Kupfer

Synonym

  • Copper [engl.], Cuprum [lat.]

Übersicht

Medizin

Typ

Physiologie

Typ

Bemerkungen

  • 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.

Bedeutung

  • Beim Menschen ist Kupfer Bestandteil des Caeruloplasmins, der Superoxiddismutase in den Erythrozyten (ca. 0,2 % Kupfergehalt), der Zytochromoxidase und anderer Oxidoreduktasen.
  • Es wird z.B. für wird die Erythrozytopoese benötigt.

Mangelerscheinungen

  • Blutbildungsstörungen, Anämie
  • Adynamie, Appetitlosigkeit
  • Osteoporose
  • Pigmentstörungen
  • Ageusie
  • Störungen des Immunsystems und der Atmungsfermente

Tagesbedarf

  • Erwachsene: ca. 2 mg

Chemie

Allgemeine Eigenschaften

Formelzeichen Cu
Ordnungszahl 29
Isotope [%] 63Cu - 69,17
65Cu - 30,83

Chemische Eigenschaften

Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe) 1,90 (I)
Elektronenkonfiguration 1s22s22p63s23p63d104s1
Oxidationszahlen +2, +1
bevorzugt +2

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

Sonstige Eigenschaften

  • 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.

Geschichtliches

  • Kupfer ist vermutlich das erste Metall, welches von den Menschen verarbeitet werden kann.
  • Man gewinnt es seit ca. 9000 v.Chr. aus den Erzen durch primitive Verhüttung.
  • Mit der Entwicklung der Kupferverarbeitung endet die Steinzeit.
  • In der Antike befinden sich die wichtigsten bekannten Kupfervorkommen auf Zypern, daher stammt wahrscheinlich auch der lateinische Name cuprum, abgeleitet aus aes cyprium ("Erz aus Zypern").
  • In der Alchemie des Mittelalters 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.
  • Robert Boyle (1627 - 1691) klärt 1661 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.

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
    • 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.

Analytik

Identität

Atomabsorptionsspektrometrie

Atomemissionsspektrometrie

Phosphorsalzperle

Oxidationsflamme
  • heiß: grün (nach gelb)
  • kalt: blau
Reduktionsflamme
  • heiß: farblos
  • kalt: rotbraun

Als Cu2[Fe(CN)6]

Reaktion

2 Cu2+ + [Fe(CN)6]4- Cu2[Fe(CN)6]

Bemerkungen
  • Brauner, in verdünnten Säuren schwerlöslicher, brauner Niederschlag. In Ammoniak jedoch unter Bildung von [Cu(NH3)4]2+ gut löslich.

Biologie

Bemerkungen

  • Bei Wirbellosen im sogenannten Hämocyanin (maßgeblich für den Sauerstofftransport im Blut) vorkommend.
 

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