Nickel  Silber Zink  
 Kupfer                                             29Cu
 engl. copper; lat. cuprum ("Erz aus Zypern")
 
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Relat. Atommasse    
Ordnungszahl     
Schmelzpunkt     
Siedepunkt     
Oxidationszahlen      
Dichte     
Härte (Mohs)      
Elektronegativität     
Elektronenkonfig.    
Natürl. Häufigkeit   
 
63,546     
29     
1085 °C     
2562 °C     
4, 3, 2, 1 
8,96 g/cm3 
2,5 - 3     
1,9 (Pauling)     
[Ar] 3d10 4s1     
Cu-63: 69,15%    
Cu-65: 30,85%  
 
   
     

Film

14 sek
In eine Brennerflamme wird mit Hilfe eines Löffels Kupferpulver gestreut. 
Film

31 sek
Ein Kupferblech reagiert mit Schwefeldämpfen. Dabei entsteht ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften. 
Film

26 sek
Wie verhält sich Kupfer im Vergleich zu Mangan, Eisen, Nickel, Cobalt wenn ein Magnet daran gehalten wird?
    
GHS-Piktogramme 
Kupfer ist nicht  
kennzeichnungspflichtig. 
Gefahren (H-Sätze)  
--  
 
CAS-Nummer  
7440- 50-8  
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Physikalisch-chemische Eigenschaften
Die typische, rötlich-glänzende Kupferfarbe ist ein unverkennbares Merkmal dieses Schwermetalls. Reines Kupfer ist zäh und trotzdem gut bearbeitbar, es lässt sich gut zu Blechen und Drähten formen. Nach Silber besitzt es die zweitbeste elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aller Metalle. Mit Zink, Zinn, Nickel, Silber  oder Gold erhält man typische Kupfer-Legierungen: Bronze enthält zum Beispiel viel Kupfer und wenig Zinn. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Rotgold enthält bis zu einem Drittel Anteil Kupfer.


Rein-Kupfer aus der Kupfer-Raffination
Reinkupfer



An feuchter Luft bildet sich auf der Kupferoberfläche allmählich eine grünliche Patina, die im wesentlichen aus Malachit besteht. Die Patina schützt das darunter liegende Kupfer vor weiterer Korrosion, daher ist Kupferblech für die Abdeckung von Türmen und Dächern gut geeignet.
Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach einiger Zeit wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)-oxid verursacht wird. Später wird das Dach noch dunkler, und es entsteht schwarzes Kupfer(II)-oxid. Aber erst nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und Wasser die blaugrüne Patina:  
  
2 Cu  +  CO2  +  H2O  +  O2 reagiert zu  CuCO3 • Cu(OH)2
  
 
  Bundeshaus in Bern

Bei der Eröffnung des Parlaments im Jahre 1902 war die Kuppel des Schweizer Bundeshauses noch kupferfarben. Erst um 1940 war das Kupfer soweit oxidiert, das es vollständig mit der grünen Patina überzogen war. Bei der Renovation im Jahre 2007 wurde vorpatiniertes Kupfer eingesetzt, damit das für die Bevölkerung gewohnte Erscheinungsbild erhalten blieb.  Lit [31]
  

Beim Erhitzen eines Kupferblechs mit der nichtleuchtenden Flamme eines Bunsenbrenners bilden sich bunte Anlauffarben, die zunächst durch Interferenz der entstehenden, dünnen Oxidschicht zu erklären sind. Dann bildet sich eine Schicht von schwarzem Kupfer(II)-oxid CuO. Darunter findet man oft eine mattrote Schicht von Kupfer(I)-oxid Cu2O. Dabei finden diese beiden Reaktionen statt:  
  
2 Cu  +  O2 reagiert zu  2 CuO       ΔHR = -314 kJ/mol 
4 Cu  +  O2 reagiert zu  2 Cu2O    ΔHR =  -338 kJ/mol 
   
Eine Brennerflamme vermag das oxidierte Blech wieder zu reduzieren. Dieser Effekt verschwindet aber sofort wieder, sobald die Flamme weggenommen wird und das heiße Blech erneut oxidiert. Bläst man feines Kupferpulver in eine Brennerflamme, verbrennt das Pulver zwar nicht, aber es zeigen sich grüne Leuchterscheinungen. Diese rühren daher, dass das Kupferpulver an der Oberfläche oxidiert und das entstehende Produkt die Flammenfarbe beeinträchtigt. 
 
 
 Metallpulver in der Brennerflamme


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 Bläst man Kupferpulver (Cu) über eine Brennerflamme, erhält man eine grüne Flammenfarbe.
  
   
Unter Luftabschluss ist das Metall widerstandsfähig gegen Salzsäure in jeder Konzentration und gegen verdünnte Schwefelsäure. Mit Salpetersäure bildet sich grünes Kupfer(II)-nitrat und rotbraunes Stickstoffdioxid 
  
Salpetersäure  +  Kupfer reagiert zu   Kupfer(II)-nitrat   +  Stickstoffdioxid  +  Wasser  
  
 
 Kupfer reagiert mit konzentrierter Salpetersäure
 

 
 
In konzentrierter Salpetersäure löst sich ein Kupferblech auf. Dabei bilden sich rotbraunes Stickstoffdioxid, Wasserdampf und eine grüne Salzlösung.
   

