Kupfer

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Kupfer (Begriffsklärung) aufgeführt.
Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Kupfer, Cu, 29
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 11, 4, d
Aussehen lachsrosa, metallisch
CAS-Nummer 7440-50-8
Massenanteil an der Erdhülle 0,01 %[1]
Atomar [2]
Atommasse 63,546 u
Atomradius (berechnet) 135 (145) pm
Kovalenter Radius 132 pm
Van-der-Waals-Radius 140 pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s1
Austrittsarbeit 4,65 eV[3]
1. Ionisierungsenergie 745,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1957,9 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 8,92 g/cm3 (20 °C)[4]
Mohshärte 3,0
Magnetismus diamagnetisch (\chi_{m} = −9,6 · 10−6)[5]
Schmelzpunkt 1357,77 K (1084,62 °C)
Siedepunkt 2868 K[6] (2595 °C)
Molares Volumen 7,11 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 305 kJ/mol[6]
Schmelzwärme 13,3[7] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 3570 m/s
Spezifische Wärmekapazität 385[1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 58,1 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 400 W/(m · K)
Mechanisch [2]
E-Modul 100…130 GPa[8][9]
Poissonzahl 0,34…0,35[10]
Chemisch [2]
Oxidationszustände 1, 2
Oxide (Basizität) Cu2O, CuO (leicht basisch)
Normalpotential 0,340 V (Cu2+ + 2 e → Cu)
Elektronegativität 1,9 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
61Cu

{syn.}

3,333 h ε 2,237 61Ni
62Cu

{syn.}

9,74 min ε 3,948 62Ni
63Cu

69,17 %

Stabil
64Cu

{syn.}

12,7 h ε 1,675 64Ni
β 0,579 64Zn
65Cu

30,83 %

Stabil
66Cu

{syn.}

5,088 min β 2,642 66Zn
67Cu

{syn.}

61,83 h β 0,577 67Zn
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
63Cu 3/2 7,112 · 107 0,065 26,51
65Cu 3/2 7,604 · 107 0,0354 28,40
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [11]
02 – Leicht-/Hochentzündlich 09 – Umweltgefährlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228​‐​410 (Pulver)
P: 210​‐​273​‐​501 (Pulver) [11]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [12][11]
Leichtentzündlich
Leicht-
entzündlich
(F)

(Pulver)

R- und S-Sätze R: 11 (Pulver)
S: 16 (Pulver)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kupfer (lat. Cuprum) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein Übergangsmetall, im Periodensystem steht es in der 4. Periode und der 1. Nebengruppe (nach neuer Zählung Gruppe 11) oder Kupfergruppe. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cypriumErz von der Insel Zypern“, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde.

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

Als schwach reaktives Schwermetall gehört Kupfer zu den Halbedelmetallen.

Geschichte

Kupferbergwerk, Herri met de Bles, Mitte 16. Jahrhundert
Symbol für Kupfer in der Alchemie: das Venussymbol, ein stilisierter Spiegel, das Symbol für die Göttin und den Planeten Venus

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 je nach Region auch Kupferzeit genannt. In Hujayrat al-Ghuzlan in Jordanien bestand schon um 4.000 v. Chr. eine Massenproduktionsstätte von Kupfer. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus/Weiblichkeit (Planetenmetalle) assoziiert. Die ersten Spiegel wurden aus diesem Metall hergestellt. Größter vorindustrieller Kupferhersteller war das Römische Reich mit einer geschätzten Jahresproduktion von 15.000 t.[13]

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, das in der Natur relativ selten gediegen (in elementarer Form) vorkommt, ist als Mineral anerkannt und wird von der International Mineralogical Association (IMA) gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) unter der System-Nr. „1.AA.05“ geführt (Elemente - Metalle und intermetallische Verbindungen - Kupfer-Cupalit-Familie)[14] (8. Auflage: I/A.01-10). Die im englischsprachigen Raum ebenfalls geläufige Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. „01.01.01.03“.

Kupfer kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine Mohshärte von 2,5 bis 3 und bildet sich meist in basaltischen Laven entweder in Form von „kupferroten“, metallisch glänzenden Nuggets (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten. Sehr selten ist auch seine kristalline Ausbildung anzutreffen. Kupfer tritt in Paragenese mit verschiedenen, meist sekundären Kupfermineralen wie Bornit, Chalkosin, Cornwallit, Cuprit, Azurit und Malachit sowie Tenorit auf, kann aber auch mit vielen anderen Mineralen wie Calcit, Klinoklas, Prehnit, Pumpellyit, Quarz und Silber vergesellschaftet sein.

