Kupfer

Kupfer – Definition

Kupfer ist ein Metall. Chemisch betrachtet gehört es zu den Edelmetallen und ist als Übergangsmetall in den Nebengruppen des Periodensystems der Elemente zu finden.

Kupfer hat eine rötliche Farbe. Du kennst es vielleicht von Stromkabeln oder auch von Centmünzen, die Kupfer enthalten.

Kupfer – Steckbrief

Im folgenden Steckbrief sind die wichtigsten Eigenschaften von Kupfer zusammengefasst.

Kupfer – Geschichte

Kupfer ist bereits seit dem Altertum bekannt. Schon die alten Ägypter kannten das Metall, erst als reines Kupfer, dann auch in Legierungen wie Bronze (Kupfer und Zinn) oder Messing (Kupfer und Zink). Die Cheops-Pyramide wurde vor etwa $5\,000$ Jahren auch mithilfe von Kupferwerkzeugen errichtet. Im antiken Griechenland wurde ebenfalls Kupfer gewonnen und genutzt. Von den Griechen übernahmen die Römer die Kunst der Kupferverhüttung. Der lateinische Name für Kupfer, cuprum, leitet sich übrigens von der Insel Zypern ab. Von dort bezogen die Römer einen großen Teil ihrer Kupfererze.

Kupfer – Eigenschaften

Nun wollen wir noch ein wenig genauer auf die Eigenschaften von Kupfer eingehen und auch einen Blick darauf werfen, wie wir diese nutzen können.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer

Kupfer gehört mit seiner relativ hohen Dichte (vergleichbar mit der von Nickel und Cobalt) zu den Schwermetallen. Es hat allerdings eine relativ geringe Härte auf der Mohshärte-Skala und ist damit gut schmiede- und verarbeitbar. Auch heute noch haben Kupferlegierungen wie Bronze und Messing, aus denen bereits in der Antike sowohl Waffen als auch verschiedene Gebrauchsgegenstände gefertigt wurden, eine große Bedeutung. In der Architektur und in der bildenden Kunst werden Kupfer und dessen Legierungen ebenfalls gerne verwendet.
Kupfer ist ein sehr guter elektrischer Leiter und ein sehr guter Wärmeleiter. Das macht es für viele Anwendungen in der Elektrotechnik interessant, vor allem als Leiter in Stromkabeln und auf Leiterplatten wie Computerchips.

Chemische Eigenschaften von Kupfer

Kupfer ist zwar chemisch gesehen nicht so reaktionsträge wie Gold oder Platin, aber es zählt dennoch zu den Edelmetallen. Es ist beispielsweise edler als Eisen oder Blei. Deshalb kann es in der Natur nicht nur in Form von Kupfererzen, sondern in geringen Mengen auch in gediegener (sprich elementarer) Form vorkommen. Kupfer reagiert weder mit Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ noch mit Laugen wie Natriumhydroxid $\left( \ce{NaOH} \right)$. Es reagiert allerdings mit Salpetersäure $\left( \ce{HNO3} \right)$ und löst sich darin. Bei erhöhten Temperaturen entsteht durch die Reaktion mit Luftsauerstoff Kupfer(II)-oxid $\left( \ce{CuO} \right)$.

Biologische Eigenschaften von Kupfer

Menschen und viele andere Lebewesen benötigen geringe Mengen Kupfer zum Leben. Das Metall spielt im Stoffwechsel eine wichtige Rolle und ist auch an der Bildung des Blutes beteiligt. Wir nehmen Kupfer über unsere Nahrung auf. Es ist in verschiedenen Getreidesorten, Nüssen und Hülsenfrüchten enthalten.

Kupfer – Verbindungen und Reaktionen

Kupfer ist ein relativ edles Element, trotzdem kann es einige Reaktionen mit anderen Stoffen eingehen und bildet Verbindungen, von denen viele in der Chemie von großer Bedeutung sind. Es gibt einige organische Verbindungen mit Kupfer, beispielsweise Kupfer(II)-acetat $\left( \ce{Cu(CH3COO)2} \right)$ und einige Komplexverbindungen (Kupferkomplexe). Die wichtigsten Kupferverbindungen sind allerdings anorganisch und können in verschiedene Gruppen eingeteilt werden:

Kupferoxide

Kupfer reagiert mit Sauerstoff zu einem Kupferoxid. Das schwarze Kupferoxid ist Kupfer(II)-oxid $\left( \ce{CuO} \right)$. Die Oxidation kann bei erhöhter Temperatur durch die Reaktion mit Luftsauerstoff stattfinden.

