El cobre como mineral en Mindat. Fotos de cobre nativo en FMF. Información básica sobre el cobre en la RSC

Si el oro es el rey de los metales, sería justo decir que el cobre, y no la plata, es el príncipe. El cobre es uno de los elementos más antiguos conocidos y utilizados por los humanos. Su importancia tecnológica y económica ha sido enorme desde que aprendieron a utilizar la gran distribución y abundancia de cobre elemental en la Naturaleza para fabricar instrumentos, armas, abalorios y como moneda; Una gran revolución tecnológica surgió cuando los humanos descubrieron la metalurgia del cobre, surgiendo el periodo calcolítico, y la fácil reducción de minerales como la malaquita, y que, formando aleaciones con estaño o zinc, podían modular sus propiedades, obteniendo el bronce y el latón. El uso del cobre, trabajado a partir de cobre nativo, fue una innovación tecnológica clave; el descubrimiento de la metalurgia del cobre fué el siguiente gran avance y el descubrimiento del bronce fue tan decisivo en el desarrollo de antiguas civilizaciones, debido a la superioridad de las espadas y materiales de bronce sobre el cobre, como lo fue el desarrollo de las armas nucleares en el siglo XX.

Un ejemplo de uso temprano del cobre fue el que le dieron los nativos americanos de la zona de los Grandes Lagos. Las ricas minas de cobre de Michigan, distribuidas por los condados de Keweenaw, Ontonagon y Houghton ya fueron conocidas hace de 4000 a 6000 años, cuando las tribus locales comenzaron a extraer y utilizar el abundante cobre nativo de éstos yacimientos para la fabricación de objetos útiles y para el comercio, dando lugar a la “cultura del cobre”. Así, objetos de cobre de las minas de Michigan se han encontrado en yacimientos arqueológicos en toda Norteamérica.

Cobre nativo de Houghton Co., Michigan. Esta pieza de 23 cm de cobre tiene la particularidad de que fue encontrada en el curso del estudio arqueológico de antiguas explotaciones indias dedicadas a la extracción y trabajo del cobre. Parece que, por poco (tal vez por su forma), este ejemplar se salvó de ser convertido en puntas de flecha, de lanza u otros objetos.

Desde mediados del siglo XIX, las minas de cobre de Michigan comenzaron a ser explotadas con medios modernos, dando lugar a minas famosas como Quincy o Calumet. Las enormes masas de cobre nativo de Michigan son famosas mundialmente.

Ejemplar de cobre nativo de la mina Quincy (Houghton Co., Michigan) que perteneció al Seaman Mineral Museum, en Michigan Tech. Este ejemplar pesa 4.5 kg y puede considerarse pequeño, dado que proviene de uno de los lugares más prolíficos del mundo en presencia de cobre nativo, de donde se han obtenido masas como esta desde cientos de kg a varias toneladas.

No está claro el origen de la palabra “cobre” (cuprum en latín). Se dice que proviene de la palabra griega “kyprios” que designaba tanto al cobre como a la isla de Chipre, cuyas minas de cobre, junto con las de Michigan, son de las más antiguas del mundo. La Península Ibérica tuvo, y aún tiene, una gran riqueza en éste elemento. Los yacimientos de sulfuros masivos de la Faja Pirítica Ibérica llevan en explotación continuada por su contenido en cobre y plata desde tiempos pre-romanos y, actualmente, continúan en explotación dos ricas minas de cobre, que extraen cada año más cobre que el extraído durante toda la Hispania romana: Neves Corvo y Las Cruces.

Compárese el moderno cobre obtenido por hidrometalurgia con éste gran régulo de cobre, tal como lo obtenían los romanos en las minas de la Faja Pirítica. Este (unos 200 kilos de cobre) fué recuperado del naufragio frente a la costa alicantina de una galera romana que transportaba un cargamento de cobre metálico desde las minas de romanas de la zona de Riotinto. Los años bajo el mar han alterado superficialmente el cobre, cubriéndolo de sales verde azuladas. Actualmente está en el Museo Etnográfico de Jávea.

