la langite et la brochantite ainsi que des phosphates tels que la torbernite, qui est un phosphate d’uranium et de cuivre.

Minéraux rares associés

Il existe des minéraux rares associés au cuivre présentant des propriétés uniques. Parmi ceux-ci peuvent être citées la berzélianite, un séléniure de cuivre, et la rickardite, un tellurure de cuivre. La quetzalcoatlite, une variété complexe de minéral associant une hydroxy-tellurite de cuivre et de zinc ainsi qu’un chlorure de plomb et d’argent, suscite également l’intérêt des scientifiques.

Les autres minéraux rares connus comprennent :

• la szenicsite, un hydroxy-molybdate de cuivre,
• la stranskiite, un arséniate de cuivre et de zinc,
• la cornubite, l’euchroïte et l’olivénite, qui sont des hydroxy-arséniates de cuivre,
• la bayldonite, un hydroxy-arséniate de plomb et de cuivre hydraté,
• la mixite, un hydroxy-arséniate de cuivre et de bismuth trihydraté.

Exploitation du cuivre dans le monde

Les gisements de minerais de cuivre ont été une source de cuivre utilisé dans de nombreux domaines. Depuis l’Antiquité, Chypre est reconnue pour son abondance en cuivre qui a été extrait en quantités considérables de ses terres fertiles. L’île, surnommée « l’île aux mille mines », a été un centre de production et de commerce de ce métal, jouant un rôle crucial dans l’économie et la culture de la région. Cette riche histoire de l’extraction du cuivre a laissé une empreinte durable sur l’île qui continue de se développer dans le secteur minier et de fournir des matières premières de qualité supérieure. Jusqu’au Moyen Âge, les mines de cuivre gris ont été exploitées.

La majeure partie de la production de cuivre provient de l’extraction de roches contenant de la chalcopyrite et de sulfures. Dans les vastes mines à ciel ouvert ainsi que les filons de porphyre cuprifère, la teneur en cuivre des minerais varie de 0,4 à 1,0 %. Les minerais riches en stériles sont plus oxydés en surface, mais conservent leur teneur en soufre en profondeur.

Au cours des années 1990, les mines de cuivre fournissent une teneur minimale de 0,5 % en masse et une teneur moyenne d’au moins 1 %. Le cuivre le plus pur provenait des mines de Kennecott en Alaska, qui ont été exploitées jusque dans les années 1940.

La mine de Chuquicamata au Chili, située dans le désert d’Atacama, à une altitude de 2 800 mètres, est considérée comme la plus grande mine de cuivre à ciel ouvert au monde à la fin des années 2000. Cette mine impressionnante est un symbole de l’industrie minière chilienne qui a joué un rôle clé dans l’économie du pays pendant des décennies. Ses réserves sont estimées à plus de 70 millions de tonnes.

Le Bingham Canyon Mine, dans l’Utah, ainsi que El Chino Mine, au Nouveau-Mexique, toutes deux situées aux États-Unis, sont également des mines de cuivre de grande envergure. Ces gisements ont une longue histoire d’exploitation de cuivre et sont considérés comme des piliers de l’économie minière américaine.

Selon les données du British Geological Survey, le Chili était en 2005 le premier producteur de cuivre au monde avec au moins 30 % de la production mondiale. Viennent ensuite  les États-Unis, l’Indonésie et le Pérou.

L’exploitation des nodules polymétalliques situés dans les fonds marins représente une source potentielle de cuivre encore peu exploitée et largement méconnue. Cette activité demeure confidentielle et suscite un intérêt grandissant de la part des industries minières et des investisseurs qui cherchent à diversifier leurs sources d’approvisionnement en métaux stratégiques.

Propriétés mécaniques

Le cuivre est un métal très prisé dans l’industrie pour ses nombreuses propriétés. Il est utilisé pour sa ductilité et sa maniabilité qui le rendent facile à travailler. Le métal se rencontre usuellement sous forme polycristalline à grains fins, ce qui lui confère une solidité supérieure à celle des métaux monocristallins. En effet, les métaux polycristallins sont plus résistants aux contraintes et aux fissures. Ils sont ainsi plus durables et plus fiables pour les applications industrielles. Si le cuivre présente une faible résistance à la traction, il affiche un allongement important avant la rupture. Il s’agit du métal le plus tenace après le fer.

Les propriétés mécaniques du cuivre ont été confirmées par des méthodes de mise en forme anciennes telles que le martelage au repoussé à froid et à chaud. Selon les résultats des expérimentations, la densité pratique du métal fondu est d’environ 8,8 à 8,9, mais elle peut augmenter jusqu’à 8,95 par le laminage. L’écrouissage est une autre technique qui permet de le rendre à la fois élastique et dur, offrant ainsi une grande résistance mécanique.

Parmi les métaux purs, seuls le cuivre, l’or, le césium et l’osmium présentent une couleur autre que l’argent ou le gris. Le cuivre est connu pour sa couleur orangée, brune ou rougeâtre qui est due à une fine couche en surface contenant des oxydes. Quant au cuivre pur, il est de couleur rose saumon.

La couleur distinctive du cuivre est due à sa structure électronique unique. En effet, contrairement à la loi de Madelung, au lieu de deux électrons, le cuivre n’en possède qu’un dans sa sous-couche 4s. Ainsi, lorsqu’un photon de lumière bleue ou violette frappe cet élément chimique, l’électron de la couche d absorbe l’énergie et effectue une transition vers la couche s qui n’est que partiellement occupée. Par conséquent, la lumière réfléchie par le cuivre manque de certaines longueurs d’onde violettes et bleues, ce qui donne l’apparence rougeâtre. Cette explication est également valable pour l’or, qui possède une structure électronique similaire 5s/4d. Le cuivre liquide présente une teinte verdâtre lorsqu’il est observé dans des conditions de faible luminosité, tout comme l’or.

Propriétés électriques et thermiques

L’or, l’argent et  le cuivre partagent une structure électronique semblable qui leur confère des propriétés communes, telles qu’une conductivité thermique et électrique élevée ainsi qu’une malléabilité remarquable. Parmi les métaux purs à température ambiante, le cuivre est le deuxième conducteur le plus efficace après l’argent, avec une conductivité de 59,6 × 10⁶ S/m. Celle-ci est due à la participation de tous les électrons de valence (un par atome) dans la conduction, créant ainsi des électrons libres qui donnent au cuivre une densité de charges importante de 13,6 × 10⁹ C/m³.

Cette densité de charges élevée est responsable de la faible vitesse de glissement des courants dans un câble de cuivre, calculée en fonction de la densité de courant par rapport à la densité de charges. Pour une densité de courant de 5 × 106 A·m^-2, qui est la densité de courant maximale généralement présente dans les réseaux de transport et les circuits domestiques, la vitesse de glissement est légèrement supérieure à ¹⁄₃ mm/s.

Toutefois, la résistivité du cuivre varie avec la présence des impuretés, leur taux peut entraîner une diminution significative de la résistance électrique. Le cuivre pur est très utilisé pour la fabrication de câbles électriques, de lignes aériennes et de câbles sous-marins en raison de sa conductivité élevée. En effet, bien qu’il soit moins performant que l’argent, il minimise les pertes d’énergie et améliore l’efficacité globale du système électrique. Grâce à ses propriétés électriques exceptionnelles, le cuivre est un métal de choix fiable et efficace pour les applications électriques. Il permet d’améliorer la qualité ainsi que l’efficacité des équipements électriques.

La conductivité électrique, également connue sous le nom de résistivité inverse, est exprimée en pourcentage IACS (International Annealed Copper Standard). Celle d’un fil de cuivre pur à l’état recuit, à une température de 20 °C est de 1,724 × 10⁻⁸ Ω m. Cette mesure sert d’étalon en physique.

Le cuivre possède des propriétés catalytiques avérées dans de nombreuses réactions thermiques. Il est ainsi fréquemment utilisé dans la fabrication de réfrigérants pour les brasseries ou encore de chaudières d’évaporation.

Le point de fusion du cuivre est situé à 1 085 °C et son point d’ébullition à 2 562 °C. Sa vapeur brûle avec une flamme verte qui permet de le détecter facilement en spectrométrie ou par simple test de flamme.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du cuivre sont les caractéristiques qui définissent sa réactivité et sa capacité à former des liaisons avec d’autres éléments.

Réaction avec l’air et les liquides

Le cuivre est un métal connu pour sa résistance à l’oxydation dans l’air sec et l’oxygène gazeux. La présence de traces d’eau et celle de dioxyde de carbone peuvent initier une altération du métal. Cette réaction se produit notamment dans des environnements industriels et marins où l’air contient une quantité notable de dioxyde de carbone.

En présence de dioxyde de carbone, une couche de carbonate de cuivre se forme à la surface du métal qui le protège contre une oxydation plus poussée. Cette réaction forme une couche d’oxyde de cuivre brun-noir ou d’hydroxycarbonate appelée vert-de-gris. Elle a une nature passivante et agit en partie comme une patine protectrice. Toutefois, dans les environnements marins et salins où des chlorures sont présents ou encore dans les environnements industriels avec une abondance de sulfates, d’autres composés peuvent se former, tels que l’hydroxychlorure de cuivre et l’hydroxysulfate de cuivre. Ces derniers peuvent avoir un impact sur la durabilité et la résistance du matériau.

Contrairement à l’oxydation du fer en présence d’une atmosphère humide, la formation d’une couche d’oxyde sur la surface du cuivre empêche toute corrosion en profondeur. En effet, cette couche protectrice agit comme une barrière contre les éléments corrosifs, prolongeant ainsi sa durée de vie.

En l’absence de dioxyde de carbone, l’oxydation du cuivre ne commence qu’à une température de 120 °C. Cela signifie que l’effet de l’eau n’est visible que lorsqu’elle est présente sous forme de vapeur à des températures élevées.

De surcroît, le métal subit une altération lorsqu’il est exposé à l’eau acidulée. En effet, l’oxydation est accélérée par la présence de l’air qui entraîne une détérioration du matériau. D’une part, le vinaigre a la particularité de former des oxydes de cuivre solubles. D’autre part, certains corps gras contenant des fonctions acides ou oxydantes peuvent également laisser des traces.

