Kupfer

Kupfer ist ein chemisches Element aus der ersten Nebengruppe des Periodensystems mit der Ordnungszahl 29 und dem Symbol Cu. Der Name ist zurückzuführen auf das lateinische Wort Cyprium, welches aus Zypern stammendes Erz bedeutet. Kupfer ist ein hellrot glänzendes, weiches, dehnungsfähiges und dennoch zähes Schwermetall. Es lässt sich daher leicht zu Draht ziehen oder zu dünnen Blättchen austreiben, wobei es eine grüne Farbe annimmt. Um die Festigkeit und Härte zu verbessern, wird Kupfer oft mit anderen Metallen legiert. Unter Beifügung von Zinn entsteht Bronze und unter Beifügung von Zink wird Messing angefertigt. Mit 401 W/(m ∙ K) bei 27°C verfügt Kupfer über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt bei 20°C 5.96 ∙ 107 S/m und liegt damit nur wenig unter der elektrischen Leitfähigkeit von Silber und über der von Gold. Kupfer kann in oxidierenden Säuren, wie Schwefelsäure oder Salpetersäure gelöst werden und bildet hierbei Salze, während es gegenüber nichtoxidierenden Säuren beständig ist. Durch unedlere Metalle wie Zink und Eisen kann es aus den Lösungen abgeschieden werden, wodurch so genanntes Zement-Kupfer entsteht.

Wenn es der Luft ausgesetzt ist, oxidiert Kupfer langsam zu Kupferoxid (Cu2O). Unter Einfluss von Hitze entsteht dagegen Kuperdioxid (CuO) mit schwärzlicher Färbung. Die grünliche Färbung des Kupfers ist auf eine Patina aus Kupfercarbonat zurückzuführen, die sich in der Atmosphäre bildet. Diese Patina schützt das darunterliegende Kupfer zum Beispiel von Kupferdächern, Statuen und anderen freistehenden Kupferarbeiten vor Korrosion, so dass diese besonders lange haltbar sind.

Geschichte

Kupfer war das erste Gebrauchsmetall und wurde zunächst durch Hämmern verarbeitet und vor allem zur Schmuckherstellung verwendet. Bereits im 5. Jahrhundert vor Christus wurde im vorderasiatischen Raum und auf dem Balkan die Schmelzbarkeit von Kupfer entdeckt. Die ältesten bekannten Kupferbergwerke in diesen Regionen stammen ebenfalls aus dieser Zeit. In der Bronzezeit entstanden in Mitterberg in Österreich Kupferbergwerke. In Ägypten sind Kupferbergwerke ab 4000 vor Christus nachgewiesen. Während der dritten ägyptischen Dynastie ab 2660 wurde Kupfer auf dem Sinai abgebaut, weitere wichtige ägyptische Förderstätten waren Buhen in Nubien und Timna in Palästina.

Ab 3000 vor Christus wurde Kupfer in Tepe Sialk im Iran abgebaut. Ab dieser Zeit sind auch in China Kupfergegenstände nachgewiesen.

Auf Zypern setzte die Kupfergewinnung früh ein, hier bezogen Griechen und später Römer den größten Teil ihres Kupferbedarfs, daneben war das Rio-Tinto-Gebiet in Spanien eine wichtige Quelle. Die Kupferverarbeitung wurde von Plinius dem Älteren beschrieben.

Seit dem 1. Jahrtausend vor Christus wurde Erz in Westafrika verhüttet und verarbeitet, so in Agadés im heutigen Niger.

In Nordamerika wurde Kupfer von der Isle Royale im Oberen See gewonnen und durch Aushämmern verarbeitet, während die Schmelztechnik in Nordamerika erst mit den europäischen Einwanderern eingeführt wurde. Aus Peru sind gegossene Bronzegegenstände aus der Zeit ab 800 vor Christus bekannt, aus dem Andengebiet sind Legierungen mit Gold, Zinn, Silber und Arsen bekannt. Aus Südamerika gelangte die Kupferbearbeitung um 900 nach Mexiko.

