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kobber

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ejendomme
Generelt
Navn , symbol , atomnummer Kobber, Cu, 29
Element kategori Overgangsmetaller
Gruppe , periode , blok 11 , 4 , d
Udseende rødbrun, metallisk, kobberfarvet
CAS -nummer

7440-50-8

EF -nummer 231-159-6
ECHA InfoCard 100.028.326
Massefraktion af jordens kuvert 0,01% [1]
Atomisk [A 1]
Atommasse 63.546 (3) [2] et al
Atomradius (beregnet) 135 (145) pm
Kovalent radius 132 pm
Van der Waals radius 140 pm
Elektronkonfiguration [ Ar ] 3 d 10 4 s 1
1. Ioniseringsenergi 7. 726 380 (4) eV [3] 745 . 48 kJ / mol [4]
2. Ioniseringsenergi 20. 29239 (6) eV [3] 1 957. 92 kJ / mol [4]
3. Ioniseringsenergi 36 . 841 (12) eV [3] 3 554. 6 kJ / mol [4]
4. Ioniseringsenergi 57 . 38 (5) eV [3] 5 536 kJ / mol [4]
5. Ioniseringsenergi 79 . 8 (7) eV [3] 7 700 kJ / mol [4]
Fysisk [A 1]
Fysisk tilstand fast
Krystalstruktur Kubisk område-centreret
massefylde 8,92 g / cm³ (20 ° C ) [5]
Mohs hårdhed 3.0
magnetisme diamagnetisk ( Χ m = −9,6 · 10 −6 ) [6]
Smeltepunkt 1357,77 K (1084,62 ° C)
kogepunkt 2868 K [7] (2595 ° C)
Molær volumen 7,11 · 10 −6 m 3 · mol −1
Fordampningsvarme 305 kJ / mol [7]
Fusionsvarme 13,3 [8] kJ mol −1
Lydens hastighed 3570 m · s −1
Specifik varmekapacitet 385 [1] J · kg −1 · K −1
Arbejdsfunktion 4,65 eV [9]
Elektrisk ledningsevne 58,1 · 10 6 A · V −1 · m −1
Varmeledningsevne 400 W m −1 K −1
Mekanisk [A 1]
Modul af elasticitet 100… 130 GPa [10] [11]
Poissons nummer 0,34… 0,35 [12]
Kemisk [A 1]
Oxidationstilstande 1, 2
Normalt potentiale 0,340 V (Cu 2+ + 2 e - → Cu)
Elektronegativitet 1.9 ( Pauling -skala )
Isotoper
isotop NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP
61 Cu {syn.} 3.333 timer ε 2.237 61 Ni
62 Cu {syn.} 9,74 min ε 3.948 62 Ni
63 Cu 69,17 % Stabil
64 Cu {syn.} 12,7 timer ε 1.675 64 Ni
β - 0,579 64 noter
65 Cu 30,83% Stabil
66 Cu {syn.} 5.088 min β - 2.642 66 noter
67 Cu {syn.} 61,83 timer β - 0,577 67 noter
For andre isotoper se liste over isotoper
NMR egenskaber
Spin
Quantum
nummer I
γ i
rad · T −1 · s −1
E r (1H) f L kl
W = 4,7 T
i MHz
63 Cu 3/2 7.112 · 10 7 0,065 26.51
65 Cu 3/2 7.604 · 10 7 0,0354 28.40
Sikkerhedsinstruktioner
GHS -faremærkning [13]

pulver

02 - Meget / ekstremt brandfarlig 09 - Miljøfarligt

fare

H- og P -sætninger H: 228 - 410
P: 210 - 273 [13]
MAK

Schweiz: 0,1 mg m −3 (målt som inhalerbart støv ) [14]

Så vidt muligt og sædvanligt anvendes SI -enheder .
Medmindre andet er angivet, gælder de givne data for standardbetingelser .

Kobber ( latin Cuprum ) er et kemisk element med elementets symbol Cu og atomnummeret 29. Det er et overgangsmetal , i det periodiske system er det i 4. periode og 1. undergruppe (efter genberegning af gruppe 11) eller kobbergruppe . Det latinske navn cuprum stammer fra (aes) cyprium " malm fra den græske ø Cypern ", hvor kobber blev udvundet i oldtiden.

Som et relativt blødt metal er kobber let at forme og sejt. Det bruges på mange måder som en fremragende leder af varme og elektricitet . Desuden tilhører den også gruppen af møntmetaller .

