Kupfer

Allgemeine Eigenschaften

Name

Kupfer, engl. "copper"

Formelzeichen

Ordnungszahl

Isotope (%)

⁶³Cu - 69,17
⁶⁵Cu - 30,83

Alle Isotope künstlich

nein

Reines Kupfer ist ein rötlich glänzendes, verhältnismäßig weiches, dehnbares und gut schmiedbares Schwermetall.
Kupfer ist ein sehr guter Leiter für Wärme und elektrischen Strom.
Es lässt sich zu hauchdünnen Folien und zu Drähten formen.
Kupfer bildet mit vielen Metallen, z.B. Zink (Messing) oder Zinn (Bronze), Legierungen.
An feuchter Luft überzieht sich Kupfer allmählich mit einer Schicht aus dem sehr widerstandsfähigen basischen Kupfercarbonat (Patina), mit essigsäurehaltigen Lösungen bildet sich basisches Kupferacetat (Grünspan).
Unter Luftabschluss ist das Metall widerstandsfähig gegenüber Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure. Mit Salpetersäure bilden sich grünes Kupfernitrat und rotbraunes Stickstoffdioxid. Heiße, konzentrierte Schwefelsäure reagiert mit Kupfer nicht unter Wasserstoffentwicklung, sondern bildet Schwefeldioxid, Kupfersulfat und Wasser.
Mit Ammoniaklösung bildet sich blaues Tetramminkupferhydroxid (Schweizers Reagenz [Cu(NH₃)₄](OH)₂).
Beim Erhitzen in der nichtleuchtenden Flamme eines Bunsenbrenners bilden sich bunte Anlauffarben, die zunächst durch Interferenz der entstehenden, dünnen Oxidschicht zu erklären sind. Später entsteht eine dicke Schicht aus schwarzem Kupferoxid.
Die Salze der zweiwertigen Kupfers sind blau bzw. grün. Diese Färbung beruht auf den blassblauen hydratisierten Kuper(II)-ionen ([Cu(H₂O)₄]²⁺). Salze einwertigen Kupfers sind farblos, ebenso die völlig wasserfreien Salze zweiwertigen Kupfers.

Chemische Eigenschaften

Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe)

1,90 (I)

Elektronenkonfiguration

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

Oxidationszahlen

+2, +1

bevorzugt

Physikalische Eigenschaften

Mittlere Atommasse (u)

63,546 ± 3

Dichte (g/cm³)

8,954

Schmelztemperatur (°C)

1083,40

Siedetemperatur (°C)

2567

Härte (Mohs)

2,5 - 3

Atomradius (pm)

127,8

Ionenradius (pm bei Ladung bzw. Oxidationszahl)

72 (2+)

1. Ionisierungsenergie (kj/mol bei 25° C)

752

Radioaktive Eigenschaften

Alle Isotope radioaktiv

nein

Langlebigstes Isotop

Halbwertszeit

Strahlungsart

Geschichtliches
ca. 9000 v. Chr.	Kupfer ist vermutlich das erste Metall, welches von den Menschen verarbeitet werden kann. Man gewinnt es aus den Erzen durch primitive Verhüttung. Mit der Entwicklung der Kupferverarbeitung endet die Steinzeit.
Antike	Die wichtigsten bekannten Kupfervorkommen befinden sich auf Zypern, daher stammt wahrscheinlich auch der lateinische Name der Name aes cyprium ("Erz aus Zypern").
Mittelalter	In der Alchemie dient das Phänomen, dass Kupfer durch unedle Metalle aus Lösungen seiner Salze freigesetzt wird, lange Zeit als Beweis für die Möglichkeit einer Umwandlung von Metallen in andere (Transmutation). Dem Kupfer wird in der Alchemie das Venuszeichen zugeordnet.
1661	Robert Boyle (1627-1691) klärt das alchemistische Missverständnis auf und erklärt das Phänomen als Verdrängung des Kupfers aus einer Salzlösung durch unedlere Metalle wie Eisen oder Zink.
Der deutsche Name und das Formelzeichen leiten sich aus der lateinischen Bezeichnung cuprum ab. Dieser wiederum stammt wahrscheinlich aus der Bezeichnung aes cyprium ("Erz aus Zypern"), was in der Antike das wichtigste Herkunftsgebiet im Mittelmeerraum war.

