Kupfer

Kupfer (lat. Cuprum) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 11. Gruppe im Periodensystem. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cyprium „Erz von der Insel Zypern“, wo im Altertum Kupfer gewonnen wurde.

Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet Kupfer vielseitige Verwendung und zählt auch zur Gruppe der Münzmetalle.

Als schwach reaktives Schwermetall gehört Kupfer zu den Edelmetallen.

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Geschichte

Kupfer, Gold, Silber und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennenlernte. Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits von den ältesten bekannten Kulturen vor etwa 10.000 Jahren verwendet. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird manchmal auch Kupferzeit genannt. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus/Weiblichkeit ♀ assoziiert, sicher nicht zuletzt deshalb, weil die ersten Spiegel aus diesem Metall hergestellt wurden.

Später wurde es mit Zinn und Bleianteilen zu Bronze legiert. Diese härtere und technisch widerstandsfähigere Legierung wurde zum Namensgeber der Bronzezeit. Die Unterscheidung von Blei und Zinn wurde erst mit wachsenden Metallkenntnissen eingeführt, sodass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist.

Die goldgelbe Kupfer-Zink-Legierung „Messing“ war bereits im antiken Griechenland bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst die Römer haben dieses Verfahren verstärkt verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet.

Vorkommen

Kupfer kommt in der Natur manchmal als gediegenes Element vor, hauptsächlich in basaltischen Laven. Es tritt meist als Nugget (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten auf, selten auch in kristalliner Form. Der Anteil gediegenen Kupfers in der Natur ist allerdings sehr niedrig.

Kupfererze kommen dagegen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies) (CuFeS₂), Chalkosin (Kupferglanz) (Cu₂S), seltener auch aus Bornit (Cu₅FeS₄), Atacamit [CuCl₂ • Cu(OH)₂], Malachit und anderen Erzen gewonnen.

Die weltweit größten Vorkommen gibt es in Chile (Chuquicamata), den USA, Russland, Sambia (Copperbelt), Kanada und Peru.

Siehe auch: Kupferbergbau

Die Staaten mit der größten Förderung

Siehe auch: Liste der größten Kupferproduzenten

Das bedeutendste kupferproduzierende Land ist mit großem Abstand Chile, gefolgt von Indonesien und den USA. In Europa sind Polen und ferner Portugal und Schweden zu nennen. Die wichtigsten Exportländer sind in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehören u. a. Australien, Indonesien, Demokratische Republik Kongo sowie Papua-Neuguinea, auf dessen Insel Bougainville eine der weltgrößten Kupferminen 1988 zu einem Bürgerkrieg führte, dessen Folgen noch andauern.

Historisch bedeutsam waren die Kupfergruben auf der Keweenaw-Halbinsel im Lake Superior/USA (weltweit größtes Vorkommen von gediegenem Kupfer; Gewinnung bereits in vorkolumbischer Zeit). In Deutschland wurde bis 1990 im Mansfelder Land Kupferschiefer abgebaut.

Herstellung

Zur Herstellung von Kupfer wird aus Kupferkies (CuFeS₂) zunächst so genannter Kupferstein (Cu₂S mit variierenden Gehalten an FeS, Cu-Gehalt ca. 70 %) gewonnen. Dazu wird das Ausgangsmaterial unter Zusatz von Koks geröstet und die enthaltenen Eisenoxide durch kieselsäurehaltige Zuschlagstoffe verschlackt. Diese Eisensilikat-Schlacke schwimmt auf dem Kupferstein und kann so leicht abgegossen werden.

• Röstarbeit:

• Schmelzarbeit:

Der so erhaltene Kupferstein wird zu Rohkupfer (auch Schwarzkupfer, Cu-Gehalt ca. 98 %) weiterverarbeitet. Dazu wird er glutflüssig in einen Konverter gegossen und in diese Schmelze wird Luft eingeblasen. In einer ersten Stufe (Schlackenblasen) wird dabei das darin enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und dieses durch zugeschlagenen Quarz zur Schlacke gebunden, die abgegossen werden kann. In einem zweiten Schritt (Garblasen) werden zwei Drittel des verbleibenden Cu₂S zu Cu₂O oxidiert. Das Oxid setzt sich alsdann mit dem restlichen Sulfid zum Rohkupfer um.

