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Kupfer
Kupfer

Höhe: 11 cm
Fundort: Ray Mine, Hot Tamale Peak, Mineral Creek District, Pinal Co., Arizona, USA

Michael Roarke

Kupfer

Eigenschaften



Vorkommen

  • Kupfer gehört zu den selteneren Elementen (0,0001 % der Erdkruste), was in Anbetracht seiner technischen Bedeutung überraschend ist; es tritt jedoch in Form seiner Erze (oder als gediegenes Metall) in bestimmten Lagerstätten stark angereichert auf und kann auch relativ leicht als Metall gewonnen werden.
  • In der Elementhäufigkeit in der Erdkruste steht Kupfer mit einem Masseanteil von 0,01 % an 25. Stelle.

Kristallographisch-Physikalische Eigenschaften


Kristallsystem

kubisch (Isometrisch-Hexoktaedrisch)

Kristallstruktur

flächenzentrierter Würfel

Farbe

kupferrot

Spaltbarkeit

fehlt

Härte

2,5 - 3

Glanz

metallisch

Diaphanität

opak

Tenazität

geschmeidig, schmiedbar

Strich

rot

Bruch

hakig

Dichte

8,9

Magnetismus

nicht magnetisch

Schmelzpunkt

1085oC

Sonstige Eigenschaften

guter Wärme- und Elektrizitätsleiter

Strunz 09

1.AA.05


Chemische Eigenschaften

Kupfer mit typischer Patina
Kupfer mit typischer Patina

Höhe: ca. 4 cm,
Fundort: Emperor Fault Zone, Ray Mine, Ray, Hot Tamale Peak, Pinal Co., Arizona, USA

Dan Weinrich
  • Die chemische Formel für Kupfer ist Cu.
  • 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, +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, bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch stark angegriffen, von heißer Schwefelsäure wird es aufgelöst. Es löst sich auch in Salpetersäure und Königswasser auf. 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.

Patina

(Kupfer)-Patina sind Kupfer-(carbonat-sulfat-chlorid)-hydroxid-Gemische, Urate oder Salze anderer organischer Säuren (basische Kupferverbindungen), welche sich u.a. auf Kupferdächern bilden, welche der Witterung ausgesetzt sind (Korrosion), oder durch das Beizen von Kupfer und Kupferlegierungen wie Bronze. Entgegen landläufiger Meinung ist diese meist grünliche Schicht kein Grünspan (eine Trivialbezeichnung für Kupferacetat).


Elektrische und metallurgische Eigenschaften

  • Mit 59,6 x 106 S/m hat Kupfer (gleich nach Silber) die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Elemente.
  • Kupfer ist ein weiches dehnbares und sehr gut verformbares Metall. Diese Eigenschaft kann jedoch durch Verunreinigungen und Legierungselemente stark verändert werden.
  • Für Kupfer mit einer Reinheit von 99,2 bis 99,9 % beträgt die Zugfestigkeit im weichen unverfestigten Zustand 200 MPa, die Dehnung 40 % und die BRINELLhärte 50 HB. Durch Kaltverfestigung mit 90 % Verformung kann die Zugfestigkeit auf 100 HB steigen; dabei geht jedoch die Dehnung auf 4 % zurück.
  • Bei der Glühung oberhalb der niedrigsten Rekristallistionstemperatur von 250 °C geht die Kaltverfestigung zurück. Eine Glühung von 600 °C sollte wegen eintretender Grobkornbildung vermieden werden. Abschrecken in Wasser wirkt sich auf die mechanischen Eigenschaften günstig aus.
  • Im gegossenen Zustand sind die Dehn- und Festigkeitswerte 20 % geringer als im verformten und anschließend geglühten Zustand.
  • Kupfer ist neben den beiden Edelmetallen Gold und Silber über einen großen Temperaturbereich das duktilste Metall.

Biogene Eigenschaften

Physiologische Funktionen und Kupferbedarf

Kupfer kann von Lebewesen aufgenommen werden. Als essentielles Spurenelement hat es eine katalytische Funktion und dient u.a. beim Menschen für Wachstum, Knochenstabilität, Blutzellreifung und Eisentransport.

Der tägliche Bedarf eines Erwachsenen liegt bei ca. 1,0 - 1,5 mg pro Tag, der eines Kindes bei 0,5 - 1,0 mg pro Tag.

Kupfer wird vom Dünndarm absorbiert und zu geringen Teilen im Magen. Die prozentuale Aufnahme sinkt mit der Höhe der Dosis.

Kupfer ist für zahllose Lebewesen von essentieller Bedeutung, unter anderem da es ein Bestandteil zahlreicher Enzyme ist.

Toxologische Grenzwerte der Kupferaufnahme

Als gesundheitsungefährlich gilt eine Obergrenze von 5mg pro Tag für Erwachsene und abhängig vom Gewicht 1-4 mg pro Tag für Kinder [1].

Eine übermäßige Kupferaufnahme kann zu Problemen im Verdauungstrakt, Übelkeit, Erbrechen, Diarrhö führen. Eine orale Dosis von 200mg pro kg Körpergewicht kann zum Tode führen [2].

Bei chronischer Überversorgung z.B. bei Aufnahme durch Trinkwasser (Kupferrohre) kann ein toxischer Effekt ab ca. 5-6 mg pro Tag auftreten.

Die Giftigkeit von metallischem Kupfer im Warmblüterorganismus ist stark begrenzt, da es kaum gelöst wird. Vergiftungen sind eher bei der Einnahme von Kupferverbindungen oder bereits gelösten Ionen zu erwarten.



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Einzelnachweise

  • 1. Scientific Committee for Food (2006)
  • 2. Weltgesundheitsorganisation 1993