Som en vigtig teknologi eller funktionelt metal er kobber et halvædelmetal .

historie

Kobbermine ( Herri met de Bles , midten af ​​1500-tallet)
Venus -symbol : symbol på alkymi for kobber

Kobber, guld , sølv og tin var de første metaller, som menneskeheden lærte at kende i deres udvikling. Fordi kobber er let at arbejde med, blev det brugt af de ældste kendte kulturer for omkring 10.000 år siden. Perioden for dens udbredte anvendelse fra det 5. årtusinde f.Kr. Indtil 3. årtusinde f.Kr. BC kaldes også kobberalder , afhængigt af regionen. I Hujayrat al-Ghuzlan i Jordan var der allerede omkring 4.000 f.Kr. Et masseproduktionssted af kobber. I alkymi var kobber forbundet med Venus og femininitet ( planetariske metaller) og betragtes som en forbindelse af svovl og kviksølv [15] . De første spejle var lavet af dette metal. I løbet af den sene østlige Middelhavs bronzealder blev kobber hovedsageligt udvundet på Cypern og eksporteret derfra i fortrinsvis ca. 30 kg tunge kobberstænger i form af kvægskind (såkaldte oksehudstænger ). Fragmenter af cypriotiske oxhidbarer fra det 16. til det 11. århundrede f.Kr. BC findes i store dele af Middelhavsområdet, så langt som til Sardinien, på Balkan og endda nord for Alperne ( depositum fundet i Oberwilflingen ). [16] Den største præindustrielle kobberproducent var Romerriget med en anslået årlig produktion på 15.000 t. [17]

Senere blev kobber legeret med tin og bly til dannelse af bronze . Denne hårdere og teknisk mere modstandsdygtige legering gav sit navn til bronzealderen . Sondringen mellem bly og tin blev kun indført med stigende viden om metaller, således at udtrykket bronze ud fra nutidens perspektiv kun anvendes korrekt på tin-kobberlegeringer med et højt kobberindhold.

Den gyldne gule kobber-zinklegering " messing " var allerede kendt i det antikke Grækenland . Det blev smeltet ved at forarbejde de respektive malme sammen, men det var kun romerne, der i stigende grad brugte denne proces. Guld-kobberlegeringen Tumbaga blev meget udbredt i det gamle Colombia .

Kobber som mineral

Naturlige forekomster af indfødt kobber, dvs. i sin elementære form, var kendt længe før International Mineralogical Association (IMA) blev grundlagt. Kobber anerkendes derfor som et såkaldt bedstefarvet mineral som en uafhængig mineralform. [18]

Ifølge systematikken for mineraler ifølge Strunz (9. udgave) er kobber klassificeret under systemnr. "1.AA.05" (elementer - metaller og intermetalliske forbindelser - kobberkupalitfamilie - kobbergruppe) [19] eller i den forældede 8. udgave klassificeret under I / A.01 ( kobberserie ). Systematikken for mineraler ifølge Dana , der hovedsageligt bruges i engelsktalende lande , viser elementet mineral under systemnr. 01/01/01/03 (guld gruppe). [20]

I naturen dannes kobber normalt i basaltiske lavas enten i form af "kobberrøde", metalliske skinnende nuggets (størknet fra smelten) eller i forgrenede strukturer, såkaldte dendritter . Lejlighedsvis kan krystallinsk træning også findes. Kobber forekommer ved paragenese med forskellige, for det meste sekundære kobbermineraler, såsom bornit , chalcosin , cornwallit , cuprite , azurit og malachit samt tenorit , men kan også forbindes med mange andre mineraler, såsom calcit , clinoclase , prehnit , pumpellyite , kvarts og sølv . [21] [22]

Kobbermalm er almindelig. For eksempel er kobber fremstillet af chalcopyrit ( kobberpyritter , CuFeS 2 ), chalcosin ( kobberglans , Cu 2 S), mere sjældent også af bornit ( farvede kobbersten , Cu 5 FeS 4 ), atacamit (CuCl 2 Cu (OH) 2 ), malakit (Cu 2 [(OH) 2 | CO 3 ]) og andre malme. I 2019 kendte man 636 kobbermineraler . Mineralerne med den højeste kobberkoncentration i forbindelsen er cuprite (op til 88,8%) og algodonit (op til 83,6%) samt paramelaconit , tenorit og chalcosin (op til 79,9%). [23]