En la mina de Las Cruces se explota un enorme depósito de sulfuro de cobre secundario de muy alta ley. Es interesante que, en nuestras investigaciones, no hemos observado cobre nativo (pero si plata nativa). De hecho, por las características de los yacimientos, el cobre nativo no es común en la Faja Pirítica, excepto en uno, la mina de Herrerías, donde formó interesantes cristalizaciones muy apreciadas por los coleccionistas.

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Cobre nativo. Mina de Herrerías, Puebla de Guzmán (Huelva, España)
El mineral de cobre por excelencia: la calcopirita (sulfuro de cobre y hierro). Esta muestra procede de la mina de Neves Corvo, en la parte portuguesa de la Faja Pirítica Ibérica.

El color del cobre

El cobre, oro y cesio son los únicos metales de la tabla periódica que tienen color. El cobre tiene su característico color rojo, el oro amarillo y el cesio tiene un color dorado pálido (otros colores que presentan a veces los metales, como los azulados en el bismuto, se deben a capas de oxidación superficiales, a veces monoatómicas).

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El bonito color del cobre puro. Cobre electrolítico recién depositado, mostrando el color característico del metal. Para esta imagen se usó como ánodo un fragmento de calcosina (Cu2S) y como cátodo un alambre de oro, realizándose una lenta electrodeposición a 1.1 V. Así se obtuvo cobre muy puro.

Entender el origen del color del cobre requiere un conocimiento bastante profundo de la química de los metales y la física del estado sólido. Simplificando, la causa del color se debe, en primer lugar, a la configuración electrónica del cobre: 3d10 4s1. En segundo lugar, se debe al nivel de Fermi del cobre, que podría definirse intuitivamente como la superficie de un “mar” de electrones (que en un metal forman un “líquido de Fermi”) Los electrones no pueden saltar por encima de ésta superficie a la temperatura del cero absoluto, aunque a temperaturas superiores “saltan”, ascendiendo a niveles energéticos por encima del nivel de Fermi. El nivel de Fermi está justo por encima de las bandas 3d. A temperaturas normales, los electrones del cobre “saltan” de los niveles 3d a niveles vacíos 4s. Es la transición 3d->4s. Este “salto” y la distribución de estados energéticos convierte al cobre en un buen conductor. Pues bien, el salto mínimo desde los niveles 3d al nivel de Fermi se corresponde justamente con la energía de la luz verde, a 560 nm. Por tanto el cobre absorbe toda la luz verde y azul, que invierte en transiciones energéticas, y por ello nosotros lo vemos de color rojo anaranjado, debido a que refleja la luz que no absorbe. La plata, con configuración 4d10 5s1, tiene un salto desde los niveles 4d al nivel de Fermi en la energía de ultravioleta, por ello no absorbe luz visible y se ve de color blanco plateado muy brillante. El oro, siguiendo la misma tendencia según su posición en la Tabla Periódica, debería ser plateado, ya que su transición al nivel de Fermi debería requerir aún más energía que en la plata. La razón por la que el oro es amarillo implica otro fenómeno que tiene que ver con Einstein y que también explica su gran resistencia química.

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Diagrama de densidad de estados energéticos del cobre. Ef: nivel de Fermi. La luz verde tiene energía suficiente para la transición desde la banda 3d a la banda 4s al nivel de Fermi. Por ello, el cobre absorbe el verde y azul, reflejando todo el rojo y naranja.
Cobre nativo con su vistoso color. Un recuerdo de un viaje a Arizona. Es de la mina New Cornelia, en Pima Co. (AZ, USA)

Pero, si el cobre metálico es rojo anaranjado, ¿por qué las sales de Cu(II) son azules o verdes?. El precioso color en el rango del verde agua al azul marino intenso de las sales de cobre tiene una explicación aún más compleja.

