Chimica – l’estrazione del rame

Chimica – L’estrazione del rame (11-14 anni)

1. Introduzione

Perchè produrre rame?

E’ difficile immaginare un mondo senza rame. Noi ci affidiamo al rame nei settori dell’elettricità, dell’illuminazione, del riscaldamento, delle comunicazioni, del rifornimento idrico e dei trasporti. Il rame rende efficienti, comode e belle le nostre case, le nostre scuole e le nostre aziende e si conserva per molti anni.
Il rame offre una notevole combinazione di proprietà. E’ un ottimo conduttore elettrico e termico, è duttile e può impedire la proliferazione batterica.

Analogamente a tutte le risorse naturali, le riserve di rame provenienti dal terreno sono limitate. Il rame è riciclato fin dall’antichità. Oggi il 40% della domanda è coperta da rame riciclato, e questo contribuisce a preservare le risorse terrestri.
Il rame è perfettamente idoneo per il riciclo in quanto può essere rifuso all’infinito senza perdere le sue proprietà. I vecchi tubi idraulici, rubinetti e radiatori per auto in rame, ad esempio, rappresentano una fonte primaria di rame riciclato. Tutti questi oggetti in rame possono essere fusi e trasformati in nuovi prodotti. In futuro anche i pochi grammi di rame contenuti nei nostri cellulari saranno riciclati.

In questa sezione esamineremo i metodi per ottenere il rame dalle miniere e dal riciclo.

2. Da dove arriva il rame?

In natura i metalli sono generalmente presenti sotto forma di composti (di norma combinati con ossigeno o zolfo). Questi composti sono inglobati in rocce o minerali, denominati minerali metallici.

Cos’è un minerale metallico?

Per minerale metallico si intende una roccia contenente una quantità di metallo tale da rendere economicamente conveniente l’estrazione del metallo.
I minerali di rame principali sono:

  • Calcopirite
  • Bornite
  • Malachite

Oltre il 50% del rame mondiale proviene dalla calcopirite e dalla bornite.

Rame nativo

Il rame è un metallo poco reattivo: e si combina lentamente con gli elementi che compongono l’atmosfera. Questo significa che grosse masse di rame metallico si trovano sotto terra come pepite. Questo viene chiamato rame nativo. La più grande pepita di rame mai estratta è stata trovata in Minnesota (USA) e pesava più di 400 tonnellate.

3. Estrazione del rame

I metalli sono presenti in forma di minerali inglobati nella crosta terrestre. In che modo si arriva al metallo finale? Le fasi principali di questo processo sono tre:

  • estrazione
  • trattamento del minerale
  • raffinazione

Analizziamo ora in maggiori dettagli ognuna di queste fasi.

Estrazione

Il minerale di rame deve essere scavato dal terreno. Il minerale contiene una certa quantità di rame ed una notevole quantità di roccia. per esempio una miniera di rame può produrre 6 tonnellate di rame da ogni 1000 tonnellate di minerale.

Trattamento del minerale

Un minerale deve essere trasformato chimicamente in metallo. Questo processo è denominato riduzione. Le fasi del processo di riduzione ed i relativi costi dipendono dalla reattività del metallo. In generale, tanto più reattivo è il metallo, quanto più difficile è la sua estrazione dal suo minerale.

Raffinazione

Molti metalli sono impuri quando vengono estratti dai rispettivi minerali. Le impurità presenti devono essere eliminate. Il rame viene purificato mediante elettrolisi. Durante questo processo il rame viene trasferito da un anodo impuro al catodo di una cella elettrolitica. Le impurità insolubili si depositano sul fondo. Il rame ricavato da questo processo è puro al 99,99%.

Si tratta di un processo simile all’elettrolisi eseguita in un laboratorio scolastico.

4. Riciclo

Perchè riciclare il rame?

Il rame è uno dei molti metalli riciclabili. Le ragioni che depongono a favore di un riciclo del rame sono:

1. Prezzo
E’ più economico riciclare il rame piuttosto che estrarne di nuovo. Il valore del rame riciclato raggiunge il 90% del costo del rame originale. Il riciclo contribuisce a mantenere sotto controllo il costo dei prodotti in rame.