Ein Bruch in der Kenntnis der Kupferverarbeitung erfolgte in Europa zur Zeit der Völkerwanderung, zu der auch die meisten Bergwerke geschlossen wurden. Im Mittelalter verbreitete sich der Kupferbergbau und die Verarbeitung von Schlesien und Thüringen aus. Im 15. und 16. Jahrhundert verfügte die Kaufmannsfamilie Fugger durch den Besitz der Förderstätten in Spanien, Ungarn und Tirol nahezu über ein Kupfermonopol. Bis ins 18. Jahrhundert war die größte Kupfermine in Falun in Schweden. Die amerikanische Kupfergewinnung nahm ab 1840 stark zu. Ab dem 20 Jahrhundert traten Kanada, Zaire, Sambia, Chile und die USA als wichtige Kupferproduzenten hinzu.

Wichtige Handelsplätze

Kupfer wird vor allem an der London Metal Exchange (LME) gehandelt, ebenso an der New York Commodities Exchange (COMEX), aber auch an allen großen Rohstoffbörsen und Warenterminbörsen.

Kupfer als Anlageform

Es zahlreiche Kupfermünzen als Kursmünzen, meist in Form von Legierungen, wie Bronze. Wichtig als Anlageform sind jedoch Kupferbarren, meist mit einem Gewicht von einem Kilogramm Kupfer, der Feinheitsgehalt beträgt dabei 99,9%. Die Barren sind zum Schutz gegen Patinierung üblicherweise in Folie eingeschweißt. Da der Guss und die Wiederaufbereitung von Kupferbarren jedoch aufwendig sind und Kupfer vor allem als Werkstoff gebraucht wird, werden auch Kupfergranulate, ebenfalls meistens im Gewicht von einem Kilogramm angeboten. Sie bieten den Vorteil, dass das Kupfer leichter weiterverarbeitet werden kann, der Feinheitsgehalt beträgt hier ebenfalls 99,9%.

Verwendung

Kupfer findet aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit vor allem Verwendung in Elektrokabeln und bei elektrischen Installationen, Leiterplatten und Schaltkreisen, elektrischen Spulen und Transformatoren. Aufgrund der hohen Reißfestigkeit findet Kupfer in Verbindung mit Magnesium auch Verwendung in Oberleitungen. Außerdem ist er meist in Form von Legierungen Bestandteil von Münzen und Besteck, Statuen und Instrumenten. Es findet aufgrund seines hohen Reflexionsvermögens auch Verwendung als Spiegel in Kohendioxidlasern. Weitere Verwendung sind Kunstgegenstände und Kupferdächer. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit werden auch Heiz- und Kühlschlangen, Braukessel, Siedepfannen und so weiter aus Kupfer hergestellt. Kupfer findet auch Verwendung in der Galvanotechnik und für Beschläge, in Katalysatoren und in Feuerwerkskörpern, denen es eine grüne Flammenfärbung verleiht. Aufgrund seiner fungiziden Wirkung wird es auch zur Imprägnierung von Holz und Gewebe, sowie als Baumaterial für Wasserleitungen eingesetzt. In Kliniken geht man aufgrund der antibakteriellen Wirkung teilweise dazu über, Türklinken und Lichtschalter aus Kupfer zu verwenden.

Vorkommen

Kupfer gehört zu den selten vorkommenden Elementen und steht in der Häufigkeit chemischer Elemente an 26. Stelle. Es kommt in geringen Mengen gediegen vor, so gibt es reiche Vorkommen am Oberen See in den USA. Damit eine Lagerstätte abbauwürdig ist, muss das Erz mindestens 1% Kupfer enthalten. Die Kupferreserven werden weltweit auf circa 590 Tonnen geschätzt. Die größten Vorkommen finden sich in Chile, Peru, Australien, Sambia, Kanada und der Mongolei.