Vorkommen

Kupfer nimmt einen Massenanteil von 0,01 % an der Erdkruste ein.
Es tritt nur selten gediegen auf, wichtiger sind die Vorkommen in Erzen meist den Sulfiden wie Kupferkies (CuFeS₂) oder Kupferglanz (Cu₂S).
Kupfererze weisen meist nur einen geringen Kupfergehalt auf (2 - 5 %).
Kupfererze enthalten oftmals geringe Mengen an Silber, z.T. auch Gold, Selen, Arsen sowie weitere Metalle.
Die größten Erzlagerstätten befinden sich in den USA, Chile, Peru, Kaukasus, Philippinen, Australien, Iran, Spanien, Portugal, Polen und Deutschland.

Verwendung

Für elektrische Kabel, sowie als Leiter in anderen elektrischen Bauteilen
Baumaterial für Dachbleche und Dachrinnen
Zur galvanischen Verkupferung
Material für Kochgeschirr, Rohre, Braukessel
Ausgangsstoff von Kupferverbindungen
Legierungsbestandteil wertvoller Legierungen, z.B. für Münzen, Beschläge, etc.
Wichtige Legierungen sind:
- Rotmessing
  - 80 - 90 % Kupfer
  - 10 - 20 % Zink
  - für Modeschmuck und Kunstartikel
- Gelbmessing
  - 60 - 80 % Kupfer
  - 20 - 40 % Zink
  - für Maschinenteile und Küchengeräte
- Glockenbronze
  - 75 - 80 % Kupfer
  - 20 - 25 % Zinn
  - für Glocken und Kunstgegenstände
- Konstantan
  - 57% Kupfer
  - 41% Nickel
  - 1% Eisen
  - 1% Mangan
  - elektrische Widerstände
- Neusilber
  - 45 - 68 % Kupfer
  - 10 - 26 % Nickel
  - 12 - 45 % Zink
  - chirurgische Instrumente, Essbestecke

Herstellung

Die Kupfererze werden durch Flotation angereichert; sulfidische Erze werden anschließend geröstet, Oxide mit Kohle reduziert. Die entstandenen Schmelzen werden mit schlackebildenden Zusätzen oder elektrolytisch gereinigt.
Bei der elektrolytischen Reinigung hängen den gegossenen Anoden aus Rohkupfer, dünne reine Kupferbleche als Kathode gegenüber, an denen sich Kupfer aus der Lösung abscheidet, während neues Kupfer an der Anode in Lösung geht. Im Rückstand der Anode (Anodenschlamm) sammeln sich edlere Metalle, unedlere Metalle gehen und bleiben in Lösung.

Nachweis

Atomabsorptionsspektrometrie
Atomemissionsspektrometrie
Phosphorsalzperle
- Oxidationsflamme:
  - heiß: grün (nach gelb)
  - kalt: blau
- Reduktionsflamme:
  - heiß: farblos
  - kalt: rotbraun
Als Cu₂[Fe(CN)₆]
- 2 Cu²⁺ + [Fe(CN)₆]^4- ----> Cu₂[Fe(CN)₆]
- Brauner, in verdünnten Säuren schwerlöslicher, brauner Niederschlag. In Ammoniak jedoch unter Bildung von [Cu(NH₃)₄]²⁺ gut löslich.

Biologische Bedeutung

Essentielles Spurenelement
Bei Wirbellosen im sogenannten Hämocyanin (maßgeblich für den Sauerstofftransport im Blut) vorkommend.
Beim Menschen Bestandteil des Caeruloplasmins, der Superoxiddismutase in den Erythrozyten (ca. 0,2 % Kupfergehalt), der Zytochromoxidase und anderer Oxidoreduktasen.
Kupfer wird die Erythropoese benötigt.
Der tägliche Bedarf liegt bei ca. 2 mg.
Der physiologische Kupfergehalt im Serum liegt zwischen 12 und 24 µmol/l und ist bei Eisenmangelanämien, Tumoren, Infekten und in der Schwangerschaft aus ungeklärten Gründen erhöht.