Forekomst og ekstraktion

Ifølge det tyske kobberinstitut forekommer kobber på jorden med et indhold på omkring 0,006% og ligger på 23. pladsen med hensyn til hyppigheden af ​​elementerne i jordskorpen . [24] Ofte forekommer kobber i fast form , det vil sige i elementær form. På verdensplan (fra 2017) er der i øjeblikket over 3000 steder kendt for solidt kobber, herunder i Afghanistan , Argentina , Australien , Belgien , Bolivia , Brasilien , Bulgarien , Chile , Kina , Den Demokratiske Republik Congo , Tyskland , Finland , Frankrig , Grækenland , Indien , Iran , Irland , Italien , Japan , Canada , Kasakhstan , Marokko , Mexico , Mongoliet , Namibia , New Zealand , Norge , Østrig , Peru , Filippinerne , Polen , Portugal , Rumænien , Rusland , Zambia , Sverige , Schweiz , Zimbabwe , Slovakiet , Spanien , Sydafrika , Tjekkiet , Tyrkiet , Ukraine , Ungarn , Amerikas Forenede Stater (USA) og Det Forenede Kongerige (Storbritannien). [25]

Massivt kobber kunne også påvises i flere stenprøver fra Mid-Atlantic Ridge og fra månen , som sonden for Luna 24-missionen bragte fra Mare Crisium . [25]

Kampagne og reserver

Den vigtigste kobberproducent er Chile, fulgt langt af Peru og Kina. I Europa er Polen , Portugal og Sverige bemærkelsesværdige. De vigtigste eksportlande blev organiseret i CIPEC fra 1967 til 1988. CIPEC omfattede Chile, Peru og Papua Ny Guinea , på hvis ø Bougainville en af ​​verdens største kobberminer førte til en borgerkrig i 1988.

Kobberminerne på Keweenaw -halvøen i Lake Superior (USA) var historisk betydningsfulde. Der var verdens største forekomst af indfødt kobber der. Minedrift fandt sted der i præ-columbiansk tid. I Tyskland blev kobberskifer udvundet i Mansfeld -regionen indtil 1990. Andre historiske minesteder var Kupferberg / Upper Franconia (fra 1200 -tallet) og Nedre Schlesien Kupferberg / Riesengebirge (siden 1100 -tallet) [26] I Cornwall (England) var der betydelig kobberminedrift, især i det 18. og 19. århundrede. [27]

Ifølge International Copper Study Group ICSG, ifølge United States Geological Survey (USGS), er kobberreserver i øjeblikket omkring 870 millioner tons (Mt). Identificerede og uopdagede kobberressourcer anslås til henholdsvis ca. 2.100 Mt og 3.500 Mt for i alt 5.600 Mt. Sidstnævnte tager ikke højde for de enorme mængder kobber, der er i dybhavsknuder og massive sulfider på land og ubåd. [28]

Kobbermalmsproduktion i tusinder af tons (2018) [29]
rang Land finansiel støtte Reserver
1 Chile 5800 170.000
2 Peru 2400 83.000
3 Folkerepublikken Kina 1600 26.000
4. Forenede Stater 1200 48.000
5 Den Demokratiske Republik Congo 1200 20.000
6. Australien 950 88.000
7. Zambia 870 19.000
8. Indonesien 780 51.000
9 Mexico 760 50.000
10 Rusland 710 61.000

Udvinding

Kobberudvinding ved hjælp af flashsmeltningsprocessen

Råt kobber

De vigtigste ovne til kobberudvinding er flammeovnen og siden 1980 flashsmelteren .

Til produktion af kobber ekstraheres først såkaldt kobbersten (Cu 2 S med varierende indhold af FeS og et Cu-indhold på ca. 70%) fra kobbersten (CuFeS 2 ). Til dette formål råmaterialet er brændt med tilsætning af koks og jernoxiderne indeholdte er slagged med silicaholdige aggregater . Denne jernsilikat slagge flyder på kobberstenen og kan dermed let hældes af.

  • Ristningsarbejde:
  • Smelteværk:

Kobberstenen opnået på denne måde forarbejdes til rå kobber (også kendt som sort kobber ). For at gøre dette hældes det i en konverter, og luft blæses ind i denne smelte. I et første trin (slaggbobler) ristes jernsulfidet i det i jernoxid, og dette bindes af slagget kvarts til dannelse af slagger, som kan hældes af. I et andet trin (kogebobler) oxideres to tredjedele af de resterende Cu 2 S til Cu 2 O. Oxidet reagerer derefter med det resterende sulfid for at danne rå kobber.

  • Slagbobler:
  • Madlavningsbobler:

Råt kobber har et kobberindhold på 98%. Udover uædle metaller som jern og zink indeholder de resterende 2% også ædle metaller som sølv og guld.