Réaction avec les sulfures

Le cuivre réagit avec des solutions contenant du sulfure d’hydrogène, et forme une couche de sulfures de cuivre à sa surface. Cette réaction peut également causer la corrosion du métal en raison de son avilissement de potentiel par rapport à l’hydrogène. Cette réaction s’observe lorsque les objets en cuivre ternissent après exposition à l’air contenant des sulfures.

Pour détecter la présence du cuivre, la méthode de précipitation des sulfures de cuivre est très utilisée en laboratoire. Cette réaction est assez lente à température ambiante (20 °C), plus efficace à température élevée (100 °C) et extrêmement rapide à température très élevée (550 °C).

Réaction avec les acides

Le cuivre est généralement sensible à l’attaque des acides oxydants ainsi que d’autres acides en présence de gaz oxygène dissous. En revanche, il ne réagit pas à l’acide sulfurique concentré à froid, mais seulement à une haute concentration d’acide chauffé. Cette réaction entraîne la formation d’acide sulfureux en phase gazeuse et de sulfates d’oxyde de cuivre.

À température ambiante, le cuivre n’est pas affecté par l’acide chlorhydrique concentré en milieu aqueux. En effet, sa solubilité y est très faible. Cependant, il peut être dissous dans d’autres acides halogénohydriques tels que l’acide bromhydrique (HBr) et l’acide iodhydrique (HI).

L’acide nitrique est considéré comme le dissolvant le plus efficace pour le cuivre. La réaction chimique s’effectue même dans un milieu dilué. Cette propriété explique la procédure graphique de gravure sur cuivre réalisée à l’eau-forte.

Dans un milieu concentré, la réaction entre le cuivre solide métallique et l’acide nitrique aqueux se traduit par l’équation :

Cu _{solide métal} + 4 HNO_{3 aqueux, concentré} → Cu(NO₃)_{2 aqueux} + 2 NO_{2 gaz} + 2 H₂O _eau.

En milieu dilué, la réaction est différente et se traduit par l’équation suivante :

3 Cu _{solide métal} + 8 HNO_{3 aqueux, dilué} → 3 Cu(NO₃)_{2 aqueux} + 2 NO _gaz + 4 H₂O_eau.

Lorsque le cuivre est exposé à une combinaison d’acide chlorhydrique et d’oxygène, il génère une gamme de chlorures de cuivre. Le chlorure de cuivre (II), qui se présente sous forme de cristaux bleus ou verts, peut subir une réaction de rétrodismutation quand il est chauffé à ébullition en présence de cuivre métallique. Cette réaction conduit à la production d’un chlorure de cuivre (I) blanc, qui est un composé chimique inorganique de formule CuCl₂.

Le métal peut être transformé en sel par le biais d’une réaction chimique impliquant une solution acide de peroxyde d’hydrogène :

Cu + 2 HCl + H₂O₂ → CuCl₂ + 2 H₂O.

Réaction avec l’ammoniac

Lorsque l’ammoniaque entre en contact avec le cuivre métal et l’air, une réaction d’oxydation se produit, altérant ainsi la structure du cuivre. Cette réaction complexe conduit à la formation d’un composé soluble d’oxyde de cuivre ainsi que du nitrate d’ammonium. Le processus de dissolution du métal dans les solutions aqueuses d’ammoniac avec présence d’oxygène s’opère graduellement pour former des composés hydrosolubles.

En présence d’une solution concentrée d’ammoniaque, le cuivre se dissout facilement, générant une solution bleutée communément appelée “liqueur de Schweitzer”. Elle est composée du cation complexé Cu(NH₃)₄²⁺ ou du Cu(NH₃)₄(H₂0))²⁺ en milieu basique. Cette liqueur possède la capacité de dissoudre la cellulose et les fibres cellulosiques telles que le coton.

Propriétés catalytiques

Le cuivre est un matériau doté de propriétés catalytiques remarquables, en particulier sous forme de poudre. Il est ainsi possible d’obtenir des taux de conversion plus élevés et des temps de réaction plus courts grâce au cuivre dans certaines réactions. Le cuivre est également utilisé sous forme de complexes organométalliques qui possèdent des propriétés catalytiques encore plus spécifiques. Cette propriété catalytique du cuivre est le fruit de sa structure cristalline particulière. En effet, le cuivre possède une structure cubique centrée sur les faces qui lui confèrent une grande stabilité et une grande densité d’électrons. Cette structure lui permet également d’interagir avec les réactifs de manière efficace et de favoriser les réactions chimiques.

Réaction électrochimique

La réaction électrochimique du cuivre est un processus complexe qui implique des échanges d’électrons entre les atomes de cuivre et les ions présents dans la solution. Cette réaction peut être observée lors de la corrosion du cuivre ou lors de la production d’électricité à partir de piles électrochimiques.

Dans les piles électrochimiques, la réaction électrochimique du cuivre est utilisée pour produire de l’électricité. Deux électrodes sont placées dans une solution électrolytique : l’anode et la cathode. Lorsque la pile est connectée à un circuit électrique, les électrons sont transférés de l’anode à la cathode produisant ainsi un courant électrique.

Extraction à partir de minerais soufrés primaires

Les minerais soufrés primaires sont à l’origine de plus de 80 % de la production mondiale de cuivre. La méthode de pyrométallurgie est utilisée pour en extraire le cuivre. Ils contiennent également d’autres métaux tels que le cobalt, le fer, le zinc, le nickel, le plomb et le molybdène, ainsi que des métaux précieux tels que le platine, l’or, l’argent et les platinoïdes. Ces métaux précieux peuvent être récupérés dans les boues anodiques. D’autres éléments tels que le germanium, le sélénium, le tellure et l’arsenic peuvent également être présents dans ces minerais.

Extraction à partir de minerais oxygénés secondaires

Les minerais oxygénés secondaires tels que la cuprite, l’azurite et la malachite ont ouvert la voie à une nouvelle méthode de traitement du cuivre appelée hydrométallurgie. L’ion cuprique est dissous dans un solvant organique, tel que le kérosène, grâce à l’utilisation d’agents extractants tels que l’hydroxyquinoléine ou l’hydroxyoxime.

L’étape suivante consiste en un traitement de stripping pour obtenir des solutions riches en ions cupriques. Elles peuvent ensuite être séparées par électrodéposition ou par cémentation en utilisant des déchets d’acier comme réactifs.

Le premier procédé électrolytique permet d’obtenir du « cuivre rouge » de grande pureté, atteignant parfois 99,9 % de cuivre. Le second produit du cuivre contenant des impuretés de fer, qui nécessite un processus d’affinage électrolytique supplémentaire pour obtenir une qualité de cuivre plus élevée.

Affinage

L’affinage du cuivre peut être effectué selon deux méthodes : thermique ou électrolytique. La méthode thermique implique la fusion du cuivre impur pour en éliminer une partie des impuretés. Cependant, cette technique ancienne nécessite une oxydation et un traitement dans un bain de métal liquide pour éliminer les oxydes volatils restants, ce qui en fait un processus coûteux. Par exemple, la fusion du blister est une méthode courante qui permet d’oxyder les impuretés telles que l’arsenic, l’antimoine et le soufre sous forme d’oxydes volatils.

Une autre technique, appelée perchage, consiste à utiliser des perches ou des troncs de bois vert, des hydrocarbures liquides ou gazeux pour éliminer l’oxygène présent dans le métal. Cette méthode permet de purifier le matériau en éliminant l’oxygène sous forme de monoxyde de carbone et de vapeur d’eau. Les avancées technologiques ont permis de développer des méthodes plus efficaces et moins coûteuses pour affiner le cuivre, notamment la méthode électrolytique qui utilise un bain électrolytique pour éliminer les impuretés du cuivre.

Le processus industriel d’affinage du cuivre est principalement réalisé par électrolyse d’anodes de cuivre brut ou de blister contenant de l’argent, du fer et d’autres impuretés. L’électrolyse est effectuée dans une solution de sulfate de cuivre et d’acide sulfurique qui permet de séparer le cuivre pur des autres éléments.

Au cours de ce processus, les ions cuivre (Cu²⁺) sont réduits en cuivre métallique (Cu⁰ _métal) grâce à l’apport d’électrons (2 e⁻).

Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu⁰ _métal avec un potentiel d’électrode normal ε⁰ de l’ordre de 0,34 V

Les ions de cuivre ont tendance à migrer vers la cathode, tandis que les métaux nobles comme l’argent restent piégés dans les boues anodiques au fond du compartiment de l’anode. Les impuretés, telles que le fer oxydé en ions ferreux, demeurent dans le bain d’électrolyse.

Cette technique permet d’obtenir du métal pur à un taux de 99,9 % à 99,95 %. Cependant, il peut y avoir des imperfections telles que des pores ou des inclusions d’électrolytes dans le matériau final. Afin de remédier à ces défauts, le cuivre est fondu dans un four sous différentes atmosphères contrôlées, ajoutées de phosphore P, par exemple, pour la désoxydation ou à l’air. Les coulées de billettes, de plaques ou de fils de cuivre sont ensuite transformées en demi-produits pour une utilisation ultérieure.

Les experts savent qu’il existe plusieurs variantes de cuivre selon les normes nationales, comme la norme NF A50-050. Ces variantes sont classées en différentes catégories, notamment avec oxygène, sans oxygène, désoxygéné sans traces de désoxygénants et désoxygéné avec reliquat désoxygénant.

Formes commerciales

Le cuivre est un matériau très polyvalent qui peut être utilisé sous différentes formes telles que les cylindres, les tubes ou les fils pour répondre à des besoins spécifiques. En plus de ces formats, il est possible de se procurer du cuivre sous forme de tôles pleines ou perforées, de plaques et de barres pleines. Les barres peuvent être pleines, perforées, carrées, rondes ou méplates, taraudées, souples isolées. D’autres options incluent des fils trolley, des bandes paratonnerre, des bandes spécifiques pour câbles ou transformateurs, des disques pour emboutissage, etc.

