Kupfer

Einführung

Kupfer, Symbol Cu, im reinen Zustand rötlich gefärbtes Übergangsmetall mit der Ordnungszahl 29. Kupfer zählt zu den meistverwendeten Metallen und steht im Periodensystem der Elemente zusammen mit den Edelmetallen Silber und Gold in der ersten Nebengruppe.

Kupfer kannte man bereits in vorgeschichtlicher Zeit; es war vermutlich das erste Metall, aus dem Gebrauchsgegenstände gefertigt wurden, und zwar nicht nur aus dem reinen Metall, sondern auch aus Bronze, einer Legierung aus Kupfer und Zinn.

Viele Kulturen der Vorgeschichte stellten Gegenstände aus Kupfer oder Bronze her. Ausgewählte Beispiele sind, neben zahlreichen anderen, Kulturen aus Kleinasien, dem Kaukasus, Ägypten, China, Europa, Kreta und Zypern (aus dem Namen dieser Insel wurde u. a. das Wort „Kupfer" abgeleitet). Auch in Mittel- und Südamerika (z. B. Mexiko, Peru) sowie in Afrika fand man bei verschiedenen Ausgrabungen Kupfer- oder Bronzegegenstände aus vorgeschichtlicher Zeit.


Eigenschaften und Anwendung

Kupfer kommt in der Natur nicht nur in Form von Verbindungen (z. B. in sulfidischen Erzen), sondern auch in reinem Zustand (gediegen) vor. Das reine Metall schmilzt bei rund 1 083 °C und siedet bei etwa 2 567 °C. Die relative Dichte von Kupfer liegt bei etwa 8,9; die Atommasse beträgt 63,846 u.

Auf Grund seiner zahlreichen nützlichen Eigenschaften wird Kupfer schon sehr lange in vielen Bereichen verwendet. Zu diesen Eigenschaften zählen beispielsweise die gute Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom (elektrische Leitfähigkeit), die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion sowie die Hämmerbarkeit und Duktilität (Schmiedbarkeit) des Metalls. Heutzutage verwendet man Kupfer vor allem für elektrische Geräte und Leitungen. Die extrem hohe Leitfähigkeit des Metalls wird nur noch von derjenigen des Silbers übertroffen. Weil Kupfer leicht formbar ist, kann man es zu Drähten mit einem Durchmesser von nur 0,025 Millimetern ziehen. Seine Zugfestigkeit beträgt rund 42 000 Newton pro Quadratzentimeter. Kupferdraht benötigt man z. B. für Überlandkabel und für elektrische Leitungen in Häusern, ferner in elektrischen Geräten sowie für Wicklungen von Elektromotoren, Generatoren und Elektromagneten.

In vielen historischen Epochen prägte man Münzen aus Kupfer. Aus diesem Metall wurden z. B. auch Kochgeschirr, Fässer und Verzierungen angefertigt. Früher kleidete man den Boden hölzerner Schiffe oft mit Kupfer aus, um ein Faulen des Holzes zu verhindern. Oberflächen lassen sich sehr leicht galvanisch mit Kupfer beschichten, auf dem dann andere Metalle abgeschieden werden können (siehe Galvanisieren; Galvanotechnik). Große Mengen an Kupfer benötigt man u. a. für galvanoplastisch hergestellte Druckformen, den so genannten Galvanos (Drucktechniken: Duplikatklischees).