Raffinering

Den elektrolytisk raffinering af kobber udføres i et kobber (II) sulfat opløsning indeholdende svovlsyre med en rå kobber anode og en ren kobber katode . Under elektrolyse oxideres alle metaller, der er mindre ædle end kobber, og går i opløsning som kationer , mens de mere ædle metaller synker som anodeslam .

Reaktionsligning for elektrolytisk raffinering:

anode
katode

Mens anoden langsomt opløses med dannelsen af ​​kationer, deponeres kun kobber, det elektrolytiske kobber, med en massefraktion af w (Cu) = 99,99%, på katoden på grund af reduktion af kobberioner.

Anodeslammet, der dannes som et biprodukt, genbruges senere og fungerer som udgangsmateriale til ekstraktion af ædle metaller.

Kobber udvindes i raffinaderier . I Europa er Aurubis AG (tidligere Norddeutsche Affinerie), med hovedsæde i Hamborg, kendt for dette, og det plejede at være Duisburger Kupferhütte (i dag DK Recycling und Roheisen ).

Kobber kan også opnås som såkaldt cementkobber ved udfældning fra kobbersulfatopløsning med jern . Udfældningsprocessen kaldes cementering . Det opnåede kobber er ofte forurenet. [30] Udfældning af kobber på jern fra naturligt forekommende metalsaltopløsninger er blevet praktiseret i Kina siden 1086 e.Kr. [31]

Kobber kan også repræsenteres ved en aluminoterm reaktion . En blanding af kobber (II) oxid og aluminiumkorn anvendes som termit. Ved at anvende en superplastizer (f.eks. Calciumfluorid ) kan udbyttet øges, fordi elementære metaller i modsætning til det resulterende slagge ikke kan opløses i superplastikatoren. Den aluminotermiske ekstraktion er ikke økonomisk på grund af det nødvendige aluminium til det.

ejendomme

God elektrisk og termisk ledningsevne er vigtige egenskaber ved kobber som materiale. Materialets store betydning for teknologien stammer fra kombinationen af ​​de forskellige gode egenskaber, der - også i forbindelse med andre metaller i form af kobberlegeringer - er blevet brugt og videreudviklet i årevis. Derudover har kobber fremragende korrosionsbestandighed og er 100 procent genanvendeligt uden tab af kvalitet.

Fysiske egenskaber

Kobberskive (tværsnit) lavet af kontinuerlig støbning , ætset for at gøre krystalorienteringen synlig, diameter ca. 83 mm, renhed> 99,95%

På grund af dens massefylde på 8920 kg / m³ er kobber et af tungmetallerne , som krystalliserer på en ansigtscentreret kubisk måde og dermed en kubisk tætteste pakning af kugler med rumgruppen Fm 3 m (rumgruppe nr. 225) Skabelon : rumgruppe / 225 at have. Den gitterparameter for ren kobber er 0,3615 nm [32] (svarer til 3,615 Å ) med 4 formlen enheder pr enhed celle . [33]

Kobber er en meget god varmeleder . Dens smeltepunkt er 1083,4 ° C. Kobber er også en meget god elektrisk leder med en elektrisk ledningsevne på 58 · 10 6 S / m. Dens ledningsevne er kun lidt dårligere end sølv og betydeligt bedre end guld . Da alle blandinger opløst i kobberet, især urenheder som fosfor og jern [34], reducerer ledningsevnen kraftigt, bruges de højeste renhedsgrader ofte til ledermaterialer ( Cu-ETP , tidligere E-kobber, 99,9% renhed).

Mohs hårdhed af kobber er 2,5 til 3, hvilket svarer til en Vickers hårdhed (VHN) på 77-99 med en testkraft på 1N. Koldformning øger trækstyrken fra 150 til 200 MPa (blød) til> 350 MPa. Forlængelsen ved brud falder til under 5% med hårdhedsværdier omkring 100 HB . Ledningsevnen falder. Deformeret og derefter blødudglødede kobber har en brudforlængelse> 40% og hårdhedsværdier omkring 50 HB.

Kobbers blødhed forklarer delvist dets høje elektriske ledningsevne og høje varmeledningsevne , som er den næsthøjeste blandt rene metaller ved stuetemperatur efter sølv . Det skyldes, at resistiviteten for elektrontransport i metaller ved stuetemperatur primært er baseret på spredning af elektroner under termiske vibrationer i gitteret , som er relativt svage i et blødt metal . [35]

Smedning er meget mulig ved temperaturer på 700 til 800 ° C. Kold formning kan udføres uden mellemliggende udglødning, deformationshærdning forekommer.