Le cuivre recyclé peut être transformé en grenailles de différentes qualités et tailles pour être revendu sur le marché. Les entreprises de recyclage de cuivre sont en mesure de produire des grenailles de très grande qualité en utilisant des techniques de traitement avancées pour éliminer les impuretés et les contaminants.

Le cuivre en fonderie

Le cuivre présente une caractéristique particulière : à environ 830 °C, il devient plus mou. Il fond à une température de 1 085 °C. Par ailleurs, ce matériau présente quelques contraintes lorsqu’il s’agit de le mouler en fonderie. En effet, si la température de la coulée est trop basse, un rapide refroidissement peut empêcher le métal coulé de prendre l’empreinte du moule. À l’inverse, si la coulée est trop chaude, des soufflures peuvent apparaître sur le cuivre après refroidissement. Pour pallier ces difficultés, les industries et les artisans ont développé des alliages précis depuis longtemps.

Alliages : histoire et utilisations

Dès les premières civilisations, l’homme a cherché à améliorer les propriétés des métaux, notamment leur point de fusion et leur dureté, afin de les rendre plus adaptés à leurs besoins. Les premiers alliages ont ainsi été créés par essais et erreurs, sans que l’on comprenne réellement leur composition chimique. Certains ont été obtenus directement à partir de minerais et étaient considérés comme des métaux singuliers, tels que les bronzes antiques obtenus à partir de l’étain ou les laitons anciens, eux-mêmes, obtenus à partir de zinc.

Histoire des alliages

Le cuivre est un métal qui a été utilisé depuis l’Antiquité pour la fabrication d’outils, d’armes et d’objets divers. Les Romains ont utilisé le cuivre sous forme de morceaux comme monnaie. Au fil du temps, la forme et l’apparence se sont affinées pour devenir des pièces de monnaie.

Sous l’Empire romain, les Grecs et les Romains exploitent le laiton, un alliage de cuivre et de zinc, en complément du bronze. Les Romains utilisaient l’airain, une variété de bronze, pour fabriquer des ustensiles, des armes et d’autres objets.

Les Amérindiens ont également pratiqué une métallurgie anecdotique pour extraire le cuivre à partir de sites tels que l’Isle Royale. En Amérique du Sud, en particulier au Pérou, l’industrie du cuivre était florissante vers le début du premier millénaire de notre ère.

Le bronze corinthien était particulièrement apprécié à Alexandrie où l’alchimie aurait éclos selon certains. Le cuivre a également été utilisé en médecine holistique ayurvédique et les anciens Égyptiens s’en servaient pour stériliser l’eau et  les blessures.

Dans le royaume de Francie orientale, la lignée d’Henri, souverain saxon, a prospéré grâce aux mines cuprifères de Frankenberg.

Principaux alliages

Les alliages de cuivre sont utilisés dans de nombreux domaines et parmi les plus connus, le bronze (cuivre-étain) et le laiton (cuivre-zinc) peuvent être cités. Ces alliages ont été élaborés bien en amont des premières coulées de cuivre pur.

Voici une liste des alliages les plus couramment utilisés :

• Airain : un alliage de cuivre, d’étain et de zinc, utilisé dans la fabrication d’instruments de musique et d’objets décoratifs.
• Laiton : un alliage de cuivre et de zinc, utilisé dans la fabrication de pièces de quincaillerie, de bijoux et de munitions.
• Cupronickel : un alliage de cuivre et de nickel, utilisé dans la fabrication de pièces de monnaie, de tubes de refroidissement et de tuyaux de frein.
• Bronze : un alliage de cuivre et d’étain, utilisé dans la fabrication de sculptures, d’outils et de pièces de quincaillerie.
• Zamak : un alliage de zinc, d’aluminium et de magnésium, utilisé dans la fabrication de pièces moulées sous pression pour l’automobile, l’électronique et les appareils ménagers.

Laiton

Le laiton est utilisé comme conducteur électrique dans l’industrie électrotechnique, en particulier sous forme de laiton rouge ou de tombac. Les fonts baptismaux de la collégiale Saint-Barthélemy de Liège ont notamment révélé aux chercheurs que le laiton est plus facile à travailler que le cuivre pur et le zinc pur séparément. Il se retrouve également dans les pièces de frottement et d’usure qui sont étudiées dans le domaine de la tribologie.

Les laitons sont des alliages ductiles et malléables à froid, qui présentent une teinte dorée plus ou moins prononcée en fonction de leur teneur en cuivre. Cette couleur est très appréciée dans la fabrication de meubles flambeaux et de garnitures de lampes, ainsi que dans la création de faux-bijoux, qui étaient autrefois réalisés à partir de chrysocolle ou d’or de Mannheim. Toutefois, les laitons peuvent laisser une odeur désagréable sur les doigts de ceux qui les manipulent.

Les laitons ont été et sont encore utilisés dans de nombreux domaines. Dans la marine, les supports d’instruments étaient souvent réalisés en laiton jaune contenant entre 20 et 40 % de zinc, tandis que les sextants étaient plutôt en laiton blanc contenant 80 % de zinc.

Bronze

Aujourd’hui, les bronzes modernes sont des alliages à composition définie de cuivre et d’étain. Ils ont une grande variété d’applications, allant des robinets et vannes aux médailles et monnaies, en passant par les composants d’objets d’art et les socles lourds.

Les bronzes contenant jusqu’à 3 % de phosphore ont une dureté considérablement augmentée, tandis que le bronze phosphoreux à 0,5 % de phosphore et 7 % d’étain présente un meilleur comportement lors de la fusion et une oxydation réduite. Ces alliages sont particulièrement utiles dans les applications où les résistances à l’usure et à la corrosion sont primordiales.

Le bronze d’aluminium est un autre alliage contenant entre 5 et 10 % d’aluminium et de cuivre. Il est utilisé comme matériau pour la fabrication d’instruments résistants à la corrosion marine, de valves et de pompes.

Autres alliages

D’autres alliages de cuivre moins connus incluent le cuproaluminium, le cunife, le maillechort et le tombac. Chacun de ces alliages a des propriétés qui les rendent adaptés à des utilisations spécifiques. Par ailleurs, le cuivre est un élément essentiel dans la composition des alliages à mémoire de forme.

Par exemple, le maillechort est utilisé dans la fabrication de couverts et de bijoux pour sa couleur argentée et sa résistance à la corrosion.Les alliages de cuivre tels que le tombac ou le laiton rouge avec une teneur en zinc de 20 % sont utilisés pour la fabrication d’instruments de musique comme les cymbales, les timbales et les cloches. Le tombac en particulier est utilisé pour les pièces de bijouterie et les cartouches d’armes à feu.

L’utilisation d’un mélange de zinc et de nickel avec le cuivre permet de produire des maillechorts. Ces alliages sont composés de 20 à 28 % de zinc et de 9 à 26 % de nickel. Les maillechorts sont très appréciés dans la fabrication d’ustensiles de cuisine ainsi que de pièces de sellerie et d’éperons. Ils sont également utilisés pour la production d’instruments d’optique et de mécanique de précision. Enfin, ils servent également à la production de monnaies.

Les alliages de cuivre et de nickel sont couramment appelés cupronickels. Le Monel, un alliage contenant entre 65 et 70 % de nickel, a été utilisé comme monnaie dans le passé. Les cupronickels contenant des quantités plus faibles de nickel sont, eux, utilisés dans les laboratoires de chimie et pour la production de résistances de précision. Le constantan, un alliage contenant 40 % de nickel, est réputé pour sa résistance électrique constante, quelle que soit la température. Ces alliages sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels en raison de leurs propriétés uniques et de leur résistance à la corrosion.

En plus du nickel, de l’étain et du zinc, les alliages de cuivre peuvent également contenir de l’or, de l’argent, du plomb ou de faibles quantités de silicium  et d’aluminium. Ces éléments sont souvent ajoutés pour améliorer les propriétés des alliages de cuivre, telles que la résistance à la corrosion, la conductivité électrique et thermique, la dureté et la ductilité.

L’or anglais, un alliage coûteux, est formé par la combinaison de cuivre, d’or et d’argent, qui peuvent être mélangés en toutes proportions. Le cuivre pur ou légèrement allié présente en outre des propriétés mécaniques satisfaisantes pour les pièces mécaniques, mais sa densité élevée peut limiter son utilisation.

Les alliages antifriction sont obtenus en ajoutant du plomb, généralement à hauteur de 10 à 30 %, ainsi que de 7 % d’étain. Les alliages de brasure à base d’argent ont la particularité de fondre à des températures relativement basses, jusqu’à 607 °C.

Le cuivre au tellure est un matériau métallique idéal pour le décolletage ou la fabrication rapide et précise de pièces par usinage, ainsi que pour le matriçage à chaud. Il peut aussi être utilisé en soudage par buse plasma pour les connexions électriques des batteries et la boulonnerie. Le cuivre au soufre est utilisé pour ces mêmes applications mais moins souvent. L’oxyde de cuivre est souvent employé pour les pièces qui doivent résister à la corrosion.

Cuivre (I)

Le cuivre se présente principalement sous forme de cuivre(I) dans les gisements. L’oxyde de cuivre Cu₂O, qui est rouge et insoluble dans l’eau, est la forme la plus courante. Quant aux sels cuivreux anhydres, ils sont blancs.

L’ion Cu⁺ est diamagnétique et incolore, avec un rayon ionique relativement important de 0,91 Å. Bien qu’il ne forme pas d’hydrates stables, il est présent sous forme de complexes qui ne sont pas tous stables. Cependant, il est rare ou inexistant en solution aqueuse, puisque ce cation est facilement soumis à la dismutation ou à l’oxydation en solution. Le potentiel d’électrode normal ε0 du Cu⁺ est d’environ 0,52 V.

L’équilibre de la réaction globale peut être illustré par un exemple en solution aqueuse portée à ébullition en milieu chlorure concentré. Concrètement, la réaction globale en équilibre entre le Cu _{métal en excès} et le Cu métal en excès avec 4 Cl⁻ _{chlorure en excès} produit le complexe de cuivre (I) en milieu aqueux, représenté par 2 Cu₂Cl⁻ .