Heiße, konzentrierte Schwefelsäure reagiert mit Kupfer nicht unter Wasserstoffentwicklung, sondern bildet Schwefeldioxid, Kupfer(II)-sulfat und Wasser. Mit Ammoniaklösung bildet sich der blaue Komplex Tetramminkupferhydroxid [Cu(NH3)4](OH)2 
   
Physiologie 
Kupfer als essenzielles Spurenelement ist für das Funktionieren von mindestens 16 Enzymen notwendig. Bei der Bildung von Hämoglobin spielt es eine bedeutende Rolle. Die Synthese des Pigments Melanin, das in der Haut und in den Haaren vorhanden ist, ist ebenfalls von diesem Spurenelement abhängig. Auch der Aufbau der schützenden Sicht um die Nervenfasern wird unterstützt. Ein Kupfermangel kann Symptome wie Blutarmut, Störung der Nervenzellen, Haut- und Haarpigmentstörungen oder Bindegewebsstörungen hervorrufen. Die tägliche Kupferzufuhr erfolgt vor allem über Lebensmittel wie Leber, Miesmuscheln,  Linsen, Erbsen, Bohnen, Nüsse aller Art und Käse. 
  
Interessant ist das Phänomen, dass einige wirbellose Tiere wie Tintenfische, Schnecken oder bestimmte Spinnenarten blaues Blut haben. Bei diesen Tieren transportiert das Kupferprotein Hämocyanin den Sauerstoff im Blut.
 
 
Bioelemente im menschlichen Körper

 
 
 
Die Speicherung von Kupfer erfolgt vor allem in der Leber. Der tägliche Bedarf liegt beim Menschen nur etwa bei einem Milligramm. Die Aufnahme von zuviel Kupfer kann zu einer Vergiftung führen. Trinkwasser kann Kupferionen enthalten, wenn die Wasserleitungen aus Kupfer bestehen und das Wasser längere Zeit darin steht. Besonders problematisch ist es, wenn Kinder aus einem kupfernen Behälter trinken - beispielsweise aus einem Gießkännchen für Zimmerpflanzen - in dem das Wasser längere Zeit stehen blieb. Hier besteht das Problem darin, dass sich auch lösliche Kupfersalze bilden. Das chronische Symptom wurde erstmals in Indien und in Deutschland beobachtet (Indian/German Childhood Cirrhosis). Bei diesen Kindern traten schwere Leberzirrhosen und eine Schwächung des Immunsystems auf. Das Essen oder Trinken von Kupfersalzen in der Dosis von einigen Gramm löst akuten Brechreiz aus. Dadurch wird das Gift sofort wieder ausgeschieden. In noch höheren Dosen können Kupfersalze aber auch tödlich wirken.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   weniger häufig

Kupfer kommt mit einem Massenanteil von 0,01% in der Erdhülle vor und ist etwas weniger häufig als Zink. Das Metall tritt in der Natur als gediegen Kupfer auf. Eines der größten Kupferstücke barg man im Jahre 2001
vom Boden des Lake Superior. Der Brocken war 5,5 x 2,5 x 0,37 Meter groß und wog etwa 14,5 Tonnen. Lit [23]  
 
 
 Gediegen Kupfer und Chalkopyrit
 
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 Das Gediegen Kupfer aus Batopilas/Mexiko ist mit Silber vergesellschaftet,
der Chalkopyrit stammt aus Becke-Oese in Deutschland
 
 
Aus den Kupfererzen, den Sulfiden wie Buntkupferkies, Chalkopyrit, oder Chalkosin, den Oxiden wie Cuprit, den Carbonaten wie Malachit, den Chloriden oder den Arseniden kann das Kupfer gewonnen werden. Die größte Tagebaustätte der Welt für Kupfererze liegt in Chile, sie misst etwa sieben Quadratkilometer und ist 600 Meter tief. [Lit 75]  Andere bedeutende Erzlagerstätten befinden sich in Arizona, Montana, Utah, New Mexico, Peru, Kaukasus, Philippinen, Australien, Iran, Spanien, Portugal, Polen und Deutschland.
 
Geschichte 
Kupfer war vermutlich das erste Metall, das schon vor 8000 Jahren verarbeitet wurde. Mit der Gewinnung des Kupfers aus Erzen begann die Kupferzeit und endete die Steinzeit. Um 4500 vor Christus entdeckte man die Möglichkeit, aus Erzen Kupfer zu gewinnen. Davor bearbeitete man das Metall durch Hämmern und Schmieden von elementaren Vorkommen in gediegener Form. Die alten Ägypter förderten die Kupfererze im Untertagebau. Das bedeutendste Vorkommen lag zu dieser Zeit auf der Sinai-Halbinsel. Weitere Vorkommen gab es im Altertum südlich des Toten Meeres, in Ostarabien, im Norden des Irak und in Spanien. In Indien und im antiken Griechland verbesserte man die Eigenschaften des Metalls durch das Legieren mit Zinn zu Bronze oder mit Zink zu Messing. Der Koloss von Rhodos war eine 30 Meter hohe Bronze- oder Kupferstatue, die den Sonnengott Helios darstellte. Lit [73]  Er stand in der Hafeneinfahrt von Rhodos. Ein Erdbeben um 226 vor Christus brachte die Skulptur zum Einsturz.