Som bare metal har kobber en lys rød farve, linjefarven er lyserød-rød. Den røde farve kommer af, at den absorberer det komplementære grønne og blå lys lidt mere ved normal temperatur . Det pletter, når det udsættes for luft og bliver i første omgang rødbrunt. Med yderligere forvitring og korrosion går den glatte overflade langsomt tabt (ofte over århundreder), og farven ændres fra rødbrun til blågrøn på grund af dannelsen af ​​en patina . Kobber er et holdbart byggemateriale med en teknisk "levetid" på over 200 år. Denne modstand er baseret på dens evne til at danne et vejrbestandigt, fast klæbende beskyttelseslag i atmosfæren. Dette oxidlag er iboende stabilt og "selvhelende". Uanset dets sammensætning giver den beskyttelse mod yderligere ætsende angreb. [36]

Kobber er et af de få metalliske elementer med en anden naturlig farve end grå eller sølv. [37] Rene kobberoverflader er lakserøde og bliver rødbrune, når de udsættes for luft . Den karakteristiske farve af kobber skyldes interbåndsovergange af elektroner, der er til stede i d -atomets orbital .

Som med andre metaller opstår galvanisk korrosion , når kobber bringes i kontakt med et andet metal i en elektrolyt . [38] Det danner lokale elementer , for eksempel som en sporkomponent i zink. Som et relativt ædelt metal i den elektrokemiske serie er det dog normalt ikke selv påvirket af korrosion.

Kemiske egenskaber

Oxidationstilstande af kobber
+1 CuCI , Cu 2 O , CuH , Cu 2 C 2
+2 CuCl 2 , CuO , CuSO 4 , kobber (II) acetat
+3 KCuO 2 , K 3 CuF 6
+4 Cs 2 CuF 6

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 Cs 2 CuF 6 ). Kupfer(II)-Salze (z. B. Kupfersulfat ) sind meist von blauer oder grüner Farbe. Kupfer hat chemisch teils 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, [39] bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch stark angegriffen, von heißer Schwefelsäure wird es aufgelöst. [40] Es löst sich auch in Salpetersäure [41] und Königswasser auf. [42] 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 seinen Verbindungen passiviert . Abhängig von der Korngröße ist Kupferpulver entzündbar oder brennbar . Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar und wird nach Ausbildung einer dünnen Oxidschicht von Luft und Wasser nicht weiter angegriffen, ist also gegen saubere Luft und Wasser beständig . [13]

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.

In sauerstoffhaltigen Kupfersorten können beim Kontakt mit wasserstoffhaltigen Gasen Risse und Hohlräume entstehen, was zu der sogenannten Wasserstoffversprödung bei Kupfer führt.

Biologische Eigenschaften

Für den menschlichen Organismus hat Kupfer die Bedeutung ist ein essentielles Spurenelement , dh der Mensch benötigt Kupfer, um zu überleben. Gewöhnlich wird der Tagesbedarf eines Erwachsenen von ca. 2 mg durch die Aufnahme einer ausgewogenen Ernährung mit einem reichlichen Anteil an Getreide, Fleisch, Wurzelgemüse, Hülsenfrüchten, Nüssen oder auch Schokolade erreicht. [43] Kupfer ist ein natürlich vorkommendes Element, das man in verschiedenen Formen und Konzentrationen in der Erdkruste, den Ozeanen, Seen und Flüssen finden kann. Das Leben von Flora und Fauna hat sich im Rahmen dieses natürlichen Vorhandenseins von Kupfer entwickelt. Daher verfügen die meisten Organismen über einen immanenten Mechanismus zu seiner Nutzung.

Antimikrobielle Eigenschaften

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. [44] [45] 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. [46] In den USA laufen weitere Versuche mit verschiedenen Kupferanwendungen. [47]

Experimente legen nahe, dass die Kontakt 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. [48] Aktuell befinden sich sogar drei Experimente der Arbeitsgruppe auf der Raumstation ISS und es werden noch einige mehr folgen.

