El cobre es un metal de transición de color anaranjado brillante muy particular. Como veremos más adelante, su principal característica es ser un excelente conductor de la electricidad, solo por detrás de algunos metales preciosos mucho más caros como la plata. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad, lo que permite producir con él láminas e hilos muy delgados y finos. Además, sus propiedades mecánicas son bastante buenas y admite fácilmente procesos de soldadura con otros metales como el estaño. Estas características hacen que se haya convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros elementos relacionados con dispositivos eléctricos o componentes electrónicos, en los que la buena conducción eléctrica es un requisito necesario.
El cobre, pese a no considerarse un metal precioso, puede hallarse en estado nativo en la naturaleza, donde suele aparecer acompañando a óxidos como la cuprita, aunque la forma más habitual es en forma de sulfuros (calcosina, covellita), encontrándose habitualmente junto a las piritas (sulfuro de hierro) y formando sulfuros mixtos como la calcopirita o la bornita.
La extracción del cobre se puede llevar a cabo mediante dos procesos distintos conocidos como pirometalúrgico e hidrometalúrgico. En el primer caso se emplea calor en hornos de alta temperatura para extraer el cobre metálico a partir de sulfuros minerales mediante su reducción electroquímica, produciéndose dióxido de azufre como subproducto que habitualmente se procesa para obtener ácido sulfúrico. Este método de tostación de sulfuros es bastante frecuente en la obtención de muchos metales. Por el contrario, en los procesos hidrometalúrgicos, que son habituales para la extracción del cobre en aguas de minas ricas en óxidos, el metal se obtiene mediante lixiviación con ácido sulfúrico para lograr una disolución de sulfato de cobre a partir de la cual posteriormente se obtiene cobre metálico por electrolisis. Es importante mencionar que ambos procesos se rematan con un refinado electrolítico en el cual se consiguen cátodos de cobre con purezas superiores al 99,99 %.
Aparte del cobre metálico, que como ya hemos comentado es el conductor por excelencia, existen múltiples aleaciones que contienen mayoritariamente cobre de interés industrial, de las que destacan claramente los latones y el bronce (figura 2.10).
El latón es una aleación de cobre y zinc (menos del 50%), que puede contener otros metales en menor proporción. El latón es más duro que el cobre pero es fácil de mecanizar o grabar. Presenta un color más amarillo que el cobre, bastante característico, parecido al oro, por lo que se usa mucho en bisutería y en artículos de decoración. Además, es muy resistente a la oxidación e incluso al agua de mar o ambientes salinos. Sus propiedades mecánicas son modestas y en general no admite tratamientos térmicos para mejorarlas, por lo que no tiene muchas aplicaciones de carácter estructural. Curiosamente, es una de las pocas aleaciones que es muy poco propensa a generar chispas con los impactos, lo que la hace muy apta para fabricar envases de productos inflamables, cerdas de cepillos de metales o pararrayos.
El bronce es otra aleación muy común del cobre, conteniendo entre un 2% y un 22% de estaño y pudiendo incluir otros metales minoritarios. El bronce tiene una importancia histórica capital, ya que se trata de la primera aleación que se fabricó adrede en la historia de la humanidad. Durante centurias fue la aleación básica para la fabricación de armas y otros utensilios, así como productos de orfebrería de casi todas las épocas pasadas. El bronce se emplea especialmente en aleaciones conductoras del calor, en baterías eléctricas y en la fabricación de válvulas, tuberías y uniones de fontanería.
La alpaca es otra aleación que contiene cobre mayoritariamente (entre un 50% y un 70%), en este caso combinado con níquel y zinc, con color y brillo parecidos a los de la plata. Es muy resistente a la corrosión y típicamente se usa en orfebrería, bisutería, vajillas y cuberterías. Otras aleaciones comerciales de cobre contienen cadmio, cromo y cromo-zirconio, aluminio, berilio o plata.
Dada la importancia que tiene el cobre como conductor nos vamos a detener un poco más en esta aplicación. De hecho, el cobre lleva siendo el conductor de referencia desde hace más de un siglo; tanto es así que la conductividad eléctrica del cobre puro fue durante mucho tiempo la referencia aceptada como estándar para esta magnitud. La conductividad eléctrica, usualmente representada por la letra griega sigma (σ) es la magnitud que cuantifica la capacidad que tiene un material para dejar pasar la corriente eléctrica a su través. Su unidad en el Sistema Internacional es Ω–1 m–1, empleándose a menudo la unidad siemens (S) en vez de Ω–1. De modo análogo se define la resistividad, denotada por la letra griega ro (ρ), pero en términos opuestos, es decir, es la magnitud que cuantifica la dificultad que encuentra la corriente eléctrica para atravesar un determinado material.
Es interesante que la conductividad (o la resistividad) es una de las magnitudes físicas que en más órdenes de magnitud varía según el material. Así, la conductividad de un buen aislante polimérico como el teflón es de 10–24 Ω–1 m–1; otro aislantes como los vidrios o el diamante presentan conductividades en un rango aproximado de 10–12 a 10–15 Ω–1 m–1; un semiconductor intrínseco típico como el silicio tiene una conductividad de 4·10–4 Ω -1 m–1; y la de un buen conductor metálico como el cobre es 5·107 Ω–1 m–1. Y eso sin contar a los superconductores, que presentan unas resistividades muy próximas a cero, por lo que el rango se extendería todavía más.
Hay que tener en cuenta también la diferencia entre resistividad y resistencia eléctrica (o, equivalentemente, entre conductividad y conductancia). La resistividad y la conductividad son características exclusivas del material y permiten la comparación directa entre los valores de estas propiedades, mientras que la resistencia o la conductancia dependen de cada muestra, ya que, como se indica en la ecuación de la figura 2.11, se calcula en base a la conductividad o resistividad y un término geométrico de la muestra, que para conductores en los que una dimensión es mucho mayor que las otras dos depende básicamente de su longitud y de su sección. Evidentemente, a mayor longitud mayor será la resistencia, ya que habrá más pérdidas, y a mayor sección mayor conductancia o menor resistencia, en una clara analogía a lo que ocurre con el caudal de un fluido que circula por un conducto.
Una característica muy importante de la conductividad eléctrica es su variación con la temperatura, ya que eso revela si el material se comporta como un metal o como un semiconductor. En la figura 2.11 se muestra cómo es la variación de la resistividad de tres metales de referencia: el oro, el cobre y la plata. La resistividad se hace más pequeña al ir bajando la temperatura, mientras que va aumentando conforme lo hace la temperatura. Esta variación se explica de acuerdo al enlace metálico que se introdujo en el capítulo anterior. Los metales disponen de electrones de conducción deslocalizados en la red cristalina. En principio, al aplicar un campo eléctrico, estos son susceptibles de moverse generando una corriente eléctrica. A mayor magnitud del campo eléctrico mayor será la corriente eléctrica que se genere. No obstante, la intensidad de corriente no puede crecer indefinidamente con el campo eléctrico porque, a medida que aumente la movilidad de los electrones, será más fácil que se encuentren con algún tipo de obstáculo como defectos cristalinos o fronteras de grano. Además de que el número de defectos crece con la temperatura (aumenta la entropía), las propias vibraciones de la red empiezan a dificultar el tránsito de electrones, generando un valor cada vez mayor de resistividad. Como veremos en la última sección de este capítulo, este comportamiento es el opuesto cualitativamente al que se encuentra en los semiconductores, ya que el mecanismo de conducción es radicalmente distinto.
[1] Adaptada de R. A. Matula. J. Phys. Chem. Ref. Data 8 (1979) 1147-1298. https://doi.org/10.1063/1.555614.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