• Schlackenblasen:

• Garblasen:

Das Rohkupfer (auch „Zementkupfer“ genannt) wird nun elektrolytisch gereinigt. Dabei bildet das unreine Kupfer die Anode, von da wandert das Kupfer als Ion durch den Elektrolyten zur Kathode und wird dort als Elektrolytkupfer mit einem Cu-Gehalt von 99,99 % abgeschieden, d. h. mit nur sehr geringen Beimengungen anderer Stoffe. Die unedleren Metalle dieser Beimengungen bleiben im Elektrolyt gelöst, die edleren Metalle (darunter Silber und Gold) bilden den „Elektrolytschlamm“ und werden gesondert aufbereitet.

Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in einer Affinerie, in Deutschland ist dafür die Norddeutsche Affinerie in Hamburg bekannt, früher war es auch die Duisburger Kupferhütte (heute DK Recycling).

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Mit einer Dichte von 8920 kg/m³ gehört Kupfer zu den Schwermetallen, sein Schmelzpunkt liegt bei 1083,4 °C. Es kristallisiert im kubisch-flächenzentrierten (fcc = face centered cubic) Kristallsystem (Cu-Typ) und hat eine zwischen 2,5 und 3 liegende Mohshärte. Kupfer leitet sehr gut den elektrischen Strom (58 · 10⁶ S/m). Damit ist es nur wenig schlechter als Silber und deutlich leitfähiger als Gold. Außerdem ist Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter.

Aluminium ist jedoch pro Gramm Gewicht ein besserer elektrischer Leiter als Kupfer. Es ist aber voluminöser als Kupfer, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger als Aluminium und die Verarbeitung problemloser als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet und Aluminium nur wenn es auf das Gewicht ankommt.

Als blankes Metall hat Kupfer eine hellrote Farbe, die Strichfarbe ist rosarot. An der Luft läuft Kupfer an und wird rötlichbraun. Durch weitere Verwitterung und Korrosion bildet sich sehr langsam (oft über Jahrhunderte) oberflächlich Patina. Dabei geht der Metallglanz verloren und die Farbe verändert sich von rotbräunlich bis hin zu einem bläulichen Grün.

Chemische Eigenschaften

Kupfer tritt in den Oxidationsstufen 0, +1, +2, +3 und +4 auf, am häufigsten sind +1 und +2, wobei +2 die stabilste Oxidationsstufe in wässrigen Lösungen ist; dagegen ist die Stufe +4 extrem selten (beispielsweise in Cs₂CuF₆). Kupfer(II)-Salze (z. B. Kupfersulfat) sind meist von blauer oder grüner Farbe. Kupfer hat chemisch manche ähnliche Eigenschaften wie die in der gleichen Gruppe stehenden Elemente Silber und Gold. So scheidet sich an einem Eisen-Nagel, der in eine Lösung aus Kupfersulfat getaucht wird, eine Schicht aus metallischem Kupfer ab, wofür Eisen als Eisensulfat in Lösung geht, weil Eisen unedler als Kupfer ist (siehe dazu auch Spannungsreihe).

Verwendung

Kupfer wird für Münzen, Stromkabel, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente, Rohrleitungen und vieles mehr verwendet.

Für elektrischen Strom leitende Kabel und Leitungen, Leiterbahnen (Leiterplatten und Integrierte Schaltkreise) und Bauteile (Wicklungen von Transformatoren, Drosseln und Induktivitäten, Anodenkörper von Magnetrons) eignet sich reines Kupfer wegen seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit. Für Oberleitungen wird Berylliumkupfer eingesetzt.

Kupfer besitzt ein hohes Reflexionsvermögen im Infrarot und wird daher als Spiegel für Kohlendioxidlaser-Strahlen eingesetzt.

Kupfer eignet sich wegen seiner sehr guten thermischen Leitfähigkeit als Wärmeableiter.

Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist.   Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden/-carbonaten bildet (dies ist kein Grünspan, siehe Kupferacetat). Diese Patina schützt das darunter liegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können.

Kupfer ist auch Bestandteil vieler Legierungen wie das goldgelbe Messing (mit Zink), die Bronze (mit Zinn) und das Neusilber (mit Zink und Nickel). Diese Legierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Man unterscheidet Knetlegierungen (Messing und Neusilber) und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen): Knetlegierungen werden durch plastisches Umformen (Warmumformen: Walzen, Schmieden usw. oder Kaltumformen: Drahtziehen, Hämmern, Kaltwalzen, Tiefziehen usw.) in die gewünschte Form gebracht, während Gusswerkstoffe meist nur schwer oder gar nicht plastisch formbar sind.

