| GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver
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| H- und P-Sätze | H:
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P:
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| Sicherheitshinweise | ||||||||
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| MAK | Schweiz: 0,1 mg/m3 (gemessen als einatembarer Staub) | |||||||
Kupfer (lat. Cuprum) 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. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cyprium -Erz von der Insel Zypern -, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde.
Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Darüber hinaus zählt es auch zur Gruppe der Münzmetalle.
Als schwach reaktives Schwermetall gehört Kupfer zu den Edelmetallen.
Kupfer, Gold, Silber und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennenlernte. 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, sicher nicht zuletzt deshalb, weil die ersten Spiegel aus diesem Metall hergestellt wurden.
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 und Zinn wurde erst mit wachsenden Metallkenntnissen eingeführt, sodass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist.
Die goldgelbe Kupfer-Zink-Legierung - Messing - war bereits im antiken Griechenland bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst die Römer haben dieses Verfahren verstärkt verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet.
| Eigenschaften | |
|---|---|
| Allgemein | |
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Kupfer, Cu, 29 |
| Serie | Übergangsmetalle |
| Gruppe,Periode, Block | 11, 4, d |
| Aussehen | lachsrosa, metallisch |
| CAS-Nummer | 7440-50-8 |
| Massenanteil an der Erdhülle | 0,01 % |
| Physikalisch | |
| Aggregatzustand | fest |
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert |
| Dichte | 8920 kg/m3 (8,92 g/cm3) |
| Mohshärte | 3,0 |
| Magnetismus | diamagnetisch |
| E-Modul | 100-130 |
| Schmelzpunkt | 1357,6 K (  1084,4 °C) |
| Siedepunkt | 2840 K ( 2567 °C) |
| Elektrische Leitfähigkeit | 58 × 106 A/(V × m) |
| Wärmeleitfähigkeit | 401 W/(m × K) |
| Chemisch | |
| Oxidationszustände | 1, 2 |
| Oxide (Basizität) | Cu2O, CuO (leicht basisch) |
| Normalpotential | 0,340 V (Cu2+ + 2e− → Cu) |
| Elektronegativität | 1,9 (Pauling-Skala) |
Natürliche Vorkommen an gediegen Kupfer, das heißt in seiner elementaren Form, waren bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt. Kupfer ist daher als sogenanntes grandfathered Mineral als eigenständige Mineralart anerkannt.
Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Kupfer unter der System-Nr. „1.AA.05“ (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie – Kupfergruppe) beziehungsweise in der veralteten 8. Auflage unter I/A.01 (Kupfer-Reihe) eingeordnet. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.01.03 (Goldgruppe).
In der Natur bildet sich Kupfer meist in basaltischen Laven entweder in Form von „kupferroten“, metallisch glänzenden Nuggets (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten. Gelegentlich sind auch kristalline Ausbildung anzutreffen. Kupfer tritt in Paragenese mit verschiedenen, meist sekundären Kupfermineralen wie Bornit, Chalkosin, Cornwallit, Cuprit, Azurit und Malachit sowie Tenorit auf, kann aber auch mit vielen anderen Mineralen wie Calcit, Klinoklas, Prehnit, Pumpellyit, Quarz und Silber vergesellschaftet sein.
Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Chalkosin (Kupferglanz, Cu2S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu5FeS4), Atacamit (CuCl2·Cu(OH)2), Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) und anderen Erzen gewonnen. Im Jahre 2019 waren 636 Kupferminerale bekannt. Die Minerale mit der höchsten Kupferkonzentration in der Verbindung sind Cuprit (bis 88,8 %) und Algodonit (bis 83,6 %) sowie Paramelaconit, Tenorit und Chalkosin (bis 79,9 %).
Die wichtigsten Öfen für die Kupfergewinnung sind der Flammofen und seit 1980 der Schwebeschmelzofen.
Zur Herstellung von Kupfer wird aus Kupferkies (CuFeS2) zunächst so genannter Kupferstein (Cu2S mit variierenden Gehalten an FeS und einem Cu-Gehalt von ca. 70 %) gewonnen. Dazu wird das Ausgangsmaterial unter Zusatz von Koks geröstet und die enthaltenen Eisenoxide durch kieselsäurehaltige Zuschlagstoffe verschlackt. Diese Eisensilikat-Schlacke schwimmt auf dem Kupferstein und kann so leicht abgegossen werden.