$\ce{2 Cu + O2 -> 2 CuO}$

Beim roten Oxid des Kupfers handelt es sich um Kupfer(I)-oxid $\left( \ce{Cu2O} \right)$. Es entsteht beispielsweise, wenn Kupfer(II)-oxid zusammen mit elementarem Kupfer erhitzt wird.

$\ce{CuO + Cu -> Cu2O}$

Beide Oxide können für die Übertragung von Sauerstoff als milde Oxidationsmittel verwendet werden.

Kupfersulfide

Kupfer reagiert mit Schwefel zu einem Kupfersulfid. Kupfer(I)-sulfid $\left( \ce{Cu2S} \right)$ entsteht bei hohen Temperaturen direkt aus den beiden Elementen:

$\ce{2 Cu + S -> Cu2S}$

Leitet man das nach faulen Eiern riechende Gas Schwefelwasserstoff $\left( \ce{H2S} \right)$ in Lösungen von Kupfer(II)-Salzen ein, dann fällt das schwer lösliche Kupfer(II)-sulfid $\left( \ce{CuS} \right)$ aus:

$\ce{{Cu^{2+}}_{\text{(aq)}} + S^{2-} -> CuS}$

Aus Kupfersulfiden sind wiederum einige Minerale aufgebaut, die wir Kupfererze nennen. Ein Beispiel ist Chalkopyrit $\left( \ce{CuFeS2} \right)$, aus dem elementares Kupfer gewonnen werden kann.

Kupfersulfat

Kupfersulfat hat in der Chemie eine besonders große Bedeutung. Auch in der Schule kommt es bei einigen Experimenten zum Einsatz. Man unterscheidet das wasserfreie, weiße Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4} \right)$ von dem wasserhaltigen, blauen Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4 . 5 H2O} \right)$. Wasserfreies Kupfersulfat kann man für den Wassernachweis in organischen Lösungsmitteln verwenden. In galvanischen Zellen, insbesondere im Bleiakkumulator, wird Kupfersulfat in wässriger Lösung als Elektrolyt verwendet.

Kupferhalogenide

Kupfer reagiert mit einem Halogen zu einem Kupferhalogenid. Typische Beispiele sind Kupfer(I)-chlorid $\left( \ce{CuCl} \right)$ und Kupfer(II)-chlorid $\left( \ce{CuCl2} \right)$, die beide entstehen können, wenn Kupfer und Chlorgas zusammen erhitzt werden.

$\ce{2 Cu + Cl2 -> 2 CuCl}$

$\ce{Cu + Cl2 -> CuCl2}$

Kupfersulfide, Kupferhalogenide und Kupfersulfat sind Kupfersalze, also ionische Verbindungen. Kupferoxide werden in der Regel nicht dazugezählt.

Nachweis von Kupfer

Reines Kupfer lässt sich auf verschiedene Arten nachweisen.

Mithilfe einer Boraxperle lässt sich ebenfalls Kupfer nachweisen. In der Boraxperle aufgenommenes Kupfer zeigt in der Bunsenbrennerflamme eine blau-grüne Flammenfärbung.

Eine chemische Nachweisreaktion ist mit Salpetersäure $\left( \ce{HNO3} \right)$ möglich. Während Kupfer gegen andere Säuren wie Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ oder Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ beständig ist, reagiert es in konzentrierter Salpetersäure zu Kupfer(II)-nitrat $\left( \ce{Cu(NO3)2} \right)$, Stickstoffdioxid $\left( \ce{NO2} \right)$ und Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$.

$\ce{Cu + 4 HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2 H2O + 2 NO2}$

Das Kupfernitrat sorgt für eine grüne Färbung der wässrigen Lösung.

Kupfer-Ionen, wie sie beispielsweise in Kupfersalzen wie Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4} \right)$ in wässriger Lösung vorliegen, lassen sich durch eine Reaktion mit Ammoniak $\left( \ce{NH3} \right)$ eindeutig nachweisen.