Weltweit konnte gediegenes Kupfer bis 2011 an rund 2900 Orten nachgewiesen werden.[15] Die größten Vorkommen gibt es in Chile (Chuquicamata), Peru, den USA, Russland, Sambia (Copperbelt), Kanada und der Mongolei.

Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Chalkosin (Kupferglanz, Cu2S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu5FeS4), Atacamit (CuCl2 · Cu(OH)2), Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) und anderen Erzen gewonnen. Im Jahre 2010 waren 636 Kupferminerale bekannt.[16]

Siehe auch: Kupferbergbau

Produzenten

Zeitliche Entwicklung der Kupferförderung
Mitgliedsstaaten der CIPEC

Der bedeutendste Kupferproduzent ist Chile, mit großem Abstand gefolgt von Peru und den USA. In Europa sind Polen, Portugal und Schweden nennenswert. Die wichtigsten Exportländer waren von 1967 bis 1988 in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehörten unter anderem Chile, Peru und Papua-Neuguinea, auf dessen Insel Bougainville eine der weltgrößten Kupferminen 1988 zu einem Bürgerkrieg führte.

Historisch bedeutsam waren die Kupfergruben auf der Keweenaw-Halbinsel im Lake Superior (USA). Dort gab es das weltweit größte Vorkommen von gediegenem Kupfer. Abbau fand dort schon in vorkolumbischer Zeit statt. In Deutschland wurde bis 1990 im Mansfelder Land Kupferschiefer abgebaut und in Cornwall hat es vor allem im 18. und 19. Jahrhundert bedeutenden Kupferbergbau gegeben.[17]

Förderung von Kupfererz in Tausend Tonnen (2006)
Quelle: United States Geological Survey
Rang Land Fördermenge
1 ChileChile Chile 5360,8
2 Vereinigte StaatenVereinigte Staaten USA 1200,0
3 PeruPeru Peru 1048,9
4 China VolksrepublikChina Volksrepublik China 889,0
5 AustralienAustralien Australien 858,8

Gewinnung

Gerösteter Kupferkies, der so genannte Kupferstein

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:
\mathrm{6 \ CuFeS_2 + 10 \ O_2 \longrightarrow 3 \ Cu_2S + 2 \ FeS + 2 \ Fe_2O_3 + 7 \ SO_2}
  • Schmelzarbeit:
\mathrm{Fe_2O_3 + C + SiO_2 \longrightarrow Fe_2SiO_4 + CO}

Der so erhaltene Kupferstein wird zu Rohkupfer (auch Schwarzkupfer) weiterverarbeitet. Dazu wird er glutflüssig in einen Konverter gegossen und in diese Schmelze 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 dann mit dem restlichen Sulfid zum Rohkupfer um.

  • Schlackenblasen:
\mathrm{2 \ Cu_2S + 3 \ O_2 \longrightarrow 2 \ Cu_2O + 2 \ SO_2}
  • Garblasen:
\mathrm{Cu_2S + 2 \ Cu_2O \longrightarrow 6 \ Cu + SO_2}

Das Rohkupfer hat einen Kupferanteil von 98 %. In den restlichen 2 % sind neben unedlen Metallen wie Eisen und Zink auch Edelmetalle wie Silber und Gold enthalten. Die elektrolytische Raffination von Kupfer wird in einer schwefelsäurehaltigen Kupfer-(II)-sulfat-Lösung mit einer Rohkupfer-Anode und einer Reinkupfer-Kathode durchgeführt. Bei der Elektrolyse werden nun alle im Vergleich zu Kupfer unedleren Metallen oxidiert und gehen als Kationen in Lösung, während die edleren Metalle als Anodenschlamm absinken.

Reaktionsgleichung der elektrolytischen Raffination:

Anode
\mathrm{Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2 \ e^-}
\mathrm{Fe \longrightarrow Fe^{2+} + 2 \ e^-}
\mathrm{Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2 \ e^-}
Kathode
\mathrm{Cu^{2+} + 2 \ e^- \longrightarrow Cu}
Entkupferung von Erzlösung über Eisenplatten im Killianstollen Marsberg durch Bildung von „Zementkupfer“ (hellrosa)

Während die Anode sich langsam unter Bildung der Kationen auflöst, scheidet sich an der Kathode durch Reduktion von Kupferionen ausschließlich Kupfer, das Elektrolytkupfer, mit einem Massenanteil von w(Cu) = 99,99 % ab.

Der als Nebenprodukt entstehende Anodenschlamm wird später weiter verwertet und dient als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der Edelmetalle.

Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in Affinerien. In Europa ist dafür die Aurubis AG (früher Norddeutsche Affinerie) mit Hauptsitz in Hamburg bekannt, früher war es auch die Duisburger Kupferhütte (heute DK Recycling).