Die keimreduzierende Wirkung entsteht 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. [49]

Kupferlegierungen mit einem Kupferanteil von mindestens 60 % zeigen auch eine toxische Wirkung gegenüber Noroviren . [50]

Wirkung gegen Schnecken

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. [51] [52]

Biologischer Kupferbedarf

Da Kupfer insbesondere für den Stoffwechsel von großer Wichtigkeit ist, kann ein Kupfermangel zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Die gesundheitlichen Vorteile von Kupfer sind zahlreich, denn Kupfer beeinflusst als Bestandteil lebenswichtiger Enzyme und Proteine viele Körperfunktionen: Kupfer ist essentiell für das Wachstum von Säuglingen, die Knochenstärke, die Reifung von roten und weißen Blutzellen, den Eisentransport, den Cholesterin- und Glukosestoffwechsel, die Herzmuskelkontraktion und die Entwicklung des Gehirns.

Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt 1,0–1,5 Milligramm. [53] Im menschlichen Körper 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 ist ein Mangel möglich bei langanhaltenden Durchfällen, frühreifen Kindern, nach einer langanhaltenden Unterernährung oder einer 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. [54] Das Menkes-Syndrom ist eine seltene angeborene Kupferstoffwechselstörung. [55] [56]

Kupferüberschuss und Vergiftung

Kupferablagerung in der Hornhaut des Auges (Kayser-Fleischer-Kornealring), ein Symptom bei der Erbkrankheit Morbus Wilson

Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben. [54]

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.

Kupfer und Morbus Alzheimer

Immer wieder wurde der Zusammenhang zwischen Kupfer und der Entstehung der Alzheimer-Krankheit diskutiert. Bereits 2003 vermuteten Forscher, dass Kupfer die Produktion von Amyloid A bremst und ein Mangel an Kupfer die Alzheimerdemenz fördert. [57] Eine darauf folgende Pilotstudie mit 70 Alzheimer-Patienten konnte jedoch keine protektive Wirkung von einer erhöhten Kupfer-Einnahme zeigen, auch wenn es zu einer Stabilisierung im Abfall von Abeta42 im Liquor kam, einem Krankheitsmarker der Alzheimer-Erkrankung. [58]

Andere Studien zeigten, dass Kupfer für das Gehirn schädlich sein könnte. So zeigte eine Studie mit dem Ionophor PBT2 als Wirkstoff gegen Alzheimer gute Ergebnisse in einer Phase-II-Studie. Der Wirkstoff bindet nicht nur Zink , sondern auch Kupfer und verringert somit die Konzentration von Kupfer im Gehirn. [59]

Eine neue Studie zeigt, dass Kupfer sich bei langfristiger hoher Zufuhr in den Hirnkapillaren ablagert und dort die Blut-Hirn-Schranke schädigen kann. Dadurch wird der Abtransport von Beta-Amyloid behindert, die Akkumulation des Stoffes verursacht dann den Morbus Alzheimer . [60]

Verwendung

Elektrische Leitung ( Litze )
Der „ Brüningtaler “ – Kupfer- bzw. Bronze- Kursmünze zu 4 Reichspfennig von 1932
Kupferdach für das Residenzschloss Dresden

Kupfer wird rein oder als Legierung insbesondere aufgrund seiner hervorragenden elektrischen - und Wärmeleitfähigkei t, aber auch wegen der ausgezeichneten Verarbeitbarkeit und Langlebigkeit in einer Vielzahl von Anwendungen und in vielen verschiedenen Industrien wie im Automobil- oder Maschinenbau eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind inzwischen auch erneuerbare Energien (Stichwort: Green Building). Dazu gehören aber auch Bereiche wie Telekommunikation, Architektur, konventionelle Energien, Sanitärinstallation, Heizung, Verkehr, maritime Anwendungen, Elektrotechnik (z. B. Elektroinstallation ) , Präzisionsteile, Münzen , Essbesteck , Kunstgegenstände, Musikinstrumente und vieles mehr.

Wird es in Kontakt mit anderen Metallen eingesetzt, führt es bei diesen bei Feuchtigkeitseinfluss zu Kontaktkorrosion .

Nach Silber besitzt Kupfer noch vor Gold die zweithöchste elektrische Leitfähigkeit aller Stoffe und wird daher ua eingesetzt für:

Aluminium ist zwar billiger und auf die Masse pro Länge bezogen ein besserer elektrischer Leiter als Kupfer. Es ist aber voluminöser. U. a. deshalb und auch weil Kupfer besser kontaktiert werden kann und es eine höhere Biegewechselbeständigkeit hat, wird es als Stromleiter gegenüber Aluminium meist bevorzugt, außer wenn es auf das Gewicht oder den Preis ankommt.

Drähte und Litzen aus sogenanntem Oxygen Free Copper ( OFC , englisch für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99 %) haben ein sehr feinkörniges Kristallgefüge und eine besonders hohe Ermüdungsbruchfestigkeit. Sie werden für mechanisch hochbeanspruchte Kabel und Leitungen eingesetzt.