La dilution des ions chlorures entraîne la précipitation du chlorure cupreux de formule simplifiée CuCl. Cette réaction a lieu selon l’équation :

Cu₂Cl⁻ _aqueux + H₂O → CuCl_{précipité solide} + Cl⁻, avec une constante d’équilibre K_s ≈ 6,5 × 10⁻²

Les composés du cuivre sont souvent peu solubles, instables et non stœchiométriques. Ils sont quasiment insolubles dans l’eau. Toutefois, certains complexes du cuivre sont stables. L’ion cuivreux présente certaines propriétés similaires aux cations Hg₂²⁺, Tl⁺, Ag⁺.

L’oxyde Cu₂O est de couleur rouge qui possède des propriétés basiques. Il est capable de réagir avec des acides halogénés tels que HX, où X représente le chlore (Cl), le brome (Br) ou l’iode (I). Cette réaction conduit à la formation d’halogénures de cuivre qui sont généralement peu solubles dans l’eau et se présentent sous forme de précipités.

Les halogénures cuivreux, tels que le CuCl, le CuBr et le CuI, sont des sels anhydres blancs qui présentent une structure cristalline de type blende avec un nombre de coordination de 4. Ils sont semi-conducteurs et ont une faible solubilité dans l’eau. Cependant, contrairement aux autres halogénures cuivreux, le fluorure de cuivre n’est pas connu. Le chlorure de cuivre existe sous forme de monomère ou de dimère Cu₂Cl₂ à l’état solide. En solution HCl, il se présente sous forme de précipité CuCl ou sous forme d’ion complexe CuCl₂⁻. À l’état gazeux, il se présente comme un mélange de monomère, de dimère et de trimère. L’ion complexe CuCl₂⁻ peut se lier au gaz monoxyde de carbone (CO), ce qui explique son absorption.

La détection de sucres est couramment effectuée en utilisant leur capacité à convertir les composés de cuivre (II) bleus en composés d’oxyde de cuivre(I) (Cu₂O), comme le réactif de Benedict. Cette méthode est également applicable à la liqueur de Fehling, où les ions cupreux sont réduits par les sucres en Cu₂O, un oxyde de couleur rouge brique. Cette réaction chimique est basée sur la potentialité des sucres à agir comme agents réducteurs en donnant des électrons aux ions cuivre (II). Cette réduction conduit à la formation de Cu₂O qui est facilement observable en raison de sa couleur caractéristique.

L’oxyde de cuivre (I) formé est identifiable grâce à sa couleur rougeâtre distinctive. Cette méthode est particulièrement utile pour détecter des niveaux élevés de cuivre dans les urines. Des taux anormalement élevés peuvent être associés à des maladies telles que la maladie de Wilson ou la maladie de Menkes. La cuprémie peut également être utilisée pour surveiller l’efficacité du traitement. En résumé, la recherche qualitative et quantitative de cuivre dans les urines est utilisée pour diagnostiquer et surveiller les maladies associées à une accumulation anormale de cuivre dans le corps.

Le procédé le plus courant consiste à utiliser un milieu basique concentré pour provoquer la formation d’un dépôt d’oxyde cupreux. Cette réaction chimique peut être représentée par l’équation suivante :

2 Cu²⁺ + 4 HO⁻ → Cu^I₂O _{précipité d’oxyde de cuivre (I)} + 2 H₂O + ½ O_{2 gaz}

Le processus de production du sulfure cupreux implique la réaction du cuivre métallique avec le soufre à une température élevée, généralement autour de 900°C. Cette réaction produit du sulfure cupreux sous forme de cristaux noirs ou gris foncé. Le sulfure cupreux est utilisé dans la production de pigments pour la peinture et la céramique, ainsi que dans la fabrication de semi-conducteurs.

La production d’oxyde cupreux suit un processus similaire, mais implique la réaction du cuivre avec le dioxygène à des températures élevées, généralement autour de 1100°C. Cette réaction produit de l’oxyde cupreux sous forme de poudre rouge-brun. L’oxyde cupreux est souvent utilisé dans la production de batteries, de semi-conducteurs et de matériaux magnétiques.

En chimie des matériaux, les chercheurs continuent de travailler sur de nouvelles méthodes pour produire de sulfure cupreux et d’oxyde cupreux. Leur production de manière plus efficace et écologique constitue l’objectif, tout en explorant de nouvelles applications.

Parmi les composés contenant du  cuivre (I), peuvent également être cités l’acétylacétonate de cuivre (I), l’acétylure de cuivre, le cyanure de cuivre blanc, le thiophène-2-carboxylate de cuivre (I), l’hydroxyde cuivreux jaune orange, le thiocyanate de cuivre, etc.

Le précipité de thiocyanate cuivreux est un composé insoluble dans l’eau que l’on peut utiliser pour le dosage gravimétrique des ions cuivriques en solution aqueuse. Cette méthode consiste à ajouter du thiocyanate de potassium à une solution contenant des ions cuivriques qui provoque la formation d’un précipité de thiocyanate de cuivre (I) que l’on peut isoler et peser. L’équation chimique de cette réaction est la suivante :

2 Cu²⁺ + 2 SCN²⁻ + SO₃²⁻ + H₂O → Cu^ISCN_{précipité de thiocyanate de cuivre (I)} + 2 H⁺ + SO₄²⁻.

Cette méthode de dosage est largement utilisée en chimie analytique pour déterminer la quantité de cuivre présente dans les échantillons. Elle est aussi utile dans les industries où la présence de cuivre peut avoir des conséquences notables sur la qualité du produit final, comme dans l’industrie alimentaire ou électronique.

Cuivre (II)

Le cation cuivre divalent, aussi connu sous le nom de cuprique Cu²⁺, est un élément coloré et paramagnétique en raison de la présence d’un électron non apparié dans sa configuration d9. Ce cation présente de nombreuses similitudes avec les cations divalents des autres métaux de transition. De plus, il est capable de former des complexes stables avec les donneurs d’électrons.

En chimie analytique fondamentale, il est possible de caractériser un élément grâce à sa précipitation par H²S à pH 0,5 en milieu aqueux. Ce procédé est utilisé pour identifier les cations appartenant au groupe Bi³⁺, Cd²⁺, Hg²+ et bien d’autres. Ces derniers ont la particularité de posséder des chlorures solubles et des sulfures insolubles dans le sulfure d’ammonium.

Le cuivre (II) est un élément que l’on rencontre fréquemment dans au quotidien. De nombreux sels de cuivre présentent des différences de coloration en fonction de leur état d’hydratation et de leur concentration. Les solutions diluées de sels cuivriques dans l’eau sont généralement bleues, voire bleu-vert. Ces observations peuvent s’expliquer par la nature des liaisons chimiques présentes dans ces composés. Le carbonate de cuivre (II) est responsable de la couleur verte caractéristique des coupoles et des toits en cuivre des bâtiments anciens.

Le sulfate de cuivre (II) est le composé le plus couramment utilisé en laboratoire, sous forme de pentahydrate cristallin bleu. Le sulfate de cuivre anhydre est blanc, le sulfate de cuivre hydraté pentahydrate est bleu. En solution concentrée, le sulfate de cuivre aqueux est également bleu, ce qui en fait un indicateur de la présence d’eau. De plus, il est utilisé comme fongicide sous le nom de bouillie bordelaise.

Lorsqu’une solution aqueuse basique d’hydroxyde de sodium est ajoutée au sulfate de cuivre (II), cela entraîne la précipitation d’hydroxyde de cuivre (II) solide et bleu. Cette réaction fait intervenir deux ions hydroxyde et entraîne la déprotonation du composé de cuivre (II) 6-hydraté.

L’hydroxyde de cuivre peut être dissous dans les acides et dans un excès de base, mais seulement jusqu’à un certain point. Cette caractéristique est due à la présence de l’espèce complexe Cu(OH)₄².

Lorsque l’on ajoute une solution aqueuse d’hydroxyde d’ammonium à une solution de cuivre (II), un précipité se forme. Cependant, si une quantité excessive de la solution est ajoutée, le précipité se redissout pour former un composé d’ammoniac bleu foncé appelé cuivre (II) tétramine. Il était autrefois utilisé dans le traitement de la cellulose.

Il existe de nombreux autres composés de cuivre(II) bien connus, tels que le sulfure, l’acétate, l’oxalate, le formiate, le carbonate, le tartrate, le nitrate, le chlorure, le phosphate, le chromate, l’arséniate, et l’oxyde de cuivre(II). Les chlorures de cuivre hydratés sont verts, l’acétate de cuivre anhydre est vert-bleu. Les solutions concentrées de ces composés ont une couleur jaune-vert. Le chlorure de cuivre anhydre est brun et les acétates de cuivre hydratés sont verts. Les solutions concentrées de ces derniers ont une couleur vert-bleu.

La méthode du biuret est un test colorimétrique utilisé pour doser les protéines. Les ions cuivriques ont une propriété oxydante qui permet de détecter les aldéhydes en milieu basique selon la réaction de Fehling. Les coumarines, les oses réducteurs, ou les flavonoïdes sont détectés selon la réaction-test de Benedict. Les sucres présents dans le lait sont dosés selon la méthode de Bertrand.

La réaction de Barfoed utilise l’acétate cuivrique en test de détection des oses en milieu acide, tandis que la liqueur de Fehling est efficace en milieu basique. Cette liqueur est à base de complexe de cuivre cuprique. Elle doit être utilisée fraîchement préparée et avec un léger chauffage thermique pour réagir avec les sucres et les aldéhydes. Cette réaction permet de réduire Cu²⁺ en Cu₂O, ce qui donne un précipité rouge brique.

Le fluorure cuivrique CuF₂ est un solide cristallin incolore avec une structure ionique similaire à celle de la fluorine.

Le bromure cuivrique anhydre (CuBr₂)_n et le chlorure cuivrique (CuCl₂)_n forment des chaînes linéaires. Les deux atomes de chlore y jouent le rôle de donneurs potentiels d’électrons et semblent pincer l’atome de cuivre accepteur ou chélater. Lorsque ces polymères sont dissous dans l’eau, ils peuvent être hydrolysés.

