Metalurgia do cobre

A metalurgia do cobre extrai o metal do minério aquecido com carvão vegetal sob uma forte corrente de ar. Os minérios verdes como a malaquite entregam o cobre num só passo; os sulfuretos têm de ser primeiro ustulados e fundidos num produto intermédio, o mate. Os vestígios analisados mais antigos do processo, escórias de Belovode, na Sérvia, datam de cerca de 5000 a.C.

O que é

O cobre é um dos poucos metais que se encontram na natureza já em estado metálico, em pepitas e folhas finas: o cobre nativo. Foi martelado em contas e furadores muito antes de se fundir qualquer minério. Mas o cobre nativo é raro, e quase todo o cobre está em minerais: a malaquite verde-viva e a azurite azul perto da superfície, e mais abaixo sulfuretos cor de latão como a calcopirite.

A metalurgia extrativa tira o cobre desses minerais. Minério e carvão vegetal são aquecidos juntos enquanto foles ou canas de sopro injetam ar; o carvão retira ao cobre o oxigénio que lhe está ligado, e o resto da rocha funde em escória. O cobre assim obtido era vazado em ferramentas e, ligado com estanho, dava bronze. Foi um dos primeiros metais obtidos de um minério, milhares de anos antes do ferro.

Como funciona

A malaquite, um carbonato verde, entrega o cobre num passo. A calcopirite, um sulfureto de cobre e ferro, tem de ser ustulada primeiro.

Num fogo atiçado por uma forte corrente de ar, o carvão que arde forma monóxido de carbono onde falta oxigénio. Esse gás retira o oxigénio aos óxidos de cobre, e a malaquite, ao ser aquecida, decompõe-se em óxido de cobre. O cobre surge então em pequenos grãos. Acima de 1085 °C fundem e juntam-se em gotículas ou numa massa no fundo do forno ou do cadinho. O resto do minério, sobretudo sílica e óxido de ferro, funde numa escória vítrea, mais leve do que o metal, que fica por cima.

As primeiras fundições deixavam boa parte do cobre presa na escória sob a forma de gotículas. No Levante meridional, durante o Calcolítico, no V milénio a.C., reduzia-se o minério em fornos de fossa, partia-se a escória fria para separar as gotículas, que depois se refundiam juntas num cadinho e se vazavam.

Os sulfuretos estão mais fundo e tornaram-se mais tarde a principal fonte de cobre, mas o carvão sozinho não consegue libertar o seu metal. Primeiro são ustulados, ou seja, aquecidos com muito ar: parte do enxofre sai como dióxido de enxofre e o ferro passa a óxido. A fusão do minério ustulado dá então o mate, uma mistura fundida de sulfuretos de cobre e de ferro, mais pesada do que a escória. O mate volta a ser ustulado e fundido, uma ou várias vezes, até restar pouco ferro e enxofre e sair o cobre. Ensaios baseados em sítios da Idade do Bronze nos Alpes mostraram que dois ciclos de ustulação e fusão do mate eliminavam a maior parte do enxofre e do ferro.

Como fazer

Os passos seguintes seguem um exercício de laboratório universitário sobre a redução direta da malaquite. É preciso uma forja a carvão com ventilador, um cadinho de argila e grafite com a respetiva tenaz, carvão vegetal britado um pedaço de malaquite de origem conhecida e um termopar para medir a temperatura da carga.

Preparar a carga. Britar separadamente a malaquite e o carvão em pedaços de 3 a 5 mm e peneirar o pó. Pesar 90 g de minério e 30 g de carvão, misturá-los bem e encher o cadinho. A malaquite contém cerca de 57 % de cobre em peso, por isso esta carga encerra cerca de 52 g de cobre.

Aquecer. Pousar o cadinho sobre um leito de brasas na forja e amontoar combustível à volta para que aqueça por igual. Aumentar o ar e ler o termopar com frequência. O exercício de laboratório tira o cadinho do fogo quando a carga chega a cerca de 1250 °C e avisa para não passar daí. Em ensaios feitos na Morávia em 2023 e 2024, a reação precisou de cerca de uma hora a uns 1200 °C.