Für Oberleitungen werden Legierungen von Kupfer und Magnesium verwendet. [61] Dabei muss ein Kompromiss zwischen steigender Zugfestigkeit und sinkender Leitfähigkeit gefunden werden.

Kupfer besitzt ein hohes Reflexionsvermögen im Infrarotbereich und wird daher als Spiegel für Kohlendioxidlaser -Strahlen und zur Glasbeschichtung ( Isolierglas ) eingesetzt.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eignet es sich gut als Material für Wärmetauscher , Kühlkörper und Montageplatten von Leistungshalbleitern . In der Gastronomie wird es oft als Kochgeschirr eingesetzt.

Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben , das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. In der bildenden Kunst wird Kupfer bis heute zur Fertigung von Druckplatten für Kupferstiche und Radierungen verwendet.

Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina bildet, die aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden bzw. Kupfercarbonaten besteht. Diese oft fälschlich auch als „Grünspan“ (siehe Kupferacetat ) bezeichnete Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion , sodass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können. Kupfernägel finden beim traditionellen Schieferdach Verwendung. Zunehmend wird Kupfer auch aus ästhetischen Gründen für Dächer und Fassaden eingesetzt.

Legierungen

Kupfer ist auch Bestandteil von mehr als 400 Legierungen [62] 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.

Je nach Nickelzusatz verschwindet die kupfereigene Farbe und es entstehen gelbliche bis weiße korrosionsfeste Legierungen ( Kupfernickel ).

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.

Der Kupferstammbaum

Eine Übersicht über die verschiedenen Legierungsfamilien gibt der Kupferstammbaum des Deutschen Kupferinstituts.

Nachweis

Flammenfärbung von Kupfer

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(NH 3 ) 4 ] 2+ , bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion ).

Eine Kaliumhexacyanoferrat(II) -Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu 2 [Fe(CN) 6 ]. Diese Nachweisreaktion ist sehr empfindlich, dh, 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 , [63] Graphitrohr-AAS oder ICP-MS .

Kupfer(II)-Ionen bilden mit Cuprizon (Oxalsäurebiscyclohexylidenhydrazid) in schwach alkalischer Lösung einen blauen Komplex.

Verbindungen

Oxide und Hydroxide

Kupfer(I)-oxid ist rötlich und besitzt eine kubische Kristallstruktur mit der Raumgruppe Pn 3 m (Raumgruppen-Nr. 224) Vorlage:Raumgruppe/224 . [64] Es wird als Pigment in Glas , Keramik , Email , Porzellanlasur sowie als optisches Glaspoliermittel , Insektizid , Katalysator für die Ammoniakherstellung , Lösungsmittel für Chromeisenerze , in galvanischen Elektroden , in der Pyrotechnik , Wolkenbildung , Korrosionsinhibitoren , Galvanisierverfahren , Elektronik , Textilien , als Flammschutzmittel , Kraftstoffadditiv, Katalysator zur Schadstoffbekämpfung, zum Drucken und Fotokopieren und als Holzschutzmittel verwendet.

Kupfer(II)-oxid ist ein schwarzer, amorpher oder kristalliner Feststoff und bildet eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe C 2/ c (Raumgruppen-Nr. 15) Vorlage:Raumgruppe/15 . [64] Es wird in der Keramikindustrie verwendet, um Gläser , Glasuren und Emails blau, grün oder rot zu färben. Es wird gelegentlich zur Einarbeitung in Mineralstoffzusätze zur Absicherung gegen Kupfermangel in der Tierernährung eingesetzt. Zu seinen weiteren Anwendungen gehört die Aufbereitung von Lösungen für die Zellstoffindustrie.

Kupfer(II)-hydroxid ist blau und wird zur Herstellung von Zellstoff , Batterieelektroden und anderen Kupfersalzen verwendet. Es wird als Beizmittel beim Färben , als Pigment - und Futtermittelzusatz , bei der Behandlung der Lagerfäule bei Preiselbeeren und als Fungizid gegen bakterielle Schwachstellen bei Salat, Pfirsichen, Preiselbeeren und Walnüssen verwendet. [65]

Halogenide

Kupfer(II)-chlorid ist ein braunes, stark hygroskopisches Pulver. Es wird als Katalysator für organische und anorganische Reaktionen , Beizmittel zum Färben und Bedrucken von Textilien , Pigment für Glas und Keramik , Holzschutzmittel , Desinfektionsmittel , Insektizid , Fungizid und Herbizid sowie als Katalysator bei der Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff verwendet.Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat (CuCl 2 · 2 H 2 O) ist ein blaugrüner Feststoff .

