Kupfer als Element

Chemische Eigenschaften

Kupfer ist ein metallisches Element aus der 1. Nebengruppe des Periodensystems. Es existieren zwei natürliche Isotope (⁶³Cu und ⁶⁵Cu). Daneben sind künstliche Kupferisotope mit Halbwertszeiten zwischen 3,2 Sekunden und 61,88 Stunden bekannt. Kupfer tritt in den Oxidationsstufen 0, +1, +2 und +3 auf, wobei die Cu(II)-Salze (meist blaue oder grüne Verbindungen) am stabilsten sind. Kupfer steht in der ersten Nebengruppe des Periodensyst. über Silber und Gold und wird wie diese zu den Übergangsmetallen gezählt (Kupfer -Gruppe). Gold und Kupfer die beiden einzigen farbigen metallischen Elemente aus der Nebengruppe. Silber und Kupfer sind die besten Leiter für Wärme und Elektrizität. Reines Kupfer ist rot und kristallisiert kubisch flächenzentriert. Kupfer ist ein ziemlich hartes, dabei gleichzeitig sehr zähes und dehnbares Metall, das man ähnlich wie Gold und Silber zu sehr dünnen (grünlichblau durchscheinenden) Blättern und feinen Drähten formen kann. Wird ein Kupfer-Stab mit großer Gewalt auseinandergezogen, so dehnt er sich vor dem Zerreißen um etwa 50% seiner ursprünglichen Länge aus. Die Härte kann durch Beimengungen von anderen Metallen (besonders Arsen und Antimon) beträchtlich gesteigert werden. Zum Gießen ist Kupfer ungeeignet, da es größere Sauerstoff-Mengen auflöst.
Unter günstigen Umständen sind Kupfer-Geräte sehr haltbar, auch unter. An normaler feuchter Luft entsteht früher oder später eine grünliche Patina, die das darunter befindliche metallische Kupfer vor weiterer chemischer Einwirkung (Korrosion) schützt. Kupfer ist bei gewöhnlicher Temperatur löslich in Salpetersäure. In siedender konz. Schwefelsäure löst sich Kupfer unter Bildung von Kupfersulfat, in Ammoniakwasser (nach einigen Tagen) unter Bildung von blauem [Cu(NH₃)₄](OH)₂.

Physiologie

Metallisches Kupfer zeigt nur insofern physiologische Wirkung, als es in saurer Umgebung Spuren von löslichen Salzen abgibt, die Kupferionen (Cu²⁺) bilden. Diese wirken auf niedere Pflanzen (Algen, Kleinpilze, Bakterien) schon in sehr geringen Mengen als starkes Gift. So wird z.B. die Schraubenalge Spirogyra bereits durch Kupfer in einer Verdünnung von 1:1000000000 geschädigt. Daher sollen z.B. auch Schnittblumen in einem Gefäß aus Kupfer länger haltbar sein als in einem Glasgefäß. Es gibt allerdings auch Bakterien aus der Gruppe der Thiobacillus-Arten, die hohe Kupfer-Mengen (um 50 g/l) tolerieren und daher zum Auslaugen armer Kupfer-Erze (sog. Bioleaching) benutzt werden. Vom tierischen Organismus werden im allgemein verhältnismäßig große Mengen Kupferverbindungen ohne besondere Nachteile vertragen. Ein Erwachsener von 70 kg Gew. enthält 80–120 mg Kupfer, und eine tägliche Aufnahme von 0,05–0,5 mg pro kg Körpergewicht wird als vertretbar angesehen. Kupfer ist für den Menschen und höhere Tiere und auch für zahlreiche Pflanzen ein essentielles Spurenelement, und zwar als Bestandteil von Kupfer-Proteinen mit Enzym-Funktion. Bei Weichtieren und Krebsen des Meeres findet sich im Blut an Stelle von eisenhaltigem Hämoglobin das kupferhaltige Hämocyanin.

Vorkommen

Etwa 0,007 % des obersten Anteils der festen Erdkruste besteht aus Kupfer. Damit steht es in der Häufigkeitsliste der Elemente an 25. Stelle. Kupfer kommt gelegentlich gediegen oder z.B. mit Arsen vergesellschaftet vor, doch überwiegen die Kupfer-Minerale. Die wichtigsten Kupfermineralien sind der Kupferkies und der Kupferglanz. Geringere Bedeutung haben Bornit, Bournonit, Malachit, Berzelianit, Pseudomalachit und Cuprit. Neben diesen Erzen werden auch Silicate, Carbonate (Azurit und Malachit) und Chloride des Kupfer zur Kupfer-Gewinnung herangezogen, z.B. der Atacamit. Auch hat man dieses Metall schon in Meteoriten und auf der Sonne nachweisen können.

Herstellung

Um 1 t Roh-Kupfer zu erhalten, sind im Tagebau rund 1000 t Gestein zu bewegen. Ohne den Abraum verbleiben ca. 200 t Roherz (ca. 0,5% Kupfer). Die Gangart der sulfidischen Erze wird im allg. durch Flotation abgetrennt. Bei der pyrometallurgischen Verhüttung wird zunächst (ggf. nach vorausgegangenem teilweisen Rösten) der sogenannte Kupferstein als Gemisch aus Kupfer- und Eisensulfid erschmolzen, aus dem in Konvertern in der ersten Blasphase (Vorblasen) der sogenannte Spurstein (Cu₂S) und in der zweiten (Garblasen) das 97%-ige Roh-Kupfer als durch Gaseeinschlüsse blasiges sogenanntes Blister-Kupfer erhalten wird.

Verwendung

Ca. 40 % der jährlichen Kupfer-Produktion werden zur Herstellung von Kupfer-Legierungen verwendet. Kupfer ist jedoch eines der wenigen Metalle, die auch in reinem, nicht-legiertem Zustand eine technisch wichtige Rolle spielen. So findet Kupfer eine umfangreiche Anwendung in der Elektro-Industrie, die ca. die Hälfte der jährlich erzeugten Kupfer-Mengen aufnimmt. Wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit werden Braukessel, Lötkölben, Heiz- und Kühlschlangen usw. aus reinem Kupfer oder aus Kupferlegierungen hergestellt. Ferner braucht man Kupfer für Dachdeckungen, Statuen, Schiffsbeschläge, Patronenhülsen, Zündkapseln, Kleinmünzen, für Apparaturen der Spiritus-, Essig-, Fett- und Zucker-Industrie, usw. Kupferverbindungen dienen als Pigmente, Katalysatoren, Stabilisatoren und als spezifische Lösungsmittel für Cellulose bei der Herstellung von Kupferseide.

Geschichtliches

Kupfer ist dem Menschen als Werkstoff und Schmuckwerkstoff schon seit mehr als 9000 Jahren bekannt. Anfänglich wurde nur gediegen vorkommendes Kupfer verarbeitet, so gewannen die alten Ägypter bereits vor 6000 Jahren Kupfer aus Erzen, die in Geröllfeldern aufgesammelt wurden. Der eigentliche Bergbau begann vor ca. 3000 Jahren in der heutigen Negev-Wüste. Während der Römerzeit lagen die ergiebigsten Kupferminen auf Cypern. Die Bezeichnung des Elements stammt von lat.: cuprum (entstanden durch Abwandlung von lat.: aes cyprium nach dem alten Fundort Cypern). Wegen seiner Herkunft ordnete man Kupfer der cypr. Göttin Aphrodite (= Venus der Römer) zu und gab ihm deren Symbol.

Quellangaben

• Quelle: Römpp-Chemielexikon; 10. Auflage (1996), S. 2308
• Verfasser: Hg