Kupfer
Kupfer (von lat. cuprum = Kupfer, Metall aus Zypern) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein hervorragender Wärme- und Stromleiter. Es gehört zu den Münzmetallen.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Kupfer, Cu, 29 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 11 , 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 8920 kg/m3, 3,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | kupferfarben, metallisch | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 63,536 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 135 (145) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 138 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | 140 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ar]3d104s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 18, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 2, 1 (leicht basisch) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (diamagnetisch) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 1357,6 K (1084,4 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 2840 K (2567 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 7,11 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 300,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 13,05 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0,0505 Pa bei 1358 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 3570 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,9 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Austrittsarbeit | 4,44 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 380 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 35-58 m/Ohm mm2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 401 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 745,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1957,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 3555 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 5536 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von lat. cyprium = Erz von der Insel Zypern.
Kupfer als Mineral
Kupfer kommt gediegen in der Natur vor. Das Schwermetall kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine zwischen 2,5 und 3 liegende Härte 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.
Verbindungen
Kupfer hat in Verbindungen meistens die Oxidationsstufen +1 oder +2. Es bildet an seiner Oberfläche zuerst ein rotbraunes und danach schwarzes, festes Oxid, das je nach Luftzusammensetzung auch grüne Carbonate, Sulfate und Chloride enthalten kann. Kupferverbindungen sind in der Regel rot (Kupfer I oxid, Cuprit) oder auffallend grün bis hin zu dunkelbau gefärbt. Kupfer II oxid und -sulfid sind schwarz.
Auch in einigen Supraleitern wie YBCO (YBa2Cu3O7-x) ist Kupfer enthalten.
Vorkommen
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 massiv 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 (CuS2), seltener auch aus Bornit (Cu5FeS4), Atacamit [CuCl2 · Cu(OH)2] und anderen Erzen gewonnen.
Verwendung
Wegen seiner guten Leitfähigkeit wird reines Kupfer sowohl in elektrischen Kabeln, Leiterbahnen, als auch in Wärmeleitern verwendet. Gelegentlich werden auch 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. Für Münzen, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Rohrleitungen, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente usw. 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 (Cu89Al5Zn5Sn1). Aber 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 D-Mark Geldstücke, sowohl als auch die hellen Anteile der Euromünzen sind aus Kupfer-Nickel Legierungen gefertigt.
Kupferverbindungen kommen in Farbenpigmenten, Medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz.
Biologische Wirkung
Kupfer wirkt (in Form seiner Ionen) antibakteriell, in größeren Mengen toxisch, weshalb beispielsweise Blumenwasser, das in Kupfergefäßen aufbewahrt wird, nicht so schnell faul wird. Angeblich machten sich schon die alten Ägypter diesen Effekt zunutze. Seine durch saures Wasser gelösten Ionen können beim Menschen schwere Leberschäden hervorrufen. Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel, und wird deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt (beispielsweise durch weißen Phosphor).
Kupfer ist aber für alle höheren Lebewesen als Bestandteil vieler Enzyme auch ein lebensnotwendiges Spurenelement. Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 2 mg.
Geschichte
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 10000 Jahren verwendet. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird manchmal auch Kupferzeit genannt.
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-Legierung, das Messing war im antiken Griechenland bereits bekannt, 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.