Auch Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind oft in Wirklichkeit hoch kupferhaltige Legierungen, wobei die kupfereigene Farbe durch ausreichenden Nickelzusatz verschwindet.

Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so ist das „Nordisches Gold“ genannte Metall der goldfarbigen Teile der Euromünzen eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung. Die Münzmetalle der bis 2001 gültigen 1-DM-Geldstücke sowie die hellen Anteile der Euromünzen bestehen aus Kupfer-Nickel-Legierungen.

Kupferverbindungen kommen in Farbpigmenten, als Toner, in medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz.

Siehe auch: Kupferrecycling

Biologische Wirkung

Kupfer ist Bestandteil des blauen Hämocyanin, das bei vielen Weichtieren und Gliederfüßern als Blutfarbstoff dem Sauerstofftransport dient. Auch bei allen höheren Lebewesen ist Kupfer als Bestandteil vieler Enzyme ein lebensnotwendiges Spurenelement. Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 2 Milligramm. Kupfer ist vor allem in Schokolade, Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen enthalten.

Kupfer wird im Menschen hauptsächlich in der Leber gespeichert. Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben.^[2] Im Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen ist Kupfer für höhere Organismen nur relativ schwach giftig. So kann ein Mensch täglich 0,04 Gramm Kupfer zu sich nehmen, ohne Schaden an seiner Gesundheit zu erleiden.^[3]

Bei der seltenen Erbkrankheit Morbus Wilson ist die Kupferausscheidung beeinträchtigt und es kommt zu vermehrter Kupferanlagerung zuerst in der Leber, dann, wenn diese Kupfer in den Blutkreislauf ausscheidet, auch in anderen Organen.

Die Alzheimer-Krankheit geht möglicherweise mit einem Kupfermangel einher. Die therapeutische Wirksamkeit von Kupfergaben wird untersucht.^[4]

Ein Kupfermangel tritt beim Menschen selten auf, hauptsächlich bei langanhaltenden Durchfällen, frühreifen Kindern, nach einer langanhaltenden Unterernährung oder Malabsorption durch Krankheiten wie z. B. Sprue, Morbus Crohn oder Mukoviszidose. Die Einnahme hoher Dosen von Zink, Eisen oder Molybdat kann ebenfalls zu verringerten Kupfermengen im Körper führen.^[2]

In freier, nicht an Proteine gebundener Form wirkt Kupfer antibakteriell; man spricht hier wie beim Silber vom oligodynamischen Effekt, weshalb z. B. auch Blumenwasser, das in Kupfergefäßen aufbewahrt wird oder in das eine Kupfermünze gelegt wird, nicht so schnell faulig wird.

Die toxische Wirkung entsteht dadurch, dass Kupfer-Ionen an Thiol-Gruppen von Proteinen binden und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, welche die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen führt dies im Fall von z. B. bei Morbus Wilson zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.

Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel und wurde deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt, beispielsweise durch weißen Phosphor, was in diesem speziellen Fall auch noch den Vorteil hat, dass gleichzeitig der Phosphor als schwerlösliches Kupferphosphid gebunden wird.

Nachweis

Kupfer färbt die Boraxperle in der oxidierenden Flammenzone blau bis blau-grün, in der reduzierenden Flammenzone ist keine Färbung bemerkbar bzw. wird die Perle rot bis rotbraun gefärbt. Im klassischen Kationentrenngang wird Kupfer in der Schwefelwasserstoff-Gruppe gefällt und dort in der Kupfergruppe als blauer Komplex nachgewiesen. Letztere Färbung beruht darauf, dass Lösungen von Kupfer(II)-Ionen mit Ammoniak einen tiefblauen Kupfertetramminkomplex, [Cu(NH₃)₄]²⁺, bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion).

Eine Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu₂[Fe(CN)₆]. Diese Nachweisreaktion ist sehr empfindlich, d. h. sie zeigt auch geringe Kupfermengen an.

Kupfersalze färben die Flamme (Bunsenbrennerflamme) grün/blau (Spektralanalyse).

Quellen

1. ↑ Handelsblatt Die Welt in Zahlen (2005)
2. ↑ ^{a b} http://www.merck.com/mmhe/sec12/ch155/ch155c.html Merck Manual: Copper
3. ↑ 0,5 g/kg laut: Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin, 2007.
4. ↑ http://www.uniklinikum-saarland.de/de/aktuelles/pressemitteilungen/2005/07/1121353268