La cémentation est une méthode d’extraction du cuivre métal à partir de solutions salines en utilisant le fer et le magnésium. Cette réaction est représentée par l’équation suivante :

Cu²⁺ _aqueux + Fe⁰ _{limaille ou poudre de métal fer} → Cu⁰ _métal + Fe²⁺ _{aqueux (ions ferreux)}

Plusieurs méthodes de détection des ions cuivre existent, dont l’utilisation de ferrocyanure de potassium pour produire un précipité brun et des sels de cuivre. La formation d’un précipité bleu en milieu soude NaOH_aq est également observée lors de la réaction avec des sels cuivriques tels que le chlorure, l’acétate de cuivre ou le sulfate. L’ajout d’ammoniaque NH₄OH_aq produit une liqueur bleue, tandis que la réaction avec de l’hydrogène sulfuré H₂S_gaz donne un précipité noir.

Les solutions de sels cuivriques contenant de l’ammoniac sont habituellement teintées en bleu foncé en raison de la présence d’ions complexes Cu(NH₃)_n²⁺ où n représente le nombre de molécules d’ammoniac impliquées. Ces ions complexes sont responsables de l’absorption du monoxyde de carbone CO.

Les complexes cuivriques sont connus pour leur grande stabilité et leur propriété paramagnétique. Cette dernière est observée dans les complexes ayant un électron non apparié et une structure de coordination en dsp3.

Le tartrate de cuivre subit facilement une réaction avec le sulfure d’hydrogène pour produire un précipité noir de sulfure de cuivre CuS. Cependant, la formule du sulfure cuivrique est trompeuse puisqu’elle contient des concaténations de soufre, un cuivre CuII au centre d’un triangle équilatéral de S et un cuivre Cu^I à coordination tétraédrique. La formule cristallographique est donc Cu^I₄Cu^II₂(S₂)₂S₂.

Le cyanure double de cuivre et de potassium en milieu aqueux est une structure complexe, il ne subit ni altération ni aucune transformation. En fortes quantités ou en excès, les cyanures sont à la fois des complexants et des réducteurs de l’ion cuprique.

Le dosage volumétrique du cuivre peut être effectué grâce à  la réduction de l’ion cuprique par les ions iodure I-. Le thiosulfate de sodium titre l’iode en retour. En milieu aqueux, la réaction de base s’écrit comme suit :

Cu²⁺ + 2 I⁻ → CuI _{iodure cuivreux} + ½ I_{2 iode}

Le trifluorométhylsulfonate de cuivre (II) ou triflate et l’acétylacétonate de cuivre (II) sont des catalyseurs utilisés dans des réactions de transfert et de couplage de carbènes.

L’oxyde mixte de baryum de cuivre et d’yttrium est un matériau céramique supraconducteur à température de l’azote liquide.

Cuivre (III)

Le cation Cu³⁺ n’est pas stable et ne peut être trouvé que sous forme de complexes. Le Cu₂O₃ est un exemple de composé contenant du cuivre (III). D’autres composés comprennent le CuF₆³⁻, le K₃CuF₆, KCuO₂.

Bien que rares, les composés de cuivre (III) sont impliqués en catalyse homogène et dans de nombreuses réactions en biochimie non organique. Les cuprates supraconducteurs, tels que YBa₂Cu₃O_7-δ , contiennent du cuivre (III).

Cuivre (IV)

Les composés contenant du cuivre (IV), tels que les sels de CuF62−, sont extrêmement rares et peu fréquents dans la nature.

Applications et utilisations du corps simple, des alliages et composés

Le cuivre est un élément largement utilisé dans l’industrie, principalement sous forme de corps simple métallique ou d’alliages. Sa résistance à la corrosion, sa ductilité et sa malléabilité, ainsi que sa conductivité électrique et thermique en font un matériau de choix pour de nombreuses applications. Il est souvent combiné à d’autres métaux pour améliorer la dureté. Des alliages tels que le bronze (cuivre et étain) et le laiton (cuivre et zinc) sont ainsi couramment utilisés.

Le cuivre sert à confectionner du matériel de conduction électrique (barre, câbles, fils électriques fils téléphoniques, gaines hertziennes). Il est également utilisé dans la production de tôles et de plaques de cuivre pour la couverture et la galvanoplastie. Les artisans s’en servent pour le clichage sur cuivre, la fabrication d’objets décoratifs et d’ustensiles de cuisine. En galvanoplastie, le cuivre est utilisé pour le dépôt d’autres métaux tels que le nickel.

Ce matériau extrêmement polyvalent est notamment utilisé dans l’électricité, l’électronique et les télécommunications pour la fabrication de batteries, de microprocesseurs et de réseaux câblés.  Dans le domaine de la construction, le cuivre est utilisé pour la tuyauterie d’eau, les machines-outils, les transports et les produits d’équipement pour les plateformes pétrolières.

Le cuivre entre dans la fabrication de la pièce d’un euro. Frappée en France, elle arbore l’Arbre étoilé dessiné par Joaquin Jimenez. Le centre de la pièce est constitué d’un alliage de cupronickel (75 % Cu 25 % Ni) sur une âme de nickel, tandis que la couronne est composée d’un alliage de maillechort (75 % Cu 20 % Zn 5 % Ni) de couleur jaune. Pour la pièce de deux euros, la composition des alliages est inversée. Ces détails constituent les spécificités qui intéressent les experts en numismatique et les collectionneurs.

Industries mécaniques et électriques

Le cuivre est un matériau très répandu dans diverses industries telles que les télécommunications, le bâtiment, les transports et les énergies renouvelables. Le cuivre est également le meilleur conducteur électrique parmi tous les métaux non précieux. Sa conductivité électrique est 58 % supérieure à celle de l’aluminium, avec une valeur de 59,6 × 10⁶ S m⁻¹.

Les équipements électriques et électroniques ont une teneur en cuivre pouvant atteindre 20% de leur poids total. En raison de sa densité élevée, le cuivre n’est pas adapté aux lignes aériennes à haute tension pour lesquelles l’aluminium est préféré pour sa légèreté.

Ce métal est couramment utilisé comme conducteur dans diverses applications telles que les barres de distribution, les électroaimants, les relais et les commutateurs. Sa conductivité électrique supérieure en fait également un choix privilégié pour les circuits intégrés et les circuits imprimés, remplaçant souvent l’aluminium. En outre, le cuivre est préféré à l’aluminium dans la fabrication de radiateurs pour ordinateurs. Les tubes à rayons cathodiques, les tubes à vide, les guides d’ondes et les magnétrons des fours à micro-ondes sont également constitués de cuivre.

En dépit de sa haute performance en termes de rendement thermique, le cuivre est parfois remplacé par des matériaux moins coûteux tels que l’aluminium ou les matériaux de synthèse dans certaines applications thermiques.

Par ailleurs, le cuivre est rarement employé sous sa forme pure, sauf dans les cas où une grande conductivité thermique est requise ou pour les conducteurs électriques. Le cuivre pur est en effet très ductile. Les conductivités électrique et thermique du cuivre sont étroitement liées : la transmission de la chaleur et de l’électricité dans les métaux est principalement assurée par le déplacement des électrons. Dans le domaine de l’électronique, il doit être d’une pureté extrême répondant à une norme internationale de 99,90 % au minimum. La présence de petites quantités d’impuretés solubles, telles que le phosphore, dans la matrice de cuivre peut considérablement réduire sa conductivité.

Enfin, dans les tubes à rayons X, le cuivre est fréquemment employé comme matériau cible pour la diffraction sur poudres en laboratoire. La raie K α du cuivre possède une longueur d’onde moyenne de 1,541 82 Å.

Architecture et construction

Lorsqu’il s’agit d’applications électriques, le cuivre non oxydé est le matériau privilégié, tandis que le cuivre phosphoreux désoxydé (Cu-DHP) est préféré pour les projets architecturaux.

Depuis l’Antiquité, le cuivre est utilisé comme matériau de couverture étanche pour les toitures et les coupoles de nombreux bâtiments anciens, ce qui leur donne l’aspect vert caractéristique. Au fil du temps, l’oxyde de cuivre se transforme en sulfure cuivreux et cuivrique, puis en carbonate de cuivre, pour finalement se patiner en sulfate de cuivre, communément appelé “vert-de-gris”. Cette patine est hautement résistante à la corrosion. Par exemple, la statue de la Liberté est principalement composée de cuivre.

Le cuivre est souvent allié au nickel pour former des matériaux résistants à la corrosion, tels que le cupronickel et le monel utilisés dans la construction navale. Le cuivre est également apprécié pour sa capacité à dissiper la chaleur, ce qui en fait un matériau idéal pour la boîte à feu des chaudières à vapeur de Watt.

En outre, les composés de cuivre liquide sont employés pour protéger le bois contre la pourriture sèche en particulier lors de la restauration de structures anciennes.

Le cuivre est utilisé comme moyen de protection contre la foudre en empêchant les éclairs de frapper directement les bâtiments. Pour ce faire, des pointes de cuivre, aussi appelées paratonnerres, sont placées en hauteur au-dessus du toit et reliées à un câble de cuivre de forte section qui est connecté à une grande plaque métallique enterrée. Cette configuration permet de disperser la charge électrique dans le sol plutôt que de la faire circuler dans la structure principale, évitant ainsi sa destruction.

Enfin, ce métal est particulièrement adapté au soudage et au brasage. Il peut notamment être soudé à l’arc.

Le cuivre dans la distribution d’eau potable

Le cuivre est largement utilisé dans le domaine de la construction en raison de ses propriétés antifongiques et bactériostatiques, de son imperméabilité et de sa résistance à la corrosion. Il est couramment employé pour les canalisations d’eau et les toitures car il empêche la croissance de mousse et plantes.