Depois de o cadinho arrefecer, o cobre separa-se da escória: um pequeno botão e gotículas soltas.

Recuperar o cobre. Retirar o cadinho com a tenaz e deixá-lo arrefecer sobre um tijolo refratário. Despejá-lo e separar o cobre do carvão e da escória: um pequeno lingote, gotículas soltas ou ambos. Pesar o metal e compará-lo com o cobre contido no minério. Nos ensaios da Morávia, uma malaquite quase pura rendeu em média cerca de dois terços do seu cobre, e o metal tinha uma pureza superior a 99 %.

Segurança. Ferramentas, tijolos e chão têm de estar completamente secos: a água sob metal ou escória fundidos transforma-se em vapor e projeta-os. Um fogo de carvão vegetal liberta monóxido de carbono; nunca fundir num espaço fechado. Nunca aquecer calcopirite nem outros sulfuretos, que libertam dióxido de enxofre, nem um minério que não se saiba identificar: alguns minerais de cobre contêm arsénio, cujos fumos são venenosos.

História e evolução

Em Çatalhöyük, na Anatólia, contas do VII milénio a.C. foram marteladas em cobre nativo. Uma «escória» verde ali encontrada passou muito tempo pelo sinal mais antigo de fundição; um estudo publicado em 2017 mostrou que se trata de um mineral de cobre queimado por acidente. A fundição mais antiga conhecida até hoje está em Belovode, na Sérvia, onde escórias de cobre analisadas datam de cerca de 5000 a.C., a época dos primeiros objetos de cobre vazado. Em Tal-i Iblis, no sudeste do Irão, centenas de fragmentos de cadinhos mostram cobre reduzido em cadinho no fim do VI ou no início do V milénio a.C.

A entrada de ar limitava o calor: os ensaios da Morávia com canas de sopro de sabugueiro só atingiram 1000 a 1100 °C, e a equipa teve de acabar com fole. Em Abu Matar, perto de Bersebá, fragmentos reexaminados em 2024 apontam para foles e para fornos cobertos com grandes cacos de cerâmica, provavelmente o testemunho mais antigo de foles na região.

Na Idade do Bronze, os mineiros voltaram-se para os sulfuretos. No Mitterberg, nos Alpes austríacos, os locais de fundição do II milénio a.C., sobretudo do Bronze Médio, juntam eiras de ustulação, fornos muitas vezes construídos aos pares mais abaixo e escoriais.

No forno de revérbero, a chama passa por cima da carga e a abóbada devolve-lhe o calor; o carvão nunca toca no minério.

No fim do século XVIII, o baixo vale de Swansea, no País de Gales, era o centro mundial da fundição de cobre. As suas fábricas queimavam carvão da bacia hulhífera vizinha do sul do País de Gales em fornos de revérbero, onde o fogo arde numa grelha à parte e só a chama passa sobre o minério, e tratavam minério chegado por mar da Cornualha e, mais tarde, de todo o mundo. O processo galês ustulava e fundia o minério vezes sem conta para concentrar o cobre num mate, e depois transformava o mate em cobre bruto, dito blister.

Em 1880, Pierre Manhès e Paul David adaptaram o conversor Bessemer ao mate de cobre: o ar soprado através do mate fundido queima o enxofre e o ferro e deixa cobre blister. A primeira refinaria eletrolítica comercial de cobre tinha arrancado em Pembrey, no País de Gales, em 1869, com patentes registadas por James Elkington a partir de 1865, e dava cobre de grande pureza. Em 1949, a empresa Outokumpu pôs a funcionar em Harjavalta, na Finlândia, o primeiro forno industrial de fusão instantânea: um concentrado de sulfuretos fino arde ali numa corrente de ar e aquece-se com a sua própria reação.