Gourt Home::Gourt :: Kupfer
| Eigenschaften | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Nickel – Kupfer – Zink | |
| Cu Ag | |
| Isotop | NH | t1/2 | ZM | ZE MeV | ZP |
|---|---|---|---|---|---|
| 61Cu | {syn.} | 3,333 h | ε | 2,237 | 61Ni |
| 62Cu | {syn.} | 9,74 min | ε | 3,948 | 62Ni |
| 63Cu | 69,17 % | Cu ist stabil mit 34 Neutronen | |||
| 64Cu | {syn.} | 12,7 h | ε β- | 1,675 0,579 | 64Ni 64Zn |
| 65Cu | 30,83 % | Cu ist stabil mit 36 Neutronen | |||
| 66Cu | {syn.} | 5,088 min | β- | 2,642 | 66Zn |
| 67Cu | {syn.} | 61,83 h | β- | 0,577 | 67Zn |
| 63Cu | 65Cu | |
|---|---|---|
| Kernspin | 3/2 | 3/2 |
| gamma/rad/T | 7,09 · 107 | 7,596 · 107 |
| Empfindlichkeit | 0,0931 | 0,114 |
| Larmorfrequenz bei B = 4,7 T | 53 MHz | 56,8 MHz |
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
Kupfer (von lat. cuprum „Kupfer, Metall aus Zypern“) 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. Als ein hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Kupfer gehört außerdem zu den Münzmetallen.
Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von lat. aes cyprium „Erz von der Insel Zypern“.
Kupfer als Mineral
Kupfer_mineral_erz.jpg Kupfer kommt gediegen in der Natur vor. Das Schwermetall kristallisiert im kubisch-flächnenzentrierten (fcc = face centered cubic) Kristallsystem (Cu-Typ), hat eine zwischen 2,5 und 3 liegende Mohshärte und als blankes Metall eine helle, lachsrosa Farbe. Durch oberflächliche Patina-Bildung verändert sich das Metall auch rotbräunlich bis hin zu einem bläulichen Grün, wobei der Metallglanz verloren geht. Strichfarbe ist rosarot. Kupfer ist als sehr weiches Metall gut formbar und zäh. Der Schmelzpunkt liegt bei 1083,4 °C.
Vorkommen
Kupfer_Nugget.jpeg]]
Als gediegenes Element findet sich Kupfer hauptsächlich in basaltischen Laven, wo es sich meist durch Reaktion mit Minerallösungen hydrothermalen Ursprungs aus Eisenoxiderzen bildet. Es tritt meist roh oder in Form verzweigter Strukturen, so genannter Dendrite auf, selten auch in kristalliner Form. Der Anteil gediegenen Kupfers in der Natur ist allerdings sehr niedrig. In Form von Kupfererzen ist Kupfer dagegen ein sehr häufiger Bestandteil der Erdkruste. Es wird dann aus Kupferkies (CuFeS2), Kupferglanz (Cu2S), seltener auch aus Bornit (Cu5FeS4), Atacamit · Cu(OH)2, Malachit und anderen Erzen gewonnen. Besonders dekorativ sind Türkis, ein Kupferphosphat und Malachit, ein grünes, basisches Kupferkarbonat.
Die weltweit größten Vorkommen gibt es in Chile, den USA, Russland, Sambia, Kanada und Peru. Die wichtigsten Exportländer sind in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehören u.a. Australien, Indonesien, Zaire 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 gediegen Kupfer; bereits in vorkolumbianischer Zeit gewonnen).
Eigenschaften
Kupfer tritt in den Oxidationsstufen 0, +1, +2, +3 und +4 auf, wobei +4 extrem selten ist (beispielsweise Cs2CuF6) und +2 die stabilste Oxidationsstufe in wässrigen Lösungen ist. Kupfer(II)-Salze (beispielsweise Kupfersulfat) sind meist von blauer oder grüner Farbe. Kupfer zeigt als Halbedelmetall 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 (siehe dazu auch: Spannungsreihe).
Verwendung
Kupfer wird für Münzen, Stromkabel, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente, Rohrleitungen und vieles mehr verwendet.
Kupfer gr.jpg Für elektrische Kabel, Leiterbahnen und Bauteile, als auch für Wärmeableiter eignet sich Kupfer wegen seiner sehr guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.
Im Kunsthandwerk wird Kupfer getrieben, das heißt durch hämmern verformt.
Auch werden Dächer mit Kupferblech gedeckt, auf denen sich dann eine beständige grünliche Patina bildet. Diese Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können.
Kupfer ist auch Bestandteil vieler Legierungen wie Messing, Bronze und Neusilber. Kupferlegierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit, Preis, Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Man unterscheidet Knetlegierungen, was bedeutet, dass diese gut bei Normaltemperatur mechanisch verformt werden können, und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen).
Beispiel für Knetlegierungen sind das silberähnliche Neusilber, eine Kupfer-Zink-Nickellegierung, und das goldgelbe Messing, eine Kupfer-Zink-Legierung. Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so das „Nordisches Gold“ genannte Metall der goldfarbigen Euromünzen, eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung.
Auch Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind in Wirklichkeit hoch kupferhaltige Legierungen, worin die kupfereigene Farbe durch ausreichenden Nickelzusatz verschwunden ist. Das Münzmetall der alten 1-DM-Geldstücke, sowie die hellen Anteile der Euromünzen bestehen aus Kupfer-Nickel-Legierungen.
Kupferverbindungen kommen in Farbpigmenten, medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz. Kupfersalze färben die Flamme grün/blau (Spektralanalyse).
Reinstkupfer wird durch elektrolytischen Prozeß gewonnen, wobei das unreine Zementkupfer die Anode und Reinstkupfer die Kathode bilden. Nur die Kupferionen wandern zur Kathode.
Siehe auch: Kupferrecycling
Darstellung
Zur Darstellung von Kupfer wird aus Kupferkies (CuFeS2) zunächst sogenannter Kupferstein (Cu2S mit variierenden Gehalten an FeS, Cu-Gehalt ca. 70 %) gewonnen. Dazu wird das Ausgangsmaterial unter Zusatz von Koks geröstet und die erhaltenen Eisenoxide durch kieselsäurehaltige Zuschlagstoffe verschlackt. Diese Eisensilikat-Schlacke kann oberhalb des Kupfersteins leicht abgestochen werden.
- Röstarbeit: 6 CuFeS2 + 10 O2 → 3 Cu2S + 2 FeS + 2 Fe2O3 + 7 SO2
- Schmelzarbeit: Fe2O3 + C + SiO2 → Fe2SiO4 + CO2
Der so erhaltene Kuperstein wird zu Rohkupfer (auch Schwarzkupfer, Cu-Gehalt ca. 98 %) weiterverarbeitet. Dazu wird er glutflüssig in einen Konverter gegossen, in welchen Luft in die Schmelze eingeblasen wird. In einer ersten Stufe (Schlackenblasen) wird dabei das darin enthaltene Eisensulfid zum Oxid geröstet und dieses durch zugeschlagenes Quarz zur Schlacke gebunden, die abgestochen 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: 2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2
- Garblasen: Cu2S + 2 Cu2O → 6 Cu + SO2
Das Rohkupfer wird nun elektrolytisch gereinigt und ergibt Elektrolytkupfer (auch Reinkupfer) mit einem Cu-Gehalt von 99,99 %.
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, bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion). Eine Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu2[Fe(CN)2. Diese Reaktion ist sehr empfindlich.
Kupferhalogenide leuchten in der Bunsenbrennerflamme grün.
Biologische Wirkung
Kupfer ist Bestandteil des 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 allen in Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen enthalten.
In freier, nicht an Proteine gebundener Form wirkt Kupfer antibakteriell; man spricht hier wie beim Silber vom oligodynamischen Effekt (Oligodynamie), weshalb z. B. auch Blumenwasser, das in Kupfergefäßen aufbewahrt wird, nicht so schnell faul 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 ist dies der Fall z. B. bei Morbus Wilson, einer Krankheit, bei der vor allem die Leber betroffen ist. Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel und wurde deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt (beispielsweise durch weißen Phosphor).
Geschichte
Hendrick met de Bles 001.jpg, Mitte 16. Jahrhundert]] Kupfer, Gold 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.
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, so dass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist.
Eine weitere goldgelbe Kupfer-Zink-Legierung, das Messing, war im antiken Griechenland bereits bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst von den Römern stärker verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet.
Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in einer Affinerie.
Die größten Fördernationen
Die bedeutendste Fördernation für Kupfer ist mit großem Abstand Chile, gefolgt von Indonesien und den USA. In Europa sind Polen und ferner Portugal und Schweden zu nennen.
| Rang | Land | Fördermengen (in Tsd. t) |
|---|---|---|
| 1 | Chile | 4620 |
| 2 | Indonesien | 1167 |
| 3 | USA | 1140 |
| 4 | Australien | 876 |
| 5 | Russische Föd. | 844 |
| 6 | Peru | 843 |
| 7 | Kanada | 577 |
| 8 | Polen | 572 |
| 9 | China | 554 |
| 10 | Kasachstan | 432 |
| Rang | Land | Fördermengen (in Tsd. t) |
|---|---|---|
| 11 | Sambia | 336 |
| 12 | Mexiko | 315 |
| 13 | Argentinien | 218 |
| 14 | Papua-Neuguinea | 211 |
| 15 | Südafrika | 130 |
| 16 | Mongolei | 120 |
| 17 | Bulgarien | 108 |
| 18 | Indien | 79 |
| 19 | Portugal | 77 |
| 20 | Schweden | 72 |
Weblinks
- http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/29Kupfer.htm
- Mineralienatlas – Kupfer
- http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/chem/wasser/kupfer_2000.htm Thema Kupferrohre und Trinkwasser
- http://www.kupfer.de Initiative Kupfer – Informationsquelle zum Einsatz von Kupfer in der Hausinstallation
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"Kupfer"