Le métal est largement utilisé dans la distribution d’eau potable dans le monde, avec des décennies d’expérience de son utilisation. De fait, les canalisations en cuivre sont efficaces pour prévenir et limiter la contamination des réseaux d’eau par des bactéries telles que les légionelles. Ces dernières causent une maladie pulmonaire potentiellement mortelle, la légionellose. Selon le Professeur Yves Lévi du Laboratoire Santé publique et Environnement de l’Université Paris-Sud : « Si aucun matériau ne peut garantir l’absence totale de bactéries dans les réseaux, le cuivre permet néanmoins de limiter les risques ».

Construction navale

Les peintures antifouling utilisent les propriétés antibactériennes du cuivre pur pour prévenir la croissance et l’adhérence d’algues et de microorganismes marins sur les coques des navires. Cette technologie maintient l’efficacité et la durabilité des navires en mer. Ces peintures sont constituées de poudre de cuivre allant jusqu’à 2 kg/l, remplaçant les traditionnelles feuilles de cuivre fixées sur les parties submergées des navires pour obtenir le même effet protecteur. Les chantiers navals ont généralisé cette technique à la fin du XVIIIe siècle.

Les alliages de cuivre tels que le bronze et le laiton sont utilisés dans l’industrie navale pour leur capacité à résister à la corrosion. Ils servent notamment pour la fabrication d’hélices, d’accastillage, de hublots et de clous garantissant ainsi la durabilité et la longévité des équipements marins. Un fil de cuivre placé sur le faîte d’un toit constitue une solution efficace pour prévenir la croissance d’algues et de mousses.

Composés

Environ 2 % de la production de cuivre est utilisée pour la fabrication de composés chimiques, principalement des fongicides pour l’agriculture et des compléments alimentaires.

Les carboxylates de cuivre sont utilisés à la fois comme catalyseurs dans les applications industrielles et comme fongicides.

Les sels de cuivre servent notamment à colorer le verre et comme composant de glaçures pour la céramique. Ils sont utilisés comme produit d’extinction de classe D sous forme de poudre ; ils servent ainsi à éteindre les feux de lithium en agissant comme dissipateur thermique et en étouffant le métal en combustion. Dans les fibres textiles, ils procurent aux tissus une propriété de protection antimicrobienne.

Le sulfate de cuivre est un pigment vert utilisé dans les peintures. Ce sel de cuivre est un fongicide et algicide, entrant notamment dans la composition de la bouillie bordelaise, un fongicide de synthèse.

Autres applications

Dans l’armement, le cuivre est utilisé pour les ogives des munitions blindées. Il est également présent dans les explosifs de démolition et les munitions à charge creuse.

En pyrotechnie, ses composés trouvent une application pour colorer les feux d’artifice en bleu.

Le cuivre est également utilisé dans le domaine de la supraconductivité. Les céramiques et nanoassemblages contenant de l’oxyde cuprique peuvent devenir des supraconducteurs à des températures de -140 °C. Des composés tels que CuS, CuS₂ et CuSe₂ présentent de même une supraconductivité à des températures plus basses.

Dans le domaine biomédical, le sulfate de cuivre (II) est employé comme fongicide. Il limite notamment la prolifération des algues dans les piscines domestiques et les étangs. Le cuivre 62 PTSM est utilisé comme marqueur radioactif en tomographie au niveau du cœur par émission de positron ou PET pour mesurer les débits sanguins. Le cuivre 64 est un marqueur radioactif en imagerie médicale et sert dans le traitement du cancer par radiothérapie.

En aquaculture, les alliages de cuivre sont utilisés pour les filets en raison de leurs propriétés antimicrobiennes et antifouling. En milieu marin, ces alliages présentent une résistance structurale et à la corrosion. À grande échelle, la pisciculture commerciale a ainsi beaucoup recours à ces matériaux.

Biologie

Le cuivre est un oligo-élément essentiel pour le corps humain. Il joue un rôle crucial dans de nombreuses fonctions physiologiques, telles que le fonctionnement du système cardiovasculaire et nerveux ainsi que celui du système immunitaire. Il contribue à la régulation du cholestérol, la croissance osseuse et l’absorption du fer. En moyenne, l’organisme d’un adulte de 75 kg contient près de 150 mg de cuivre et a besoin d’approximativement 2 mg par jour.

Il s’agit également d’un oligo-élément essentiel pour les plantes et les animaux.

Ce métal est traditionnellement utilisé pour les opérations de chauffage ou de transfert thermique. Il est déconseillé de stocker des aliments dans des récipients en cuivre.

Soluble dans l’eau, l’ion cuivrique Cu²⁺ possède des propriétés bactériostatiques et fongicides. Elles ont un effet temporaire sur les microorganismes, empêchant la croissance de bactéries et de champignons. Cet effet n’est pas toujours durable et peut varier selon les conditions environnementales.

Le cuivre dans l’agriculture et élevage

Toxicologie et précautions

Le cuivre peut être nocif pour l’environnement et les organismes vivants, même à faible dose, lorsqu’il est présent sous forme d’ions ou de certains composés biodisponibles. Les organismes aquatiques sont particulièrement vulnérables, de même que les lichens et les mousses sur terre. C’est pour cette raison que le cuivre est utilisé dans les revêtements antifouling et les agents de traitement du bois pour les applications extérieures.

Le cuivre est largement utilisé dans l’agriculture en raison de ses propriétés antifongiques, bactéricides et algicides. Conformément à la Directive européenne 2092/91, il est autorisé en agriculture biologique sous forme d’oxyde de cuivre, d’hydroxyde de cuivre, de sulfate de cuivre et d’oxychlorure de cuivre.

La bouillie bordelaise, qui contient ce métal, est habituellement utilisée en viticulture biologique pour lutter contre le mildiou. Cependant, une utilisation excessive peut entraîner une accumulation de cuivre dans le sol, ce qui peut nuire à sa qualité à long terme. Le cuivre se retrouve dans les moûts de raisin issus de cette viticulture biologique ; il est éliminé par traitement au monosulfure de sodium ou par le ferrocyanure de potassium.

Dans l’élevage porcin, le cuivre est parfois utilisé comme complément alimentaire pour favoriser la croissance des porcelets après sevrage. Une concentration élevée de cuivre dans les lisiers peut avoir des conséquences environnementales indésirables lorsque ces rejets sont utilisés comme engrais. Il est alors recommandé de réduire les apports de cuivre dans l’alimentation porcine.

De plus, ce métal peut être toxique pour certains animaux d’élevage, comme les moutons qui y sont particulièrement sensibles. L’Union européenne a fixé une teneur maximale en cuivre de 150 mg/Kg dans les sols en agriculture biologique.

Dosage

La quantification du cuivre dans différents milieux nécessite l’utilisation de diverses techniques analytiques. Pour isoler le cuivre de la matrice environnante, une digestion à l’aide d’un acide est souvent requise, principalement l’acide chlorhydrique ou de l’acide nitrique.

Le Centre d’Expertise en Analyse environnementale du Québec utilise des techniques de pointe pour mesurer avec précision la quantité de cuivre dans les milieux aquatiques. La méthode de l’ICP-OES est couplée à celle de l’ICP-MS. La première sert à analyser la chair de petits invertébrés et de poissons. La seconde est utilisée pour les analyses de l’eau qui doit d’abord être acidifiée.

Le cuivre dans l’organisme humain

Oligo-élément biologique

Le cuivre est présent dans le corps humain à une concentration de 1,4 à 2,1 mg/kg, principalement dans les muscles, le foie et les os. C’est un oligo-élément essentiel pour les humains, les animaux, les microorganismes et les plantes.

Le cuivre est transporté dans le sang par la céruloplasmine, une protéine qui régule également son métabolisme et son excrétion. Au niveau cellulaire, il est présent dans certains superoxydes dismutases (SOD), et de nombreux enzymes et protéines, telles que le cytochrome C oxydase. Il est aussi utilisé pour le transport biologique d’électrons par des protéines telles que l’azurine et la plastocyanine. Celles-ci sont connues sous le nom de protéines bleu cuivre en raison de leur couleur bleu intense.

Certains animaux, comme la limule, utilisent un pigment à base de cuivre appelé hémocyanine pour transporter l’oxygène plutôt que l’hémoglobine, qui contient du fer. Ce qui donne à leur sang une couleur bleue lorsqu’il est oxygéné, et non pas rouge.

Excès et carence

Le cuivre joue un rôle crucial dans la formation de l’hémoglobine, la fonction immunitaire et la lutte contre le stress oxydant chez l’homme et les mammifères. Il facilite aussi l’absorption du fer et peut remplacer ce nutriment pour le transport de l’oxygène chez certaines espèces animales.

Ainsi, un manque de cuivre peut causer des symptômes similaires à ceux d’une anémie comme une réduction du nombre de certaines cellules sanguines et une myélopathie. Ce déficit est souvent observé après une chirurgie digestive, en particulier après une chirurgie bariatrique ou une surcharge en zinc.

À l’inverse, une accumulation de cuivre dans les tissus peut causer la maladie de Wilson chez l’homme.

Toxicologie

L’ingestion de grandes quantités de cuivre, sous forme oxydée ou de poussières de composés de cuivre, peut être nocive pour la santé humaine. Des cas d’exposition prolongée ont été observés, provoquant des maux de tête, des vertiges, des maux d’estomac, des diarrhées et des vomissements.

Une exposition quotidienne à long terme peut également entraîner une irritation des yeux, des fosses nasales, de la bouche et des muqueuses. L’empoisonnement aigu est rare, il provoque des réactions violentes telles que des vomissements. L’absorption volontaire de fortes doses de cuivre peut causer des dommages irréversibles au foie et aux reins pouvant entraîner la mort.

Des études ont montré que chez le rat, l’inhalation prolongée de chlorure de cuivre peut entraîner une immobilisation définitive du sperme. Ces résultats pourraient expliquer l’efficacité contraceptive des stérilets en cuivre chez les humains.

Vertus sanitaires

Depuis l’Antiquité, le cuivre est connu pour ses bienfaits sur la santé. Les anciennes civilisations égyptienne, grecque, romaine et aztèque l’utilisaient pour ses propriétés curatives contre les infections et ses capacités préventives contre les maladies. Au XIXe siècle, suite à la découverte des micro-organismes, les scientifiques ont étudié ses propriétés antibactériennes. Aujourd’hui, l’industrie pharmaceutique l’utilise dans divers produits allant des antiseptiques aux produits de soins et d’hygiène.

