Kupfer

Kupfer (cuprum) ist chemisches Element in Periodischen Tafel der Elemente, das das Symbol Cu und Protonenzahl 29 hat. Kupfer ist ein edles nicht allotropisches Metall mit kubischer, flächenzentrierter Kristallsystem, rötlicher Farbe. Es hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Formbarkeit bei warm und kalt sowie gute Korrosionsbeständigkeit.

Eigenschaften von Kupfer

Einige weitere mechanischen Eigenschaften

Gleitgrenze – 60 MPa
Festigkeitsgrenze – 220 MPa (relativ weich)
Zugfestigkeit – 50 %
Kontraktion – 70 %

Korrosionsbeständigkeit

Die gute Korrosionsbeständigkeit von Kupfer wird durch zwei Faktoren verursacht:

positiver elektrochemische Potential +0,34 V,
Effekte Oxide und anderer Verbindungen, die sich auf seiner Oberfläche bilden.

Gegen atmosphärische Korrosion schützt Kupfer Kupfergras – Schicht hydratisierter Kupfercarbonate. Es hat auch eine gute Beständigkeit in Lösungen von Säuren ohne oxidierende Wirkung (Salzsäure, Fluorsäure), wenn sie nicht angereichert sind. Schädlich auf Kupfer wirken Chlor, Ammoniak und Verbindungen Schwefel.

Wasserstoffkriechen von Kupfer

Wenn Kupfer mehr als 0,03 % Sauerstoff als Verunreinigung enthält, ist es anfällig für Risse. Bei Temperaturen über 400 °C diffundiert Wasserstoff aus der gasförmigen Atmosphäre in das Kupfer und reagiert nach der Gleichung:

Cu₂O + H₂ → 2 Cu + H₂O

Wasserdampf verursacht in Kupfer innere Drücke, die Risse und Hohlräume verursachen.

Verwendung von Kupfer

Kupfer wird für technische Zwecke entweder als reines Metall (etwa 55 % der Produktion) oder als Legierung mit verschiedenen Elementen (Rest) verwendet. Bis zu 75 % der Kupferprodukte werden in der Elektrotechnik eingesetzt, gefolgt von der Maschinenbau, Lebensmittelindustrie und Chemische Industrie. Es wird beispielsweise bei der Herstellung von Drähten, Blechen, Rohren und Münzen, in der Landwirtschaft bei der Behandlung von Pflanzenkrankheiten, zur Schutz von Holz, Leder und Gewebe verwendet. Aufgrund seiner hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit wird es auch als Metabolit eingesetzt. Gängige Kupferverbindungen wie Sulfat, Carbonat, Cyanid, Oxid und Sulfid werden als Fungizid, Bestandteil in Keramik und Pyrotechnik, für die Elektrolyt-Beschichtung sowie weitere Anwendungen in der Industrie verwendet. Legierungen von Kupfer, Bronze und Messing, werden zur Herstellung von Geräten und Werkzeugen in verschiedenen Branchen verwendet.

Technisches Kupfer

rohes Eisenkupfer enthält nur 94 bis 97 % Cu,
Stahlkupfer kann bis zu 99,85 % Cu Reinheit erreichen, wird durch pyrometallurgische Raffination von rohem Eisenkupfer hergestellt,
Elektrokupfer oder Kupferkathode erreichen bis zu 99,95 % Cu, werden durch elektrolytische Raffination hergestellt,
das reinste Kupfer mit bis zu 99,999 % Cu wird durch Raffination im Vakuum von Kupferkathode hergestellt,
für Schweißen wird sauerstofffreies Kupfer verwendet, das gegen Wasserstoffkriechen beständig ist

Legierungen von Kupfer

Legierungen von Kupfer bilden zwei Hauptgruppen:

Messinge – Legierungen von Kupfer mit Zink als Hauptzusatz,
Bronzen – Legierungen von Kupfer mit Zinn, Aluminium, Blei als Hauptzusätze.

Verbindungen von Kupfer

Zu den häufigsten Verbindungen gehören Kupfer(I)-oxid, Kupfer(II)-oxid und Kupfer(I)-sulfid. Es ist Bestandteil von Erzen (z. B. Chalkopyrit CuFeS₂, Chalkozin Cu₂S, Kuprit Cu₂O und Malachit CuOH₂.CuCO₃).

Biologische Bedeutung

Kupfer ist ein essentieller Stoff für alle höheren Pflanzen und Tiere. Nach Aufnahme im Verdauungssystem bindet es sich an Albumin und wird in die Leber transportiert. In der Blut bindet es sich an Plasmaprotein Ceruloplasmin.

Es ist Bestandteil verschiedener Enzyme, in Form von Kupferzentren in Cytochrom-C-Oxidase und in Superoxiddismutase (enthält Kupfer und Zink). Neben der Rolle in Enzymen wird Kupfer auch für biologischen Elektronentransport verwendet. Blaue Kupferproteine, die am Elektronentransport teilnehmen, umfassen beispielsweise Azurin und Plastocyanin. Der Name „blaues Kupfer“ stammt von der intensiven blauen Farbe, die aus dem Ladungstransfer vom Liganden zum Metall (Ligand-to-metal charge transfer – LMCT) resultiert, das Absorptionsband des Komplexes liegt bei ca. 600 nm.

Möglicherweise Zink und Kupfer konkurrieren bei der Aufnahme im Verdauungstrakt, daher eine Ernährung mit Überwiegen eines dieser Mineralien kann den Mangel des anderen bedeuten. Empfohlene Tagesdosis von Kupfer für gesunde Erwachsene beträgt 0,9 mg/Tag.

Toxizität

Alle Kupferverbindungen, wenn nicht das Gegenteil bekannt ist, müssen als toxisch betrachtet werden. Die tödliche Dosis Kupfer(I)-sulfat für den Menschen beträgt ungefähr 7 bis 10 Gramm^[1]. Kupfer ist nach Zink und Eisen das dritthäufigste Spurenelement im Körper. Die vorgeschlagene sichere Konzentration in Trinkwasser für Menschen variiert je nach Quelle, tendiert aber sich zu stabilisieren von 1,5 bis 2 mg/L. Nahrungsbezogener Referenzwert: tolerierbare obere Grenze der Nahrungsaufnahme von Kupfer für Erwachsene aus allen Quellen beträgt 10 mg/Tag.

Ein wichtiger Anteil der Toxizität von Kupfer stammt von seiner Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen und abzugeben bei Änderung des Oxidationszustandes. Dies katalysiert die Entstehung sehr reaktiver Radikal- Ionen, wie z. B. Hydroxyl- Radikal, auf eine ähnliche Weise wie Fentons Reaktion. Diese katalytische Aktivität wird von Enzymen genutzt, mit denen Kupfer normalerweise assoziiert ist und ist daher toxisch nur, wenn es isoliert und unvermittelt ist. Dieses Ansteigen der Menge an unvermittelten freien Radikalen wird Oxidativer Stress genannt und ist Gegenstand aktiver Forschung bei verschiedenen Krankheiten, bei denen Kupfer eine wichtige, aber geringere Rolle spielt als bei akuter Toxizität.