Kupfer kann auch als so genannter Zementkupfer durch Fällung aus Kupfersulfat-Lösung mit Eisen gewonnen werden. Der Vorgang der Fällung wird Zementation genannt. Das erhaltene Kupfer ist oft verunreinigt.[18] Die Fällung von Kupfer auf Eisen aus natürlich vorkommenden Metallsalz-Lösungen wurde in China bereits seit 1086 n. Chr. praktiziert.[19]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kupferscheibe nach dem Stranggussverfahren hergestellt, geätzt, Durchm. ca. 83 mm, Reinheit ≥ 99,95 %.

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 den elektrischen Strom sehr gut (58 · 106 S/m). Damit ist es nur wenig schlechter als Silber und deutlich leitfähiger als Gold. Außerdem ist Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter. Da alle im Kupfer löslichen Beimengungen, besonders Verunreinigungen wie Phosphor und Eisen, die Leitfähigkeit herabsetzen, werden für Leiterwerkstoffe höchste Reinheitsgrade angestrebt. Durch Kaltstreckung wird dessen Festigkeit im Gusszustand von 150–200 MPa auf Werte um 450 MPa erhöht. Die Bruchdehnung liegt dabei bei 4,5 % mit Härtewerten um 100 HB. Verformtes und weichgeglühtes Kupfer mit einer Festigkeit von 200 bis 240 MPa hat eine Bruchdehnung größer 38 % und Härtewerte um die 50 HB.

Schmieden und Gesenkpressen ist bei Temperaturen von 700–800 °C sehr gut möglich. Kaltverformungen sind gut ohne Zwischenglühen durchführbar.

Aluminium ist pro Gramm Gewicht ein noch besserer elektrischer Leiter als Kupfer. Es ist aber voluminöser, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt den elektrischen Strom besser leitet. Weil Kupfer reaktionsträger als Aluminium und seine Verarbeitung problemloser ist, wird als Stromleiter meist Kupfer verwendet und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht oder bessere mechanische Eigenschaften (z. B. Festigkeit) ankommt.

Als blankes Metall hat Kupfer eine hellrote Farbe, die Strichfarbe ist rosarot. Die rote Farbe rührt daher, dass dieses Metall bei normaler Temperatur die komplementären grünen und blauen Lichtstrahlen absorbiert. An der Luft läuft es 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; Stufe +4 ist 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 Eisennagel, 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). Kupfer wird von Salzsäure normalerweise nicht angegriffen[20], bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch stark angegriffen, von heißer Schwefelsäure wird es aufgelöst.[21] Es löst sich auch in Salpetersäure[22] und Königswasser auf.[23] Eine Mischung aus Salzsäure oder Schwefelsäure mit Wasserstoffperoxid löst Kupfer sehr schnell auf. Das Metall wird auch von organischen Säuren angegriffen. Gegen Laugen verhält es sich stabil. Bei Rotglut reagiert es mit Sauerstoff und bildet eine dicke Schicht aus Kupferoxid. Kupfer wird von Fluor und seiner Verbindungen passiviert. Gegen saubere Luft und Wasser ist es beständig.

In flüssigem Kupfer lösen sich Sauerstoff und Wasserstoff, die sich bei der Erstarrung der Schmelze zu Wasserdampf umsetzen können und damit die Ursache für Gasporosität im Gussstück bilden.

Biologische Eigenschaften

Bakterizide Eigenschaften

Kupfer ist für viele Mikroorganismen bereits in geringen Konzentrationen toxisch, welche für Wirbeltiere unbedenklich sind. Daher (aber auch weil leicht verlegbar) sind Wasserendleitungen oft kupferhaltig. Aufgrund der bakteriziden Eigenschaft von Kupfer wird in Großversuchen getestet, ob es wirtschaftlich sinnvoll ist, Krankenhauszimmer mit kupferbeschichteten Türklinken auszustatten,[24] beispielsweise werden im Krankenhaus Hamburg-Wandsbek alle Türklinken, Lichtschalter, Wasserhähne etc. auf Kupferbeschichtung umgestellt.[25] 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.[26] 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 Kupferionen an Thiolgruppen von Proteinen binden und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, welche die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen führt das beispielsweise im Fall von Morbus Wilson (Kupferspeicherkrankheit) zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.[27]

Kupferlegierungen mit einem Kupferanteil von mindestens 60 % zeigen auch eine toxische Wirkung gegenüber Noroviren.[28]

Wirkung gegen Schnecken

Durch den Schneckenschleim wird das Kupfer im Kupferdraht oder Kupferfolie oxidiert, die als Barriere zu gefährdeten Pflanzen dient. Dadurch entsteht eine reizende Substanz, die die Schnecke daran hindert, weiter zu kriechen.[29][30]

Kupferbedarf

Bei den meisten Mehrzellern ist Kupfer Bestandteil vieler Enzyme (Metalloenzyme) und daher ein lebensnotwendiges Spurenelement. Kupfer ist Bestandteil des blauen Hämocyanin, das bei Weichtieren und Gliederfüßern als Blutfarbstoff dem Sauerstofftransport dient.

Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt 1,0–1,5 Milligramm.[31] Im menschlichen Körper wird Kupfer hauptsächlich in der Leber gespeichert.

Kupfer ist vor allem in Schokolade, Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen enthalten. 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.[32] Das Menkes-Syndrom ist eine seltene angeborene Kupferstoffwechselstörung.[33][34]

Siehe auch: Kupfermangel

Kupferüberschuss und Vergiftung

Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben.[32]

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.

Kupferablagerung in der Hornhaut des Auges (Kayser-Fleischer-Kornealring), ein Symptom bei der Erbkrankheit Morbus Wilson

Bei der seltenen Erbkrankheit Morbus Wilson ist die Kupferausscheidung beeinträchtigt und es kommt zu vermehrter Kupferanlagerung, zuerst in der Leber, dann, wenn diese das Kupfer in den Blutkreislauf ausscheidet, auch in anderen Organen. Eine weitere ebenso seltene Erkrankung des Kupferstoffwechsels ist das Menkes-Syndrom. Dabei kann das Kupfer von den Zellen zwar aufgenommen, dann aber nicht mehr geordnet weitertransportiert werden, so dass einige Organe einen erhöhten, andere wiederum einen erniedrigten Kupfergehalt aufweisen.

Kupfer und Morbus Alzheimer

Immer wieder wurde der Zusammenhang zwischen Kupfer und der Entstehung der Alzheimer-Krankheit diskutiert. Bereits 2003 vermuteten Forscher, dass Kupfer die Produktion von Amyloid A bremst und ein Mangel an Kupfer die Alzheimerdemenz fördert.[35] Eine darauf folgende Pilotstudie mit 70 Alzheimer-Patienten konnte jedoch keine protektive Wirkung von einer erhöhten Kupfer-Einnahme zeigen, auch wenn es zu einer Stabilisierung im Abfall von Abeta42 im Liquor kam, einem Krankheitsmarker der Alzheimer-Erkrankung.[36]

Andere Studien zeigten, dass Kupfer für das Gehirn schädlich sein könnte. So zeigte eine Studie mit der Ionophore PBT2 als Wirkstoff gegen Alzheimer gute Ergebnisse in einer Phase-II-Studie. Der Wirkstoff bindet nicht nur Zink, sondern auch Kupfer und verringert somit die Konzentration von Kupfer im Gehirn.[37]

Eine neue Studie zeigt, dass Kupfer sich bei langfristiger hoher Zufuhr in den Hirnkapillaren ablagert und dort die Blut-Hirn-Schranke schädigen kann. Dadurch wird der Abtransport von Beta-Amyloid behindert, die Akkumulation des Stoffes verursacht dann den Morbus Alzheimer.[38]

Verwendung

Elektrische Leitung (Litze)
Kupferdach des im Bau befindlichen Dresdner Schlosses (2007)
Der „Brüningtaler“ – Kupfer- bzw. Bronze-Kursmünze zu 4 Reichspfennig von 1932

Kupfer wird in der Elektroinstallation und der allgemeinen Versorgungstechnik, für Präzisionsteile, Münzen, Essbesteck, Kunstgegenstände, Musikinstrumente und vieles mehr verwendet.

Nach Silber besitzt Kupfer noch vor Gold die höchste Spezifische Leitfähigkeit für Elektrischen Strom und wird daher vielfältig eingesetzt: Elektrische Leitungen (Kabel, Leiterbahnen auf Leiterplatten und in Integrierten Schaltkreisen) sowie Bauteile (Transformatorenwicklungen, Drosseln und Spulen, Anodenkörper von Magnetrons) sind ohne Kupfer nicht denkbar.

Drähte und Litzen aus sog. Oxygen Free Copper (OFC, engl. für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99 %) haben ein sehr feinkörniges Kristallgefüges und eine besondere hohe Ermüdungsbruchfestigkeit. Sie werden für mechanisch hochbeanspruchte Kabel und Leitungen eingesetzt. Für Oberleitungen werden Legierungen von Cu und Magnesium verwendet.[39]

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

Wegen seiner hohen thermischen Leitfähigkeit eignet es sich gut als Wärmeleiter.