Bien que bénéfique à faible teneur, le cuivre peut être toxique pour certains organismes à des concentrations très élevées. Des cas de contamination ont été identifiés près d’anciennes mines de cuivre de Jordanie sur des squelettes humains et animaux datant de l’âge de bronze. De plus, il accroît le risque de Parkinson lorsqu’il est combiné à d’autres matériaux comme le plomb.

En mars 2008, l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) a approuvé l’utilisation du cuivre et de ses alliages comme agents antibactériens contre certaines infections mortelles. Aux États-Unis, le cuivre, le bronze et le laiton sont les premiers matériaux à être reconnus pour leurs propriétés sanitaires.

Utilisation en milieu hospitalier

Depuis 2007, l’utilisation de surfaces en cuivre dans les hôpitaux sert à lutter contre les infections nosocomiales. Le but est de limiter la propagation des infections dans les établissements de santé. Cette application novatrice a vu les barres de lits, les tirettes de chasse d’eau et les poignées de porte remplacées dans plusieurs pays. Elle a pour objectif de réduire la propagation des bactéries et éliminer les microbes présents sur ces surfaces.

Cette initiative a été adoptée pour la première fois en janvier 2010 par l’hôpital privé St Francis en Irlande. La décision a été motivée par les résultats encourageants des études menées en Grande-Bretagne depuis 2007 sur le potentiel antibactérien du métal. Les résultats de l’expérimentation de l’hôpital de Birmingham ont également montré que les surfaces en cuivre peuvent éliminer entre 90 et 100 % des microorganismes dans les environnements hospitaliers. Le SARM ou staphylocoque doré résistant à la méticilline en fait partie.

En France, le premier test de son utilisation a été réalisé par le service de réanimation et de pédiatrie de l’hôpital public de Rambouillet. Les essais ont été effectués sur les plaques de propreté, les mains courantes, les barres de lits et les poignées de porte.

Le Centre hospitalier d’Amiens a présenté les résultats d’une expérimentation lors du 25e congrès de la Société française d’hygiène hospitalière. Ceux-ci confirment l’efficacité du cuivre dans la lutte contre les bactéries en milieu hospitalier. Ils montrent une réduction significative des bactéries dans le service de néonatologie du CHU d’Amiens. La clinique Arago, spécialisée dans les soins orthopédiques, a également adopté une mesure préventive contre les infections nosocomiales en installant des mains courantes et des poignées de porte en cuivre. La matière première reste chère pour les établissements de santé.

MetalSkin, une société française, a développé un procédé de revêtement à base de cuivre recyclé en poudre combiné à de la résine. Les résultats des tests réalisés en 2013 à la clinique Saint-Roch de Montpellier montrent une réduction de 3 000 fois le nombre de bactéries en une heure. Ce revêtement en solution peut être appliqué sur une variété de surfaces, y compris les claviers d’ordinateur, les coques de téléphone portable et autres surfaces propices à la propagation bactérienne.

Normes antibactériennes

La norme ISO 22196 évaluant l’action antibactérienne des surfaces en plastique et autres surfaces non poreuses, a été considérée comme peu représentative des conditions réelles sur le terrain. Cette lacune a été relevée par des experts du secteur, qui ont souligné la nécessité de développer des méthodes plus précises pour évaluer l’efficacité des agents antibactériens sur les surfaces. Ces efforts ont conduit à l’élaboration de nouvelles normes.

Une étude a été lancée en 2016 pour revoir cette norme de référence et une commission de normalisation a été formée par l’Afnor. Celle-ci regroupait des experts en microbiologie, en réglementation et en matériaux. La norme NF S90-700 a été mise en place en mai 2019. Cette norme permet de mesurer l’activité de base des surfaces non poreuses fournissant ainsi une meilleure compréhension de leur efficacité antibactérienne dans des conditions réelles. Elle exige une mortalité de 99 % en une heure pour quatre souches distinctes.

Production et économie

Le cuivre se classe au troisième rang des métaux les plus utilisés à l’échelle mondiale, après le fer et l’aluminium. Il est également le second métal non ferreux le plus abondant, devançant de loin le zinc, le plomb, le nickel et l’étain.

Au cours du XXème siècle, la production minière de cuivre a connu une croissance remarquable, passant de 1 à 20,3 millions de tonnes par an entre 1900 et 2019. La production mondiale de cuivre raffiné a également augmenté pour dépasser les 18 millions de tonnes.

Entre les années 1970 et 2008, la consommation globale de cuivre, incluant le cuivre primaire raffiné et le cuivre recyclé, a connu une augmentation significative, atteignant 23,5 millions de tonnes.

En 1990, la France consommait 470 000 tonnes sur la production annuelle mondiale de 8,5 millions de tonnes. À l’époque, environ 70 % du métal étaient commercialisés sous forme pure, en tubes et laminés et fils électriques, tandis que le reste était sous forme d’alliages. Le marché du cuivre est un indicateur pertinent de l’état de l’économie en raison de sa forte relation avec l’industrie. Il permet aux experts de surveiller les tendances et d’évaluer les perspectives économiques.

Production minière

Au cours du XXe siècle, la production minière de cuivre a connu une croissance spectaculaire, passant de 0,5 Mt en 1900 à 11 Mt en 1990, puis à 15 Mt en 2008, avant d’atteindre un pic de 20,3 Mt en 2019. Cette tendance haussière s’explique par l’augmentation de la demande mondiale pour le métal, consommé dans une variété d’applications industrielles. Cette croissance soutenue a également été rendue possible grâce à des avancées technologiques dans l’extraction et le traitement du minerai de cuivre, ainsi qu’à une augmentation de l’investissement dans l’industrie minière.

En 2019, les onze premiers pays producteurs de cuivre totalisent 73,7 % de la production mondiale. Le Chili, qui est le plus grand producteur de cuivre au monde depuis de nombreuses années, a produit 5,6 Mt de cuivre en 2019, soit environ 28 % de la production mondiale. Les autres producteurs sont le Mexique, la République démocratique du Congo, la Chine, le Pérou, le Kazakhstan, les États-Unis, l’Australie, la Zambie, la Russie et l’Indonésie.

Les entreprises britanniques détiennent la majorité des droits de propriété des mines de cuivre, suivies de près par les entreprises chiliennes, américaines et mexicaines. La Chine occupe la cinquième place en termes de prééminence économique dans le secteur. Cette avancée témoigne de la capacité du pays à mettre en place des politiques strictes pour contrôler la production et la distribution du métal, qui est un élément clé de l’industrie manufacturière.

Les réglementations sont essentielles pour garantir la durabilité de l’approvisionnement. Elles sont de même indispensables pour protéger l’environnement et les travailleurs impliqués dans l’extraction et la production du métal. Elles reflètent également la domination des sociétés multinationales dans l’industrie minière mondiale. Elles sont pour la plupart basées dans des pays développés et ont des intérêts dans plusieurs pays producteurs de cuivre.

Le Chili abrite quatre des dix plus grandes mines de cuivre au monde : Chuquicamata El Teniente Collahuasi et Escondida. Elles sont toutes exploitées par des sociétés multinationales. Les trois mines suivantes se trouvent au Pérou : Antamina, Las Bambas et Cerro Verde II.

La production de cuivre est une industrie complexe qui nécessite des investissements conséquents en capital et en main-d’œuvre. Les mines de cuivre sont pour la plupart situées dans des régions éloignées et difficiles d’accès, ce qui rend leur exploitation coûteuse.

Demande

La demande croissante en cuivre, liée aux besoins de la transition énergétique, pose de nouveaux défis à la production. Une baisse structurelle des teneurs a été constatée, avec une concentration moyenne de 0,62 % dans les mines en exploitation, 0,53 % pour les sites récemment ouverts et 0,43 % pour les projets à l’étude.

Le deuxième défi est l’impact environnemental des mines, notamment l’utilisation de l’eau, qui est devenue un problème majeur pour de nombreuses mines situées dans des zones soumises à un fort stress hydrique. La contestation des populations locales est également croissante, comme en témoigne la victoire des partis de gauche au Chili et au Pérou en 2021.

La Russie a récemment commencé l’exploitation de la mine de Novaya Chara. Cette dernière est considérée comme le troisième plus grand gisement au monde, avec une teneur élevée de plus de 1% et des réserves de 26 millions de tonnes. L’exploitant Udokan Copper prévoit une production initiale de 160 000 tonnes de cuivre par an, qui devrait atteindre 400 000 tonnes à terme.

Bien qu’il soit utilisé depuis plus de 10 000 ans, le cuivre extrait et fondu depuis 1900 représente plus de 95 % du volume exploité depuis. La quantité totale de cuivre sur Terre est importante, mais seule une petite partie de ces réserves est rentable compte tenu des technologies et des prix actuels. Les estimations des réserves disponibles pour l’extraction varient de 25 à 60 ans, en fonction de certaines conditions, dont la demande.

Le cours du cuivre, qui mesure la disponibilité en approvisionnement par rapport à la demande mondiale, a été multiplié par cinq au cours des soixante dernières années. Il est passé de 1,32 USD/kg en juin 1999 à 8,27 USD/kg en mai 2006, avant de chuter à 5,29 USD/kg en février 2007. Il est ensuite remonté à 7,71 USD/kg en avril 2007, avant de chuter à nouveau en février 2009. Cette dernière décroissance soudaine est due à l’affaiblissement de la demande mondiale et à une chute brutale du cours des matières premières par rapport aux valeurs élevées de l’année précédente, ramenant le cours du cuivre à 1,51 USD par livre.

Le CIPEC ou Conseil intergouvernemental des pays exportateurs de cuivre a été créé en 1967 pour tenir un rôle similaire à celui de l’OPEP pour le pétrole. Il n’a jamais possédé la même influence et a été dissous en 1992 : les États-Unis, deuxième plus gros producteur, n’en ont jamais fait partie. Ses principaux membres étaient la Zambie, le Zaïre, le Pérou et le Chili.