$\ce{CuSO4 {}_{\text{(aq)}} + 4 NH3 -> [Cu(NH3)4]SO4}$

Das Produkt ist die Komplexverbindung Tetraamminkupfersulfat. Sie sorgt für eine blaue Färbung.

Kupfer im Periodensystem

Das Element Kupfer hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl $29$ und gehört zu den Elementen der Nebengruppe $\text{I B}$. Damit gehört Kupfer zu den Metallen, genauer gesagt zu den Übergangsmetallen. In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen kann Kupfer ein oder zwei Elektronen abgeben. Seine Oxidationszahlen sind damit $\text{+I}$ und $\text{+II}$.

Kupfer – Vorkommen

Kupfer ist mit einem Anteil von 0,01 Prozent in der Erdkruste enthalten. Man trifft es selten gediegen an, also in der metallischen Form von Kupfernuggets. Es gibt zahlreiche Kupfererze, beispielsweise Chalkopyrit, früher auch Kupferkies genannt, und das grüne Malachit. Die Gewinnung von Metallen aus Erzen ist ein großer Wirtschaftszweig und die Weltkupferförderung verzeichnete in den letzten Jahren eine ständig steigende Tendenz. Das meiste Kupfer wird in Süd- und Nordamerika, in China und im Kongo gefördert. Chile fördert mit ${5 - 6 ~\text{Mio. t}}$ die größte Menge Kupfer pro Jahr und gilt als das Land mit den größten Kupfervorkommen.

Kupfer – Herstellung

Die Gewinnung bzw. Herstellung von Kupfer ist ein komplizierter Prozess, der in mehrere Schritte unterteilt werden kann.

Gewinnung von Rohkupfer

Rohkupfer wird aus dem Erz Chalkopyrit – chemisch gesehen ist das Kupfereisensulfid $\left( \ce{CuFeS2} \right)$ – in mehreren energieaufwendigen Reaktionsschritten gewonnen:

• erster Schritt: Röstarbeit. Dabei reagiert das Erz im Flammofen mit Sauerstoff $\left( \ce{O2} \right)$ zu Kupfer(I)-sulfid $\left( \ce{Cu2S} \right)$, Eisensulfid $\left( \ce{FeS} \right)$, Eisen(III)-oxid $\left( \ce{Fe2O3} \right)$ und Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$:

$\ce{6 CuFeS2 + 10 O2 -> 3 Cu2S + 2 FeS + 2 Fe2O3 + 7 SO2}$

• zweiter Schritt: Schmelzarbeit. Unter Zugabe des Zuschlagstoffes Siliciumdioxid $\left( \ce{SiO2} \right)$, du kennst es als Sand, reagiert das Eisenoxid $\left( \ce{Fe2O3} \right)$ mit Kohlenstoff $\left( \ce{C} \right)$. Im Ergebnis bildet sich Eisensilikat $\left( \ce{Fe2SiO4} \right)$ und es entsteht Kohlenstoffmonoxid $\left( \ce{CO} \right)$. Das Eisensilikat geht in die Schlacke und kann vom Reaktionsgemisch abgetrennt werden.

$\ce{Fe2O3 + C + SiO2 -> Fe2SiO4 + CO}$

• dritter Schritt: Schlackenblasen. Das Kupfer(I)-sulfid $\left( \ce{Cu2S} \right)$ reagiert mit Sauerstoff $\left( \ce{O2} \right)$ zu Kupfer(I)-oxid $\left( \ce{Cu2O} \right)$ und Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$:

$\ce{2 Cu2S + 3 O2 -> 2 Cu2O + 2 SO2}$

• vierter Schritt: Garblasen. Kupfer(I)-sulfid $\left( \ce{Cu2S} \right)$ reagiert mit Kupfer(I)-oxid $\left( \ce{Cu2O} \right)$ weiter zu Kupfer $\left( \ce{Cu} \right)$ und Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$.

$\ce{Cu2S + 2 Cu2O -> 6 Cu + SO2}$

So wird letztendlich elementares Kupfer gewonnen. Dieses Rohkupfer muss allerdings noch gereinigt werden.

Gewinnung reinen Kupfers

Zur Aufreinigung des Rohkupfers wird die elektrolytische Raffination angewandt. Bei dieser Elektrolyse gehen die Metalle Kupfer, Eisen und Zink als entsprechende Ionen an der Anode in Lösung. An der Kathode wird metallisches Kupfer abgeschieden. Man erhält Elektrolytkupfer, das ist Kupfer von besonders hoher Reinheit.

Prozess an der Anode: Kupfer und das im Rohkupfer noch vorhandene Eisen und Zink gehen unter Abgabe von zwei Elektronen in Lösung.

$\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2 e^-}$

$\ce{Fe-> Fe^{2+} + 2 e^-}$

$\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2 e^-}$

Prozess an der Kathode: Unter Aufnahme von zwei Elektronen wird reines Elektrolytkupfer abgeschieden.

$\ce{Cu^{2+} + 2 e^- -> Cu}$

Die Eisen- und Zink-Ionen bleiben dabei in der Lösung zurück.

Du siehst also, selbst bei einem relativ edlen Metall wie Kupfer kann es ganz schön aufwändig sein, das reine Metall aus dem Erz zu gewinnen.

Verwendung von Kupfer

Kupfer wird sowohl als Reinstoff als auch in Legierungen vielseitig verwendet.

Verwendung des Metalls

Aus reinem Kupfer werden vor allem elektrische Leitungen, aber auch Rohre, Gefäße und Geräte zur Handhabung von Flüssigkeiten hergestellt.

• Kupferdraht und Oberleitungen
• Kupferrohre
• Armaturen, Destillen und chemische Apparate

Verwendung als Legierung

Eine Legierung ist ein Gemisch aus mehreren Metallen. So können vorteilhafte Eigenschaften verschiedener Metalle kombiniert und oft sogar noch verbessert werden.

• Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Messing ist im Gegensatz zu Kupfer zäh und fest, aber genau wie Kupfer gut zu bearbeiten. Aus Messing bestehen Blechblasinstrumente, Krüge, Muffen, Holzschrauben, Patronenhülsen und noch viele andere Dinge mehr.
• Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Sie wird seit der Antike verwendet. Bronze, wie sie etwa für Skulpturen gebraucht wird, enthält etwa 5 Prozent Zinn. Bronze hat gegenüber Kupfer den Vorteil, dass sie härter ist.
  Man bezeichnet aber auch viele Varianten der Kupferlegierungen als Bronzen. Diese Legierungen können Zink, Blei, Aluminium, Nickel, Silicium oder Beryllium enthalten. Sie dienen als Material für Lagerschalen, Buchsen, Dichtungen, Ventile und Turbinen im Maschinenbau .

Von Bronzestatuen und Dächern aus Kupferblech kennst du vielleicht die grünliche Farbe, die sogenannte Patina. Das ist eine Schicht aus verschiedenen Kupfersalzen, die sich relativ schnell bildet und das Material vor weiterer Korrosion schützt. Besonders auffällig ist das bei der Freiheitsstatue in New York.

Industrielle Verwendung

Ob als Reinstoff oder in Legierungen – Kupfer wird heutzutage vielseitig verwendet. Die wichtigsten Anwendungen sind:

• als Leiter in der Elektrotechnik und Elektronik
• als Baustoff im Bauwesen und in der Architektur
• als Werkstoff im Kunsthandwerk und für Gebrauchsgegenstände
• als Wirkstoff in der Medizin und im Gesundheitswesen
• als Zusatzstoff in der Landwirtschaft und im Pflanzenschutz

Kupfer in Lebewesen

Der Mensch braucht Kupfer zum Leben. In der Leber finden wir 0,00004 Milligramm Kupfer pro 100 Gramm Gewebe. Das Blut enthält 0,001 Milligramm Kupfer pro Liter. Einige körpereigene Enzyme im Körper benötigen für ihre Funktion Kupfer als Cofaktor. Auch andere Lebewesen müssen Kupfer aufnehmen. Weichtiere wie Schnecken und auch Krebstiere benötigen das Kupfer zum Aufbau ihres Blutfarbstoffes, dem Hämocyanin. Dieser enthält 0,15 bis 0,26 Prozent Kupfer und färbt sich bei Sättigung mit Sauerstoff blau. Kupfer ist auch ein Spurenelement für Pflanzen. Sie benötigen das Kupfer für die Fotosynthese und für die Aufnahme von Stickstoff.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kupfer