Kupfer(I)-chlorid ist weiß und besitzt eine Kristallstruktur vom Zinkblende -Typ mit der Raumgruppe F 4 3 m (Raumgruppen-Nr. 216) Vorlage:Raumgruppe/216 . [66] Es wird als Katalysator für viele organische Reaktionen verwendet. Ammoniaklösungen von Kupfer(I)-chlorid werden zur Reinigung von Gasen von Kohlenstoffmonoxid eingesetzt. [65]

Weitere anorganische Verbindungen

Synthetisch hergestellte Kupfersulfat - Pentahydrat - Kristalle

Kupfersulfat kommt in der Natur als Chalkanthit (Kupfersulfat-Pentahydrat, Cu[SO 4 ] · 5H 2 O) und als Boothit (Kupfersulfat-Heptahydrat, Cu[SO 4 ] · 7H 2 O) vor. Es dient zum Konservieren von Häuten, zum Gerben von Leder , zur Herstellung von Kupfersalzen, zum Konservieren von Zellstoffholz und gemahlenem Zellstoff , zur Bekämpfung des Algenwachstums in stehenden Gewässern . Außerdem wird es in Galvaniklösungen , Wasch- und Metallmarkierungsfarben, Erdölraffinerien , in der Pyrotechnik und für viele andere industrielle Anwendungen eingesetzt. [65]

Organische Verbindungen

Kupfer(II)-acetat (Grünspan) als Pulver

Kupfer(II)-acetat (Grünspan) bildet dunkelgrüne Kristalle . Es wird als Fungizid , Katalysator für organische Reaktionen , Pigment für Keramiken , Insektizid , Schimmelschutzmittel, Konservierungsmittel für Cellulosematerialien , Stabilisator für Polyurethane und Nylons , Korrosionsschutzmittel und Kraftstoffadditiv verwendet. [65]

Preisentwicklung

Der Kupferpreis im Vergleich zum Aluminiumpreis
  • Kupfer
  • Aluminium
  • Kupfer ist ein relativ teures Metall. Sein Preis entsteht maßgeblich an den großen Rohstoffbörsen und Warenterminbörsen der Welt. Führend im Kupferhandel ist die London Metal Exchange (LME). [67]

    Der Weltmarktpreis für Kupfer unterliegt starken Schwankungen : Eine der größten Schwankungen erfuhr er im Jahr 2008, als der Preis für Kupfer am 2. Juli an der LME noch zum zwischenzeitlichen Höchststand von 8.940 USD / t [68] gehandelt wurde und bis zum 23. Dezember 2008 auf seinen 10-Jahres-Tiefststand von 2.825 USD [68] fiel. Danach erholte sich der Kupferpreis in weniger als 4 Monaten bis zum 15. April 2009 wieder bis auf 4.860 USD/t. [68] Seinen 10-Jahres-Höchststand hatte der Kupferpreis am 14. Februar 2011 mit 10.180 USD/t. [69]

    Von März 2012 bis März 2013 stieg der Kupferpreis in der Spitze am 2. April 2012 bis auf 8.619,75 USD und am 2. August 2012 bis auf 7.288,25 USD. [70] Eine ähnliche Spannweite zeigte sich auch von Oktober 2012 bis März 2013 zwischen 8.350 USD/t und 7.577 USD/t. [71]

    Im August 2014 lag der Weltmarktpreis für Kupfer bei etwa 7.000 USD/t. [72] Dies waren nach damaligem Wechselkurs 5.963 EUR/t. [73]

    Der hohe Kupferpreis bedingt auch einen Anstieg der Diebstähle von kupferhaltigen Gegenständen. Besonders betroffen sind hier Erdungskabel von Eisenbahnen. Beispielsweise entstanden der Deutschen Bahn AG im Jahr 2015 rund 14 Mio. Euro Schaden. [74]

    Einer der größten Finanzskandale der neueren Geschichte ist die Sumitomo-Affäre . Sie beruhte auf dem Handel mit Kupfer. In Folge der Aufdeckung sank 1996 der Kupferpreis innerhalb eines Tages um 27 %.

    Literatur

    Weblinks

    Commons : Kupfer – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
    Wiktionary: Kupfer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

    Anmerkungen

    1. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Kupfer) entnommen.

    Einzelnachweise

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