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 bildet, die aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden bzw. Kupfercarbonaten besteht. Diese oft fälschlich auch als „Grünspan" (siehe Kupferacetat) bezeichnete Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können.

Legierungen

Kupfer ist auch Bestandteil vieler Legierungen wie z. B. Messing (mit Zink), Bronze (mit Zinn) und Neusilber (mit Zink und Nickel). Diese Kupferlegierungen 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.

Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind in Wirklichkeit oft 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 Kupfernickel-Legierungen.

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

Siehe auch: Kupferrecycling

Nachweis

Flammenfärbung von Kupfer

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 bis blau (Flammenfärbung, Spektralanalyse).

Die quantitative Bestimmung kann durch Elektrogravimetrie an einer Platinnetzkathode aus einer schwefelsauren Kupfer(II)-haltigen Lösung erfolgen. Maßanalytisch kann Kupfer durch Iodometrie oder Komplexometrie (Titration mit Titriplex/Komplexon III mit Indikator Murexid) bestimmt werden. Im Spurenbereich steht die Differenzpulspolarographie zur Verfügung (Halbstufenpotential −0,62 V gegen SCE in 1 M Thiocyanat-Lösung). Ultraspuren an Kupfer bestimmt man mittels Inversvoltammetrie,[40] Graphitrohr-AAS oder ICP-MS.

Kupfer(II)-Ionen bilden mit Cuprizon (Oxalsäurebiscyclohexylidenhydrazid) in schwach alkalischer Lösung einen blauen Komplex.

Der Preis und seine Schwankungen

Kupfer ist ein relativ teures Metall. Der Preis entsteht (maßgeblich) an den großen Rohstoffbörsen und Warenterminbörsen der Welt. Führend im Kupferhandel ist die London Metal Exchange (LME).[41]

Der (Weltmarkt-) Preis für Kupfer unterliegt starken Schwankungen: Die größte Schwankung erfuhr er in den letzten 10 Jahren im Jahre 2008, als der Preis für Kupfer am 2. Juli an der LME noch zum zwischenzeitlichen Höchststand von 8.940 US-Dollar/Tonne[42] gehandelt wurde und bis zum 23. Dezember 2008 auf seinen 10-Jahres-Tiefststand von 2.825 US-$[42] fiel. Danach erholte sich der Preis in weniger als 4 Monaten (15. April 2009) wieder bis auf 4.860 US-Dollar/Tonne.[42] Seinen 10-Jahres-Höchststand hatte der Kupferpreis am 14. Februar 2011 mit 10.180 US-Dollar/Tonne.[43]

In den letzten 12 Monaten (März 2012–März 2013) schwankte der Kupferweltmarktpreis in der Spitze (2. April 2012) bis über die Marke von 8.600 (8.619,75) US-$ und am 2. August 2012 bis unter die Marke von 7.300 (7.288,25) US-$.[44] Eine ähnliche Spannweite zeigte sich auch im letzten halben Jahr zwischen 8.350 (höchster Stand) und 7.577 US-$ (tiefster Stand).[45] – (Stand: 14. März 2013)

Zur Zeit bewegt sich der Weltmarktpreis für Kupfer um ca. 7.800 US-Dollar/Tonne[46] (Stand: 14. März 2013), dies sind nach aktuellem Wechselkurs 5.625 Euro/Tonne.[47]

Einer der größten Finanzskandale der neueren Geschichte, die Sumitomo-Affäre, beruhte auf dem Handel mit Kupfer. In Folge der Aufdeckung 1996 sank der Preis innerhalb eines Tages um 27 %.

Einzelnachweise

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Kupfer) entnommen.
  3. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4, S. 361.
  4. N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1509.
  5. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  6. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  7. A. Lossin: Copper in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, doi:10.1002/14356007.a07_471.
  8. Buildingmaterials.de: Kupfer (Version vom 15. November 2009 im Internet Archive)
  9. Baustoffsammlung der Fakultät für Architektur der TU München: Metalle - Kupfer
  10. Glyconet
  11. a b c Eintrag zu Kupfer in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 27. April 2008 (JavaScript erforderlich).
  12. Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
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  47. Diese Zahl wurde mit der Vorlage:Wechselkurs ermittelt.

Literatur

  • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  • Wolfgang Mann, Werner Eisner, Paul Gietz, Josef Maier, Werner Schierle, Rainer Stein: Elemente Chemie II. Stuttgart 1989, S. 128–130.

Weblinks

 Commons: Kupfer – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Kupfer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Kupfer – Lern- und Lehrmaterialien
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