Données économiques

Le cours du cuivre a connu une forte hausse début 2022, atteignant environ 9 000 €/t, après avoir fluctué entre 4 500 et 6 500 €/t entre 2012 et 2020.

Les acteurs majeurs de l’industrie du cuivre sont la compagnie nationale chilienne Codelco, qui occupe la première place en termes de production, suivie de l’américain Freeport-McMoRan, de l’anglo-australien Rio Tinto et de l’anglo-suisse Xstrata.

Le marché mondial du cuivre est réparti sur trois principales bourses des métaux : le London Metal Exchange (LME), la Comex à New York, et le Shanghaï Metal Exchange ou SHME. Ces plateformes de négociation sont considérées comme des références incontournables pour les investisseurs et les acteurs du secteur du cuivre, leur offrant une visibilité accrue sur l’évolution des prix et les tendances du marché.

Entre juillet 2008 et fin 2008, le prix du cuivre a chuté de manière significative, passant de 9 000 $/t à 2 800 $/t. En 2009, une remontée de 140 % a été observée, le prix a atteint 8 501 $/t en octobre 2010. Cette volatilité du marché a eu un impact sur le recyclage primaire, qui a augmenté de 20 % en cinq ans, mais a chuté de 2,6 % à la suite de la crise de 2008. En ce qui concerne le recyclage secondaire, il a connu une hausse de 3 % en 2008 dans le monde et représente désormais plus de 30 % des besoins mondiaux. En 2015, le cours du cuivre acheté variait de 4 à 5 €/kg en France.

L’Europe est considérée comme le premier utilisateur mondial de cuivre recyclé, représentant plus de 40 % de sa consommation, et est également la région où la proportion de cuivre recyclé a le plus augmenté. En 2020, l’Europe est devenue exportatrice de cuivre, avec un prix moyen à l’exportation et à l’importation respectivement de 2 232 et 5 598 €/t.

En mai 2021, le prix du cuivre atteint un sommet historique, une tonne valant plus de 10 300 dollars sur le London Metal Exchange. Cette hausse était due à la reprise économique qui a suivi la pandémie de Covid-19 en 2020.

Histoire

Néolithique

Le cuivre est l’un des premiers métaux utilisés par l’humanité, dès le Ve millénaire avant notre ère, car il est disponible dans la nature à l’état pur sous forme native. Des pépites de cuivre polies ont été découvertes en Syrie datant du Xe millénaire av. J.-C. Des fosses minières ou pingen datant du IVe millénaire av. J.-C. sont régulièrement mises à jour dans les Balkans.

Les premières traces de fusion du cuivre remontent à environ 5 000 ans avant notre ère. Bien que la technique de fusion du cuivre semble avoir pris son origine dans les Balkans, elle s’est également développée en Amérique centrale vers 600 apr. J.-C., en Afrique occidentale vers 900 av. J.-C., dans les Andes vers 2 000 av. J.-C., et en Chine avant 2 800 av. J.-C. Un fer de hache en cuivre pur à 99,7% a été retrouvé avec la momie nommée Ötzi d’un homme adulte. En bon état de conservation, la momie est et datée du Chalcolithique.

La production de cuivre dans le Old Copper Complex, situé dans le Michigan et le Wisconsin actuels, date d’approximativement 6 000 à 3 000 av. J.-C. Bien que certains ouvrages affirment que les anciennes civilisations américaines connaissaient une méthode de trempe du cuivre, il n’existe aucune preuve de ce « savoir-faire perdu ».

Âge du cuivre

L’âge du cuivre, également connu sous le nom de Chalcolithique, s’étend de 3 200 à 2 000 av. J.-C. Cette période a été caractérisée par l’utilisation du cuivre pour la fabrication d’objets, en plus des outils en pierre utilisés auparavant. Bien que des objets en cuivre datant de 8 700 av. J.-C. aient été découverts au Moyen-Orient, c’est en Europe occidentale que l’utilisation du cuivre a connu une expansion significative.

En outre, le cuivre extrait de l’île de Chypre était un élément clé du commerce avant cette période et son utilisation a joué un rôle prépondérant dans le développement de l’âge du cuivre. Dans certaines régions, le Chalcolithique a été une période de transition entre le Néolithique et l’âge du bronze, marquant ainsi une évolution notable des pratiques culturelles et technologiques.

Âge du bronze

L’alliage artificiel de cuivre avec de l’étain ou du zinc pour produire du bronze ou du laiton a été réalisé 2 300 ans après la découverte du métal. Les peuples de l’Europe centrale maîtrisaient l’art du martelage de grandes feuilles de bronze. Les cités sumériennes et égyptiennes ont aussi produit des objets en cuivre et en alliage cuivre-étain dès 3 000 av. J.-C. La bible décrit le Temple de Jérusalem mentionnant plusieurs parties et objets en bronze.

L’« âge du bronze » en Europe s’étend entre 2 500 et 600 av. J.-C. Cette période est marquée par une utilisation très répandue du bronze. Les lingots de bronze servaient de monnaies d’échange dans le monde méditerranéen.

La gestion des ressources en étain, beaucoup plus rares que celles du cuivre, est devenue un enjeu majeur. L’étain était indispensable à la fabrication de nombreux produits, tels que les armes, les outils et les ustensiles de cuisine. Les marins-négociateurs et marchands ont donc longtemps recherché des îles ou terres mythiques appelées Cassitérides, c’est-à-dire « îles de l’étain ». Cette quête était motivée par l’importance stratégique de ce métal dans l’industrie et le commerce de l’époque.

Au XIIIe siècle, la Méditerranée orientale était une influente zone de commerce maritime. Les navires transportaient des quantités considérables de marchandises, notamment des lingots de bronze. Ils pouvaient transporter jusqu’à deux cents lingots de bronze destinés à être utilisés dans la production d’objets tels que des armes, des outils et des pièces de monnaie.

Antiquité et Moyen Âge

Dans l’Antiquité, les Grecs appelaient le cuivre « chalkos » (χαλκός) ; les Romains le nommaient « aes Cyprium » en raison de sa principale source d’approvisionnement à Chypre. Au fil du temps, ce terme a été simplifié en cuprum, qui a donné naissance au nom anglais « copper ».

Ce métal participe à la production de divers alliages tels que le bronze, ce qui en faisait une ressource précieuse pour les civilisations antiques telles que les Grecs, les Romains et autres. En raison de son éclat brillant, de son utilisation ancienne pour la production de miroirs et de son association avec l’île de Chypre, il était souvent associé à la déesse Aphrodite (Vénus).

Dans les pratiques anciennes de l’alchimie et de l’astrologie, les sept corps célestes étaient associés à sept métaux bien connus, le cuivre était lié à Vénus. Selon les écrits de Pline l’Ancien, l’invention de la fonte et du traitement du cuivre dans l’Antiquité était attribuée à un Phrygien du nom de Délas.

Époque moderne

La mine de cuivre de Falun en Suède a été exploitée pendant un millénaire ; elle a produit environ deux tiers des besoins européens au XVIIe siècle. Le métal a été utilisé dans l’art, la monnaie, la protection des navires et la fonderie de cloches. En effet, les scientifiques ont découvert l’impact du type et de la quantité de métal d’alliage sur la sonorité des cloches.

En outre, la technique de la fusion éclair a été développée en Finlande en 1949 et fournit désormais 50 % de la production mondiale de cuivre brut.

En France, certaines communautés rurales dans le Tarn se sont spécialisées dans le travail des métaux, produisant des ustensiles en cuivre et des chaudrons pour les foires d’automne et de printemps.

La famille Fugger a bâti son monopole sur le cuivre dans les années 1500, lorsque les canons étaient principalement coulés en bronze. Cette famille a établi les pratiques modernes de la finance et de la banque

Époque contemporaine

Au XIXe siècle, le cuivre était un minerai très prisé en Europe et importé en grande quantité de l’Oural russe, du Chili et du Pérou. En France, les minerais étaient traités à proximité des ports d’arrivée, par fusion avec du charbon dans des fours à cuve, produisant un cuivre impur et du dioxyde de carbone. Les minerais cuprifères soufrés, tels que la chalcosine, nécessitent un traitement long et complexe pour extraire le cuivre, impliquant une oxydation partielle du minerai et une fusion à haute température.

Les conflits liés aux mines de cuivre ont été nombreux, comme en témoignent la grève de Cananea de 1906 à Mexico et la grève des mineurs de l’Arizona en 1938.

L’industriel Eugène Secrétan a joué un rôle décisif dans l’évolution des techniques industrielles du cuivre.

En France, les fabriques de cuivre et d’alliages étaient appelées des « cuivreries », telles que la cuivrerie de Cerdon dans l’Ain.

Le cuivre a également été utilisé dans l’industrie alimentaire, notamment pour les chaudrons-chaudières en cuivre utilisés par les maîtres fromagers pour produire le gruyère.

Enfin, le cuivre a été utilisé pour la fabrication de pièces de monnaie, telles que le sou de 1900 en France et le cent américain, ainsi que la pièce d’un ou deux pfennigs en 1990.

Au XXIe siècle

Au XXIe siècle, le cuivre est un matériau essentiel dans diverses industries, notamment pour la fabrication de supraconducteurs, de câbles électriques, de circuits électroniques et de tuyaux de plomberie.

Symbolique alchimique

En alchimie, le cuivre est traditionnellement associé à la planète Vénus. Il symbolise l’amour, la jeunesse et la féminité. Le symbole ♀ a ainsi été utilisé pour représenter le cuivre également associé à la déesse Vénus.

En outre, les miroirs anciens, confectionnés à partir de cuivre, ont longtemps été associés au narcissisme. Cette symbolique du cuivre a été exploitée dans un florilège de pratiques alchimiques pour incarner des concepts tels que la beauté, la passion et la créativité.

Calendrier

Le 24e jour du mois de nivôse dans le calendrier républicain était connu sous le nom de Cuivre. Cette appellation faisait partie des nombreuses modifications apportées aux noms des mois et des jours pendant la période révolutionnaire en France afin de refléter les valeurs républicaines.