Acetato de cobre (hoganita), mostrando el azul intenso de los complejos de cobre (II).

La razón del intenso color azul de éstas sales de cobre tiene que ver también con su configuración electrónica y con la formación de complejos octaédricos de coordinación del ión Cu2+ con ligandos, como moléculas de agua, acetato y otras. La coordinación octaédrica del cobre sufre una distorsión debida al efecto Jahn Teller, por el que un sistema molecular energéticamente degenerado, es decir, en el que todos los orbitales tienen la misma energía, sufrirá una distorsión de modo que se reduzca la simetría y se separe del estado de degeneración. Por éste efecto, al coordinar el cobre con moléculas como el agua o el acetato, aparecen en los orbitales d del átomo de cobre una serie de transiciones energéticas. Estas transiciones energéticas absorben luz en la región del color amarillo anaranjado al rojo, de ahí que los complejos de cobre (y las soluciones de sales de cobre) se vean con la luz que no absorben, es decir, verde azulado a azul intenso. Cuando el cobre no está coordinado, los orbitales entran en estado degenerado energéticamente y se pierden las transiciones. Esta es la razón por la que la calcantita deshidratada (CuSO4) tiene color blanco o verde pálido, al perderse los complejos cobre-agua, mientras que la calcantita hidratada (CuSO4.5H2O) es azul intensa, ya que posee complejos octaédricos cobre-agua, distorsionados por efecto Jahn-Teller.

Azurita de intenso color azul, procedente de Toussit (Marruecos)
La alteración del cobre en vivo: oxidación de una superficie de sulfuro de cobre I (Cu2S), generando cristales de sulfato de cobre II (CuSO4-5H2O).

Necesitas cobre para respirar

El cobre es un elemento esencial para la vida. Se requiere en pequeñas cantidades para el mantenimiento de muchas funciones celulares (el cobre en exceso es tóxico). Para nosotros, y en general para todos los animales, el cobre es necesario para algo tan básico como respirar aire. El proceso de respiración culmina en las “centrales energéticas” de las células, las mitocondrias, donde tiene lugar la transformación del oxígeno en agua, gracias a los electrones cedidos por las moléculas orgánicas de las que nos alimentamos. Este proceso produce una gran cantidad de energía, que se usa en mantenernos vivos. El consumo del oxígeno que respiramos tiene lugar en una estructura llamada citocromo c oxidasa o complejo IV de la cadena respiratoria. Es en éste punto donde el cobre tiene un papel esencial, sin el cual no podríamos respirar el oxígeno. Gracias a los átomos de cobre en la estructura, el oxígeno puede convertirse en agua y se puede generar la energía que necesitamos.

La “intimidad” de la respiración: complejos metálicos en la citocromo c oxidasa, en la que he ocultado la parte proteica para verlos bien. Los electrones, que provienen de las moléculas orgánicas de las que nos alimentamos, se transfieren a través de una serie de complejos de hierro (grupos hemo) y átomos de cobre al oxígeno, que se transforma en agua. La razón por la que el cobre es necesario es compleja: se debe a las propiedades redox del cobre y el potencial eléctrico de la transformación Cu(I) a Cu(II). Imagen: C.Menor Salvan/Chimera UCSF a partir de PDB 5iy5.

En este punto también se generan los famosos “radicales libres”, a partir de la transformarción parcial del oxígeno. La formación de radicales libres es un proceso bioquímico necesario, aunque si se producen en exceso pueden dañar la célula. En la imagen anterior también reside la causa de la gran toxicidad del cianuro, que se coloca fuertemente en lugar del oxígeno y se une a los átomos de hierro y cobre, bloqueando su función e impidiendo la respiración.

A partir de ahora, cuando veas el cobre, recordarás cómo hace posible que respires y, junto con sus otras propiedades únicas y su historia, te hará pensar que éste elemento es, no ya el príncipe, sino el verdadero rey de los metales.

No todo el mundo llega leyendo hasta aquí, así que gracias por ello.

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