Kupfer

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	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

NMR-Eigenschaften

	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 M Hz	56,8 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
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

Kupferstufe, ca 4×2 cm

Kupfer kommt gediegen in der Natur vor. Das Schwermetall kristallisiert im kubisch-flächnenzentrierten (cfc) 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

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 [CuCl₂ · 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.

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.

Chemisch reines Kupfer

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 Reinstkupfer wird aus Kupferkies (CuFeS₂) zunächst Rohkupfer gewonnen. Dazu wird das Ausgangsmaterial geröstet und so das enthaltene Eisen in Oxid überführt, welches nun durch Zusatz von SiO₂ verschlackt wird. Die Schlacke kann vom Rest des Gemischs leicht getrennt werden.

FeS + 3/2O₂ + SiO₂ $\rightarrow$ FeSiO₃ + SO₂

Nun wird in einem weiteren Schritt das Kupfersulfid durch eingeblasenen Luftsauerstoff teilweise oxidiert (Röstarbeit) und danach zu Rohkupfer umgesetzt (Reaktionsarbeit).

2Cu₂S + 3O₂ $\rightarrow$ 2Cu₂O + 2SO₂

Cu₂S + 2Cu₂O $\rightarrow$ 6Cu + SO₂

Der Rohkupfer wird nun elektrolytisch gereinigt.

Nachweis

Datei:Kupfertretramminkomplex.jpg

Der Kupfer- tetraminkomplex

Kupfer-II-Salze ergeben bei der Nachweisreaktion mit Ammoniaklösung bei pH-Werten über 8 tiefblaue Komplexsalz-Lösungen (Kupfertetramminkomplex [Cu(NH₃)₄]²⁺ - auch als Tetramminkupfer(II) bezeichnet):

Cu²⁺ + 4 NH₃ $\rightarrow$ [Cu(NH₃)₄]²⁺ (Komplexbildungsreaktion).

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 ionisierter, 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 SH-Gruppen von Proteinen binden, und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, die die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen ist dies z. B. der Fall bei Morbus Wilson, einer Krankheit bei der vor allem die Leber betroffen ist. Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel, und wird deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt (beispielsweise durch weißen Phosphor).

Geschichte

Kupferbergwerk, Herri met de Bles, Mitte 16. Jahrhundert

Kupfer, Gold und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennen lernte. 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 gegen 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.

Die größten Fördernationen für Kupfer (2002)
Quelle: Handelsblatt Die Welt in Zahlen (2005)

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

Commons: Kupfer – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Kupfer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/29Kupfer.htm
http://www.kupferinstitut.de
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