Die Verfahren zum Gewinnen des Kupfers hängen von der Zusammensetzung des jeweiligen Erzes ab. Gediegenes (d. h. elementar vorkommendes) Kupfer wird zerkleinert, gewaschen und in Barren gegossen. Kupferoxide und -carbonate werden mit Kohlenstoff zu Kupfer reduziert. Die wichtigsten Kupfererze sind die Sulfide. Die betreffenden Erze enthalten nicht mehr als 12 Prozent Kupfer, teilweise sogar nur ein Prozent. Ist der Kupfergehalt des Erzes so gering, muss das Erz zunächst ausgewaschen und durch Flotation (Schwimmaufbereitung) angereichert werden. Nach der anschließenden thermischen Behandlung in einem Flammofen fällt Rohkupfer (auch Schwarzkupfer) mit einer Reinheit von etwa 98 Prozent an. Dieses Rohprodukt wird einer so genannten Raffinationsschmelze unterworfen. Dabei wird das Rohkupfer mit schlackebildenden Zusätzen unter Luftzufuhr erhitzt (Oxidation) und danach mit Kohle oder Anthrazit behandelt (Reduktion). Das so gewonnene Zwischenprodukt (auch Garkupfer) reinigt man in einem nachgeschalteten Prozess elektrolytisch und erhält dadurch einen Reinheitsgrad von über 99,9 Prozent.

Reines Kupfer ist ziemlich weich, kann aber durch bestimmte Verfahren gehärtet werden. Legierungen des Kupfers sind wesentlich härter und fester als reines Kupfer. Sie haben aber einen höheren elektrischen Widerstand und eignen sich daher weniger gut für elektrotechnische Zwecke. Dagegen sind Kupferlegierungen fast so korrosionsbeständig wie das reine Metall und können leicht verarbeitet werden. Die beiden wichtigsten Kupferlegierungen sind Messing (mit Zink) und Bronze (mit Zinn). Messing und Bronze werden in enormen Mengen hergestellt. Kupfer wird auch mit Gold, Silber und Nickel legiert. So ist das Metall ein wichtiger Bestandteil von Legierungen wie Monelmetall (Nickel-Kupfer-Legierung von Inco Ltd.), Gussbronze und Neusilber.

Kupfer kann in seinen chemischen Verbindungen die Oxidationsstufen 1 und 2 haben. Kupfer(I)-verbindungen werden leicht oxidiert – oft schon durch die bloße Gegenwart von Luft. Die dabei entstehenden Kupfer(II)-verbindungen sind stabil. Kupfer(I)-oxid verwendet man u. a. in Antifoulingfarben sowie zur Abgasentgiftung bei Hochöfen und Kraftfahrzeugen. Kupfer(I)-cyanid wird in der Galvanotechnik eingesetzt. Große Mengen an Kupfer werden zur Herstellung von Reyon (Kunstseide) benötigt. Kupfer ist außerdem Bestandteil von Insektiziden (Pariser Grün) und Fungiziden (Bordeaux-Brühe). Aufgrund der hohen Giftigkeit wurden Kupferverbindungen für solche Anwendungen inzwischen weitgehend durch synthetische organische Substanzen ersetzt.


Vorkommen

Kupfer steht in der Rangfolge der Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste etwa an 25. Stelle. In der Natur kommt es zusammen mit anderen Metallen (darunter Gold, Silber, Bismut und Blei) oder auch allein in gediegener Form vor. Es wurden sogar reine Kupferbrocken mit einer Masse von nahezu 400 Tonnen gefunden. Die größten Lagerstätten befinden sich in den südamerikanischen Kordilleren. Außerdem gibt es große Lagerstätten im Kanadischen Schild und in Zentralafrika. Die wichtigsten sulfidischen Kupfererze sind Kupferkies (Chalkopyrit; CuFeS2) und Kupferglanz (Cu2S). Weniger bedeutend für die Produktion von Kupfer ist das Bornit (Buntkupfererz; Cu3FeS3). Darüber hinaus werden auch einige Chloride, Carbonate und auch Silicate zur Gewinnung des Metalls herangezogen, wie z. B. Atacamit (Cu2(OH)3Cl). Erwähnenswert sind die Kupfercarbonate Azurit (blaue Kupferlasur; Cu3(OH)2(CO3)2) und der grüne Malachit (Cu2(OH)2(CO3)). Weitere Kupfererze sind Cuprit (Cu2O) und verschiedene Fahlerze mit unterschiedlichen Beimengungen anderer Metalle.




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