2. Risorse limitate  
A tutt’oggi soltanto il 12%-13% di tutte le risorse conosciute è stato estratto. E’ comunque ragionevole preservare i giacimenti di minerale rimanenti attraverso il riciclo.

3. Efficienza energetica 
Per il riciclo di una tonnellata di rame occorre il 15% dell’energia che verrebbe utilizzata per estrarre la stessa quantità di rame. Il riciclo quindi contribuisce a preservare le riserve mondiali di combustibili fossili e riduce le emissioni di anidride carbonica.

4. Costi di smaltimento 
I rifiuti domestici e industriali generalmente vengono interrati in quelle che chiamiamo discariche. Le discariche tuttavia si riempiono rapidamente ed i costi associati al loro utilizzo sono in continuo aumento. Lo smaltimento dei rifiuti in discarica è quindi diventato un’opzione molto costosa. Queste spese possono essere evitate attraverso il riciclo.

5. Tutela ambientale 
L’estrazione e la raffinazione di tutti i metalli producono l’emissione di gas e polveri. Sebbene questi vengano raccolti dai produttori metallurgici, il riciclo praticamente elimina le emissioni, contribuendo alla tutela ambientale.

Da dove proviene il rame riciclato?

Esistono due tipi di rame di scarto:

rottami vecchi provengono da prodotti scartati, smantellati o obsoleti al termine della loro vita utile. Esempio: tubi di rame provenienti da vecchi edifici, vecchi rubinetti smantellati in seguito alla ristrutturazione di un bagno, vecchi serbatoi di acqua calda o cavi elettrici dismessi.

rottami nuovi provengono da fabbriche che producono articoli in rame, ottone o bronzo. Le loro macchine generano sfridi e scarti che possono essere raccolti e reimmessi nella catena del riciclo.

Il rame è prodotto con diversi gradi di purezza a seconda dell’applicazione a cui è destinato. Il rame di qualità più elevata è il tipo elettrico. E’ puro al 99,99% ed è utilizzato per la produzione di cavi elettrici in quanto offre la migliore conduttività elettrica. I rottami di tipo elettrico non devono mai essere miscelati con gradi di minore purezza, come i tubi idraulici di scarto. Questi rottami contengono infatti eccessive quantità di fosforo che riducono drasticamente la conduttività elettrica.

I rottami di qualità inferiore possono essere utilizzati per ricavare leghe di rame o sostanze chimiche a base di rame. Il solfato di rame utilizzato nei laboratori scolastici probabilmente è stato ottenuto da scarti di rame.

I rottami di ottone (come i vecchi rubinetti) devono essere utilizzati soltanto per la fusione e la realizzazione di nuovi articoli in ottone.

5. Quanto ne rimane?

Quanto rame potremo ancora estrarre?

Non è possibile rispondere con precisione a questa domanda per le seguenti ragioni:

  1. Solo alcuni dei depositi conosciuti sono in fase di sfruttamento mentre sono in costante sviluppo nuovi metodi per l’estrazione del rame, ad esempio l’uso di batteri per ‘mangiare’ il rame dal minerale di bassa qualità;
  2. Alcuni depositi non contengono rame in quantità tale da renderne oggi conveniente l’estrazione;
  3. Esistono numerosi depositi di rame non ancora ben individuati;
  4. E’ in corso di studio la possibilità di estrarre rame dai noduli manganesiferi presenti sul fondale oceanico.

Il rame può essere considerato come uno dei pochi metalli totalmente sostenibili. In altre parole, il rame dovrebbe non esaurirsi mai. Il rame e le sue leghe sono infatti totalmente riciclabili.

Come oligoelemento presente in natura, il rame compare nell’intera catena alimentare. Il rame che viene dilavato dalle rocce e dal terreno finisce con il ridepositarsi sui fondali marini.

Niente sprechi

E’ importante utilizzare il rame disponibile con ragionevolezza e riciclarne quanto più possibile. Pur non correndo il rischio di esaurimento, il rame è sempre più richiesto e in futuro questo metallo potrebbe cominciare a scarseggiare fino a quando non sarà possibile sfruttare economicamente i nuovi depositi.