Der so erhaltene Kupferstein wird zu Rohkupfer (auch Schwarzkupfer) weiterverarbeitet. Dazu wird er glutflüssig in einen Konverter gegossen und in diese Schmelze Luft eingeblasen. In einer ersten Stufe (Schlackenblasen) wird dabei das darin enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und dieses durch zugeschlagenen Quarz zur Schlacke gebunden, die abgegossen werden kann. In einem zweiten Schritt (Garblasen) werden zwei Drittel des verbleibenden Cu2S zu Cu2O oxidiert. Das Oxid setzt sich dann mit dem restlichen Sulfid zum Rohkupfer um.
Das Rohkupfer (auch "Zementkupfer" genannt) hat einen Kupferanteil von 98 %. In den restlichen 2 % sind neben unedlen Metallen wie Eisen und Zink auch Edelmetalle wie Silber und Gold enthalten.
Die elektrolytische Raffination von Kupfer wird in einer schwefelsäurehaltigen Kupfer(II)-sulfat-Lösung mit einer Rohkupfer-Anode und einer Reinkupfer-Kathode durchgeführt. Bei der Elektrolyse werden nun alle im Vergleich zu Kupfer unedleren Metalle oxidiert und gehen als Kationen in Lösung, während die edleren Metalle als Anodenschlamm absinken.
Reaktionsgleichung der elektrolytischen Raffination:
Während die Anode sich langsam unter Bildung der Kationen auflöst, scheidet sich an der Kathode durch Reduktion von Kupferionen ausschließlich Kupfer, das Elektrolytkupfer, mit einem Massenanteil von w(Cu) = 99,99 % ab.
Der als Nebenprodukt entstehende Anodenschlamm wird später weiter verwertet und dient als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der Edelmetalle.
Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in Affinerien. In Europa ist dafür die Aurubis AG (früher Norddeutsche Affinerie) mit Hauptsitz in Hamburg bekannt, früher war es auch die Duisburger Kupferhütte (heute DK Recycling und Roheisen).
Kupfer kann auch als so genannter Zementkupfer durch Fällung aus Kupfersulfat-Lösung mit Eisen gewonnen werden. Der Vorgang der Fällung wird Zementation genannt. Das erhaltene Kupfer ist oft verunreinigt. Die Fällung von Kupfer auf Eisen aus natürlich vorkommenden Metallsalz-Lösungen wurde in China bereits seit 1086 n. Chr. praktiziert.
Kupfer kann auch durch eine aluminothermische Reaktion dargestellt werden. Als Thermit dient hierbei ein Gemisch aus Kupfer(II)-oxid und Aluminiumgrieß. Durch den Einsatz eines Fließmittels (z.B. Calciumfluorid) kann die Ausbeute erhöht werden, weil sich die elementaren Metalle im Gegensatz zur entstehenden Schlacke nicht im Fließmittel lösen können. Die aluminothermische Gewinnung ist wegen des dafür nötigen Aluminiums nicht wirtschaftlich.
Kupfer wird für Münzen, Stromkabel, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente, Rohrleitungen und vieles mehr verwendet. Es ist ein relativ teures Metall (Stand des Weltmarktpreises im Mai 2008: ca. 5450 Euro/Tonne).[1]
Für elektrischen Strom leitende Kabel und Leitungen, Leiterbahnen (Leiterplatten und Integrierte Schaltkreise) und Bauteile (Wicklungen von Transformatoren, Drosseln und Induktivitäten, Anodenkörper von Magnetrons) eignet sich reines Kupfer wegen seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeitä. Drähte bzw. Litzen aus sog. Oxygen Free Copper (OFC, engl. für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99%) und dadurch erzielbarer höherer Feinkörnigkeit des metallischen Kristallgefüges zeichnen sich darüberhinaus durch besonders hohe Ermüdungsbruchfestigkeit aus und werden daher für die Herstellung von mechanisch hochbeanspruchten Kabeln und Leitungen bevorzugt.
Kupfer besitzt ein hohes Reflexionsvermögen im Infrarotbereich und wird daher als Spiegel für Kohlendioxidlaser-Strahlen eingesetzt.
Wegen seiner sehr guten thermischen Leitfähigkeit eignet es sich als Wärmeableiter.
Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden/-carbonaten bildet (das ist kein Grünspan). 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 z.B. Messing (mit Zink), Bronze (mit Zinn) und Neusilber (mit Zink und Nickel). Diese Kupferlegierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Man unterscheidet Knetlegierungen (Messing und Neusilber) und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen): Knetlegierungen werden durch plastisches Umformen (Warmumformen: Walzen, Schmieden usw. oder Kaltumformen: Drahtziehen, Hämmern, Kaltwalzen, Tiefziehen usw.) in die gewünschte Form gebracht, während Gusswerkstoffe meist nur schwer oder gar nicht plastisch formbar sind.
Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind in Wirklichkeit oft hoch kupferhaltige Legierungen, wobei die kupfereigene Farbe durch ausreichenden Nickelzusatz verschwindet.
Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so ist das "Nordisches Gold" genannte Metall der goldfarbigen Teile der Euromünzen eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung. Die Münzmetalle der bis 2001 gültigen 1-DM-Geldstücke sowie die hellen Anteile der Euromünzen bestehen aus Kupfernickel-Legierungen.
Kupferverbindungen kommen in Farbpigmenten, als Toner, in medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz.
Kupfer färbt die Boraxperle in der oxidierenden Flammenzone blau bis blau-grün, in der reduzierenden Flammenzone ist keine Färbung bemerkbar bzw. wird die Perle rot bis rotbraun gefärbt. Im klassischen Kationentrenngang wird Kupfer in der Schwefelwasserstoff-Gruppe gefällt und dort in der Kupfergruppe als blauer Komplex nachgewiesen. Letztere Färbung beruht darauf, dass Lösungen von Kupfer(II)-Ionen mit Ammoniak einen tiefblauen Kupfertetramminkomplex, [Cu(NH3)4]2+, bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion).
Eine Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu2[Fe(CN)6]. Diese Nachweisreaktion ist sehr empfindlich, d.h., sie zeigt auch geringe Kupfermengen an.
Kupfersalze färben die Flamme (Bunsenbrennerflamme) grün bis blau (Flammenfärbung, Spektralanalyse).
Die quantitative Bestimmung kann durch Elektrogravimetrie an einer Platinnetzkathode aus einer schwefelsauren Kupfer(II)-haltigen Lösung erfolgen. Maßanalytisch kann Kupfer durch Iodometrie oder Komplexometrie (Titration mit Titriplex/Komplexon III mit Indikator Murexid) bestimmt werden. Im Spurenbereich steht die Differenzpulspolarographie zur Verfügung (Halbstufenpotential −0,62 V gegen SCE in 1 M Thiocyanat-Lösung). Ultraspuren an Kupfer bestimmt man mittels Inversvoltammetrie, Graphitrohr-AAS oder ICP-MS.
Kupfer(II)-Ionen bilden mit Cuprizon (Oxalsäurebiscyclohexylidenhydrazid) in schwach alkalischer Lösung einen blauen Komplex.
Kupfer ist für viele Mikroorganismen bereits in geringen Konzentrationen toxisch, welche für
Wirbeltiere unbedenklich sind. Daher (aber auch weil leicht verlegbar) sind
Wasserendleitungen oft kupferhaltig. Aufgrund der bakteriziden Eigenschaft von
Kupfer wird in Großversuchen getestet, ob es wirtschaftlich sinnvoll ist,
Krankenhauszimmer mit kupferbeschichteten Türklinken auszustatten.[2]
Im
Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen ist Kupfer für höhere Organismen nur
relativ schwach giftig. So kann ein Mensch täglich 0,04 Gramm Kupfer zu sich
nehmen, ohne Schaden an seiner Gesundheit zu erleiden. [3] In freier,
nicht an Proteine gebundener Form, wirkt
Kupfer antibakteriell; man spricht hier wie beim Silber vom oligodynamischen Effekt,
weshalb z.B. auch Blumenwasser, das in Kupfergefäßen aufbewahrt wird oder
in das eine Kupfermünze gelegt wird, nicht so schnell faulig wird.
Die toxische Wirkung entsteht dadurch, dass Kupferionen an Thiolgruppen von Proteinen binden und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, welche die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen führt das beispielsweise im Fall von Morbus Wilson zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.
