Kupfer

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
keine Gefahrensymbole
R- und S-Sätze R: keine R-Sätze
S: keine S-Sätze

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 -, 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 Edelmetallen.

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.

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 %
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 8920 kg/m3 (8,92 g/cm3)
Mohshärte 3,0
Magnetismus diamagnetisch
E-Modul 100-130
Schmelzpunkt 1357,6 K ( 1084,4 °C)
Siedepunkt 2840 K ( 2567 °C)
Elektrische Leitfähigkeit 58 × 106 A/(V × m)
Wärmeleitfähigkeit 401 W/(m × K)
Chemisch
Oxidationszustände 1, 2
Oxide (Basizität) Cu2O, CuO (leicht basisch)
Normalpotential 0,340 V (Cu2+ + 2e → Cu)
Elektronegativität 1,9 (Pauling-Skala)

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

Der bedeutendste Kupferproduzent ist Chile, mit großem Abstand gefolgt von den USA und Peru. In Europa sind Polen, Portugal und Schweden nennenswert. Die wichtigsten Exportländer sind in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehören u. a. Australien, Indonesien, die Demokratische Republik Kongo sowie Papua-Neuguinea.
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. 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.

Das Rohkupfer (auch "Zementkupfer" genannt) 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.

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 Deutschland ist dafür die Norddeutsche Affinerie in Hamburg bekannt, früher waren es auch die Duisburger Kupferhütte (heute DK Recycling), sowie die Kupferhütte in Hettstetdt.

Verwendung

Kupfer wird für Münzen, Stromkabel, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente, Rohrleitungen und vieles mehr verwendet. Es ist ein relativ teures Metall (Stand des Weltmarktpreises im Mai 2008: ca. 5450 Euro/Tonne).[1]

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 Leitfähigkeitä. Drähte bzw. Litzen aus sog. Oxygen Free Copper (OFC, engl. für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99%) und dadurch erzielbarer höherer Feinkörnigkeit des metallischen Kristallgefüges zeichnen sich darüberhinaus durch besonders hohe Ermüdungsbruchfestigkeit aus und werden daher für die Herstellung von mechanisch hochbeanspruchten Kabeln und Leitungen bevorzugt.

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

Wegen seiner sehr guten thermischen Leitfähigkeit eignet es sich 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 (das ist kein Grünspan). Diese 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.

Biologische Wirkungen

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.[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] 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 zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.

Bei den meisten Mehrzellern ist Kupfer Bestandteil vieler Enzyme 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 nach DACH 1,0 - 1,5 Milligramm.[4]

Im Menschen 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.

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

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.

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.

Die Alzheimer-Krankheit geht möglicherweise mit Kupfermangel einher. Die therapeutische Wirksamkeit von Kupfergaben wird untersucht.

Nachweise

  1. Copper Grade A zurück
  2. Feldversuch: Mit Kupfer-Türklinken gegen resistente Krankenhauskeimezurück
  3. Tägliche Aufnahme von 0,5 mg/kg unbedenklich laut: Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin, 2007, S. 1434. zurück
  4. DACH-Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr zurück

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 12.10 2017