Gewinnung

Circa 40% des Kupferbedarfs der westlichen Industrieländer wird durch Recyling gedeckt. Nachdem der Kupferbergbau lange Zeit in der Hand weniger multinationaler Konzerne lag, sind inzwischen vermehrt staatliche Institutionen und multinationale Energieunternehmen an der Kupfererzeugung beteiligt. 1967 gründeten Zaire, Sambia, Peru und Chile das Council of Copper Exporting Countries (Cipec) um höheren Einfluss auf den Kupferpreis nehmen zu können.

Herstellung

Im Flotationsverfahren wird das Kupfer zuerst angereichert und der Gangart abgetrennt. Hierbei fallen auch andere verwendungsfähige Konzentrate, wie Pyrit und Zinkblende an. Anschließend wird im Rahmen eines pyrometallurgischen Verfahrens das Kupfererz unter Zusetzung von Koks und kieselsäurehaltigen Zuschlagstoffen geröstet, die als Schlackenbildner dienen. So entsteht Kupferstein, der Cu2S, FeS und 40-50% Cu enthält und von der leichteren, flüssigen Schlacke getrennt wird. Anschließend wird der Kupferstein unter Einblasen von Luft und unter Zugabe von Schlacken verblasen, wodurch das enthaltene Eisen verschlackt wird. Der hierdurch entstandene eisenfreie Kupferstein wird durch Elektrolyse oxidiert und mit dem übrigen Kupfersulfid zu metallischem Kupfer und Schwefeldioxidgas umgesetzt. Die beim Elektrolyseprozess an der Anode anfallenden Schlämme können später zur Gewinnung der enthaltenen Edelmetalle genutzt werden, während sich das Kupfer dabei mit einem Reinheitsgehalt von 99,99% an der Kathode absetzt.

Ein anderes Verfahren der Kupfergewinnung ist die Ausfällung aus Kupfersulfatlösungen, die bei kupferarmen Erzen angewendet wird. Dabei wird das Kupfer im Rahmen eines nassmetallurgischen Verfahrens mit verdünnter Schwefelsäure als Kupfersulfat ausgelaugt. Aus der entstandenen Lösung wird der Kupferzement durch Beigabe von Eisenschrott als elementares Kupfer ausgefällt. Das bei dieser Zementation entstandene Kupfer ist jedoch noch verunreinigt und wird bei der anschließenden Raffination durch abwechselndes oxidierendes und reduzierendes Schmelzen weiter gereinigt. Hierbei werden Verunreinigungen, wie Zink, Blei und Arsen verflüchtigt und andere, wie Eisen und Nickel verschlackt. Anschließend werden durch Aufwirbeln und chemische Behandlung die gelösten Gase ausgetrieben und die Oxidationsprodukte aus der Masse entfernt. Das so entstehende Produkt nennt sich Garkupfer und ist schmiedefähig. Als Raffinatkupfer gelangt es mit einem Reinheitsgehalt von 99% in den Handel.

Wirkung auf die Umwelt

Kupfer ist in metallischer Form schwer löslich und daher ungefährlich. In löslicher Form ist es jedoch giftig für Kleinorganismen im Boden, sowie für Fische, Krebse, Algen, Bakterien und Pilze.

Physiologie

Kupfer ist für Menschen und Tiere ein wichtiges Spurenelement, es wird benötigt bei der Elektronenübertragung in Membranen, die beim Wasserhaushalt in den Zellen, sowie bei der Atmung wichtig ist. Bei Tieren ist Kupfer notwendig zur Synthese von Hämoglobin. Beim Menschen findet sich Kupfer vor allem in den Knochen, in der Leber und im Blut in Form von Kupferproteinen, die vorwiegend zur Katalyse von Oxidations-Reduktions-Prozessen benötigt werden. Pflanzen benötigen Kupfer zur Synthese von Chlorophyll. Kupfermangel löst hier Blattverfärbung oder Dürre aus, während zuviel Kupfer sich entwicklungshemmend auswirkt.