Bei den meisten Mehrzellern ist Kupfer Bestandteil vieler Enzyme und daher ein lebensnotwendiges Spurenelement. Kupfer ist Bestandteil des blauen Hämocyanin, das bei Weichtieren und Gliederfüßern als Blutfarbstoff dem Sauerstofftransport dient. Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt nach DACH 1,0 - 1,5 Milligramm.[4]
Im Menschen wird Kupfer hauptsächlich in der Leber gespeichert.
Kupfer ist vor allem in Schokolade, Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen enthalten. Kupfermangel tritt beim Menschen selten auf, hauptsächlich bei langanhaltenden Durchfällen, frühreifen Kindern, nach einer langanhaltenden Unterernährung oder Malabsorption durch Krankheiten wie z.B. Sprue, Morbus Crohn oder Mukoviszidose. Die Einnahme hoher Dosen von Zink, Eisen oder Molybdat kann ebenfalls zu verringerten Kupfermengen im Körper führen.
Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben.
Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel und wurde deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt, beispielsweise durch weißen Phosphor, was in diesem speziellen Fall auch noch den Vorteil hat, dass gleichzeitig der Phosphor als schwerlösliches Kupferphosphid gebunden wird.
Bei der seltenen Erbkrankheit Morbus Wilson ist die Kupferausscheidung beeinträchtigt und es kommt zu vermehrter Kupferanlagerung, zuerst in der Leber, dann, wenn diese das Kupfer in den Blutkreislauf ausscheidet, auch in anderen Organen. Eine weitere ebenso seltene Erkrankung des Kupferstoffwechsels ist das Menkes-Syndrom. Dabei kann das Kupfer von den Zellen zwar aufgenommen, dann aber nicht mehr geordnet weitertransportiert werden, so dass einige Organe einen erhöhten, andere wiederum einen erniedrigten Kupfergehalt aufweisen.
Die Alzheimer-Krankheit geht möglicherweise mit Kupfermangel einher. Die therapeutische Wirksamkeit von Kupfergaben wird untersucht.
Kupfer ist für viele Mikroorganismen (Viren, Keime) bereits in geringen Konzentrationen toxisch. Aufgrund der antimikrobiellen Eigenschaft von Kupfer wird das Material z.B. in Krankenhäusern in Großversuchen eingesetzt. So belegt eine klinische Studie von 2008/2009, dass in der Asklepios Klinik Wandsbek, Hamburg, nach dem Austausch von 50 Türgriffen/-platten und Lichtschaltern die MRSA-Keime auf 63 % reduziert wurden. Eine Studie aus Chile stellte bei einer Luftfeuchte von 7,2 bis 19,7 % eine Reduktion der Keimzahlen auf Gegenständen aus Kupferlegierungen um bis zu 92 % fest. Eine Multicenter-Studie von 2010/2011 aus den USA belegt, dass die Infektionsrate in „Kupferzimmern“ um annähernd 60 % sinkt, auf den Kupfergegenständen reduzierte sich die Keimzahl um über 80 %. 2013 tauschte die Klinik für Kinder- und Jugendmedizin im Klinikum Niederberg, Nordrhein-Westfalen, ihre Türklinken gegen solche aus Kupferlegierungen um. Legierungen mit über 60 % Kupferanteil seien vonnöten. In den USA laufen weitere Versuche mit verschiedenen Kupferanwendungen.
Experimente legen nahe, dass die Kontaktabtötung durch einen Mechanismus abläuft, bei dem der Metall-Bakterien-Kontakt die Zellhülle schädigt, was wiederum die Zellen anfällig für weitere Schäden durch Kupfer macht. Aktuell befinden sich drei Experimente der Arbeitsgruppe auf der Raumstation ISS und es sind weitere geplant.
Die keimreduzierende Wirkung entsteht genauer gesagt dadurch, dass Kupferionen sich an Thiolgruppen von Proteinen binden und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, welche die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen führt das beispielsweise im Fall von Morbus Wilson (Kupferspeicherkrankheit) zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.
Kupferlegierungen mit einem Kupferanteil von mindestens 60 % zeigen auch eine toxische Wirkung gegenüber Noroviren.
Durch den Schneckenschleim wird das Kupfer im Kupferdraht oder Kupferfolie oxidiert, die als Barriere zu gefährdeten Pflanzen dient. Dadurch entsteht eine reizende Substanz, die die Schnecke daran hindert, weiter zu kriechen.
Copper Grade A
Feldversuch: Mit Kupfer-Türklinken gegen resistente
Krankenhauskeime
DACH-Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr
