Kupfer
Kupfer ist ein Übergangsmetall. Alles über seine Eigenschaften, Verwendung und Herstellung erfährst du in diesem Beitrag. Du kannst dir auch das Video anschauen!
Inhaltsübersicht
Was ist Kupfer?
Der Name Kupfer (englisch copper) stammt vom Lateinischen cuprum (abgeleitet von cyprium), was soviel wie „Erz von der griechischen Insel Zypern“ bedeutet. Das kommt daher, dass das chemische Element früher auf Zypern gewonnen wurde.
Im Periodensystem findest du Kupfer unter der Abkürzung Cu. Es gehört zu der Gruppe der Übergangsmetalle. In der Natur kommt das Element in Form von Kupfererzen vor.
Kupfer ist in deinem Körper am Stoffwechsel beteiligt. Daher findest du es beispielsweise in Enzymen oder Proteinen. Außerdem ist Kupfer ein guter Wärme- und Stromleiter, weshalb er oft in der Industrie verwendet wird (Kupferdraht, Kochgeschirr).
Kupfer Steckbrief
Wie hoch ist die Dichte von Kupfer und ist es magnetisch? Das und weitere Eigenschaften erfährst du in unserem Steckbrief:
| Kupfer Steckbrief | |
| Zeichen / Symbol im Periodensystem | Cu |
| Gruppe | 11 |
| Periode | 4 |
| Ordnungszahl | 29 |
| Elementkategorie | Übergangsmetalle |
| Molare Masse | 63,546 u |
| Dichte | 8,92 g/cm3 |
| Härte | 2,5 – 3 Mohs |
| Vorkommen in der Natur | als Mineral |
| Besonderheiten | magnetisch |
| Aussehen | das Metall hat die Farbe rotbraun, metallisch |
| Geruch | geruchslos |
| Wärmeleitfähigkeit | 400 W/m  K |
| Elektrische Leitfähigkeit | 58,1 106 A/V m |
| Schmelzpunkt | 1084,62°C |
| Siedepunkt | 2595°C |
| Elektronegativität | 1,9 (Pauling-Skala) |
| Elektronenkonfiguration | [Ar] 3d10 4s1 |
| Oxidationszahlen | 0, +1, +2, +3, +4 (am häufigsten +1 und +2) |
Geschichtliches
Das Metall wurde schon sehr früh aus Erzen gewonnen — so begann die Kupferzeit. Um 100 nach Christus stellten die Römer erstmals Wasserleitungen aus Kupfer her. Sie gewannen das Element Cu aus Zypern. Daher kommt auch sein Name (lat. cyprium = Erz aus Zypern).
Später wurde das Element dann mit Zinn zu Bronze legiert (Kupfer-Zinn-Legierung). Diese Legierung gab der Bronzezeit ihren Namen.
Kupfer Eigenschaften
Schauen wir uns nun an, welche Reaktionen Kupfer eingehen kann.
Befindet sich das Element lange an der feuchten Luft (z. B. als Kupfer-Dachrinne), bildet sich eine grüne Schicht, die du Patina nennst. Das ist nützlich, da sie das Metall
vor weiterer Korrosion — also Zersetzung von Metall — schützt. Die Patina besteht aus Kupferhydroxiden (Cu(OH)2) bzw. Kupfercarbonaten (CuCO3). Reagiert also Cu mit Sauerstoff
(O2), Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid
(CO2) aus der feuchten Luft, entsteht die grüne Schicht:
![\[\ce{2 Cu + CO2 + H2O + O2 -> CuCO3 \cdot Cu(OH)2}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e3749d8db9b6e60d192dd63734fec3c0_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Kupfernachweis
Etwas Grünes kannst du auch beobachten, wenn du Kupferpulver in eine Bunsenbrennerflamme hältst. Dabei erscheint die Flamme nämlich grün. Das kommt daher, dass das Kupfer oxidiert und so die Flammenfärbung beeinträchtigt. Auf die Weise funktioniert auch ein Kupfernachweis.
Eine andere Möglichkeit zum Nachweis des Elements ist auch über eine Flamme, allerdings mit der sogenannten Boraxperle. Dabei gibst du etwas Borax (Na2B4O7 10 H2O) auf ein Magnesiastäbchen und hältst es in die Flamme. Dadurch schmilzt das Borax zu einer glasklaren Perle, der Boraxperle. Anschließend nimmst du mit dem Magnesiastäbchen deine zu untersuchende Probe auf und hältst es erneut in eine Bunsenbrennerflamme. Färbt sie sich blau–grün, handelt es sich um Kupfer.
Gegen Säuren wie Salzsäure (HCl) oder Schwefelsäure (H2SO4) ist das Metall weitestgehend beständig. Gibst du das Element Cu allerdings in konzentrierte Salpetersäure (HNO3), löst es sich komplett auf. Dabei entstehen grünes Kupfer(II)-nitrat (Cu(NO3)2), rotbraunes Stickstoffdioxid (NO2) und Wasserdampf:
![\[\ce{Cu + 4 HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2 H2O + 2 NO2}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-a70907cf29c55ca6155843821887a423_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Kupfersalze wie Kupfersulfat (CuSO4) bilden einen blauen Komplex, wenn sie sich in einer Ammoniaklösung (NH3) befinden:
![\[\ce{CuSO4 + 4 NH3 -> [Cu(NH3)4]SO4}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-33243f500ab0ea14cea55da7431f4a26_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Kupfer im Körper
Du findest das Element in einigen Enzymen deines Körpers. Dort sorgt Kupfer als Spurenelement dafür, dass die Enzyme funktionieren. Unter Spurenelement verstehst du einen Mineralstoff, der in verschiedenen Medien mit einem Massenanteil von weniger als 50 mg pro Kilogramm vorkommt.
So funktioniert beispielsweise die Herstellung des Pigments Melanin (in Haut und Haaren vorhanden) auch nur mithilfe von Cu. Auch die Bildung der schützenden Schicht, die sich um deine Nervenfasern bildet, wird durch das Element unterstützt.
Deshalb ist ein Kupfermangel sehr gefährlich. Du bemerkst ihn an Symptomen wie Blutarmut, Störung der Nervenzellen, Haut- und Pigmentstörungen oder Bindegewebsstörungen. Damit es nicht zu einem Mangel kommt, kannst du Kupfer über Lebensmittel wie Käse, Linsen, Erbsen oder Bohnen zu dir nehmen.
Aber Vorsicht: Nimmst du zu viel Cu zu dir, kann es zu einer Vergiftung kommen. Das liegt unter anderem an Wasserleitungen, die noch aus Kupfer bestehen. Steht das Wasser eine lange Zeit darin, kann es Kupferionen enthalten. Dadurch können sich Kupfersalze bilden. Die sind besonders für Kinder gefährlich und können eine Leberzirrhose (schwere Leberschädigung) hervorrufen und das Immunsystem schwächen. Isst oder trinkst du Kupfersalze lösen sie in der Regel sofort einen Brechreiz aus und werden so wieder aus dem Körper ausgeschieden. In größeren Mengen können sie aber auch tödlich wirken.
Kupfer Vorkommen
Das chemische Element tritt in der Natur häufig elementar auf. Mittlerweile sind weltweit ca. 3000 Fundorte für elementares Kupfer bekannt. So findest du es beispielsweise in Afghanistan, Argentinien, Schweden, Schweiz, Finnland und Deutschland.
Der bedeutendste Kupferproduzent ist allerdings Chile. Dort befindet sich nämlich die größte Tagesbaustätte für Kupfererze auf der ganzen Welt. Zu Kupfererzen kannst du Kupferkies (CuFeS2) oder Chalkosin (Cu2S) zählen.
Andere wichtige Förderländer für Kupfer sind China, Peru oder Mexiko.
Kupfer Verwendung
Im Folgenden haben wir dir einige Beispiele zur Verwendung von Kupfer aufgelistet:
- Elektronik: Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit wird das Element Cu für verschiedenste Dinge im Bereich Elektronik genutzt. Dazu kannst du Drähte, Stromschienen, Stromkabel und elektrische Leitungen zählen.
- Baumaterial: Da Kupfer sehr beständig gegen äußere Einflüsse (korrosionsbeständig) ist, dient es oft als Baumaterial für beispielsweise Dachrinnen oder Dachbleche.
- Maschinenbau: Hier findest du das Metall in Form von Patronenhülsen oder Belägen.
- Gastronomie: Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit wird Cu in dem Bereich oft als Kochgeschirr genutzt.
- Legierungen : Ein Großteil des Elements Cu wird zur Herstellung von Legierungen verwendet. Beispiele dafür sind Kupfer-Zinn-Legierungen, Kupfer-Zink-Legierungen oder Kupfer-Nickel-Legierungen.
- Weitere Verwendungen: Auch Brennkessel, Lötkolben oder Heizrohre bestehen aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit oft aus Kupfer.
Kupfer Herstellung
Zwar kannst du das Element Cu aus Erzen gewinnen, jedoch ist dabei der Kupfergehalt eher gering. Deswegen werden Erze wie Kupferkies (CuFeS2) mit Wasser angereichert. Anschließend wird es dann in speziellen Öfen unter Anwesenheit von Sauerstoff (O2) geröstet:
![\[\ce{6 CuFeS2 + 10 O2 -> 3 Cu2S + 2 FeS + 2 Fe2O3 + 7 SO2}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f546139282bd77ee2f06611d5dca272f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Der dabei entstandene Kupferstein (Cu2S mit FeS) wird dann in einem nächsten Schritt zu Rohkupfer verarbeitet. Dafür musst du den Kupferstein verflüssigen, in einen extra Behälter geben und Luft zuführen. So entsteht Kupfer(I)-oxid (Cu2O) und Schwefeldioxid (SO2):
![\[\ce{2 Cu2S + 3 O2 -> 2 Cu2O + 2 SO2}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b35bf5ba885b46dd742e2e7b7f71493f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Um elementares Cu zu gewinnen, lässt du jetzt noch Kupfer(I)-oxid (Cu2O) mit Kupfer(I)-sulfid (Cu2S) reagieren:
![\[\ce{Cu2S + 2 Cu2O -> 6 Cu + SO2}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c9e57f82b0ed60a3fba0710da0b79361_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Der Anteil an Rohkupfer beträgt hier in etwa 98%. Für die Industrie wird aber reineres Kupfer benötigt. Daher wird dort eine andere Methode zur Kupfergewinnung angewandt. Du nennst sie elektrolytische Raffination. Bei der Elektrolyse entsteht das Element an der Kathode :
![\[\ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}\]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-751f6de363ef03a18be178debacb7c90_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Kupferverbindungen
Zum Schluss wollen wir uns noch Beispiele für organische und anorganische Verbindungen des Elements ansehen:
Organische Kupferverbindungen
Die meisten Verbindungen des Elements Cu sind anorganisch. Ein Beispiel für eine organische Verbindung ist Kupfer(II)-acetat (Cu(CH3COO)2), das du vielleicht unter dem Namen Grünspan kennst. Es wird zum Beispiel als Katalysator (Beschleuniger) für organische Reaktionen oder als Insektizid verwendet.
Anorganische Kupferverbindungen
- Oxide: Reagiert das Metall mit Sauerstoff , bilden sich Oxide. Beispiele dafür sind Kupfer(I)-oxid (Cu2O) und Kupfer(II)-oxid (CuO).
- Halogenide: Darunter verstehst eine Verbindung aus dem Metall Cu und einem Halogen wie Chlor (Cl2). Dabei kannst du z.B. zwischen Kupfer(I)-chlorid (CuCl) und Kupfer(II)-chlorid (CuCl2) unterscheiden.
Welche Verbindungen Chlor noch eingeht und warum es gefährlich für dich werden kann, erklären wir dir im nächsten Video . Schau also direkt vorbei!