Die Römer stellten um 100 nach Christus erstmals kupferne Wasserleitungen her. Lit [72 Sie gewannen das Erz in Zypern, der Namen Kupfer geht auf den lateinischen Namen aes cyprium (Erz aus Zypern) zurück. Im Mittelalter war Deutschland der bedeutendste Kupferproduzent Europas. Im 15. und 16. Jahrhundert waren zahlreiche Bergwerke in Besitz des Kaufmanns Jakob Fugger (1459-1525), der den Kupferhandel zu dieser Zeit beherrschte.
 

In der Alchemie diente 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 (Transmutationen). Erst Robert Boyle (1627-1691) klärte im Jahre 1661 das Missverständnis auf und erklärte das Phänomen durch die Verdrängung des Metalls aus einer Salzlösung durch Metalle wie Eisen oder Zink. Dem Kupfer wurde in der Alchemie das Venuszeichen zugeordnet (erstes Symbol von links):
     

Der mühsame Abbau der Kupfer-Erze von Hand mit Schlägel und Eisen wurde im 17. Jahrhundert durch den Einsatz von Schwarzpulver revolutioniert. Trotzdem war der Bergbau noch sehr mühsam, da das 50 Zentimeter tiefe Bohrloch für die Sprengung immer noch von Hand geschlagen werden musste. Allein dafür benötigte ein Bergmann viele Stunden. Das Ergebnis einer Sprengung waren dann nur einige Brocken Kupfererz.  
 
 
 Ausblühungen von Kupfersalzen in einem Kupferbergwerk


 
Auf dem Bild sieht man eine Wand in einem alten Kupfererzbergwerk, aus der im Laufe der Zeit grüne Kupfersalze auskristallisierten. 
   

 Altes Pochwerk zur Zertrümmerung von Erz


 
Die Ausbeute wurde aus dem Bergwerk gefahren und in einem Pochwerk mit Hilfe von Wasserkraft zerkleinert. Das Gestein musste im Pochwerk so klein zertrümmert werden, dass das taube Gestein und das Erz im folgenden Waschgang getrennt werden konnte. 
   

 Waschen: Trennen des Erzes vom tauben Gestein


 
Beim Waschen trennte sich das schwerere Erz vom tauben Gestein, das schneller mit dem Wasser abgetrieben wurde. Das Kupfererz blieb in den Trögen liegen.
 
 
 Rösten: Herstellung von Kupferoxid, Entfernen des Schwefels



Beim Rösten wurden die sulfidischen Kupfererze wie Kupferglanz über einem Holzfeuer erhitzt:
 
 
 Reduktion des Kupferoxids in Schacht-Öfen


 
Die Reduktion des Kupferoxids zu reinem Kupfer erfolgte in einem Schacht-Ofen, in den mit Hilfe von Blasebälgen Luftsauerstoff zugeführt werden konnte. Als Reduktionsmittel wurde Holzkohle verwendet. Der Zusatz von Kalk erniedrigte den Schmelzpunkt.  
   

 Ausbeute des früheren Kupferbergbaus: Schwarzkupfer


 
Das Produkt des ersten Schmelzvorgangs hatte nur einen Kupfergehalt von 30 bis 50 Prozent, so dass der Vorgang mehrfach wiederholt werden musste. Am Ende erhielt man "Schwarzkupfer" mit einem Kupfergehalt von bis zu 95 Prozent Kupfer. 
 
 
Hinweis: Die Fotos zum früheren Kupferbergbau wurden im oder am Kupferbergwerk Fischbach (>Internet) bei Idar-Oberstein gemacht, wo ein Besuch sehr empfehlenswert ist. Die Grafiken veröffentlichte Agricola im Jahr 1556 in seinem Werk "De Re Metallica". Lit [27]
  
Herstellung     
Der Kupfergehalt der Erze ist relativ gering. Zur Anreicherung werden die Erze gemahlen und mit Wasser verrührt. Die Gangart des Gesteins, die aus Quarz oder Silicaten bestehen kann, lässt sich leicht benetzen, Metallsulfide stoßen Wasser dagegen ab. Gibt man einen Ölschaum hinzu, schwimmen die schweren Erzteilchen auf, so lassen sie sich leicht abschöpfen. Dieses Verfahren nennt man Schwimmaufbereitung oder Flotation.   Ein auf diese Weise angereichertes sulfidisches Kupfererz wie Chalkopyrit wird dann in Öfen zu Kupferstein, einem Gemisch aus Kupfersulfid und Eisensulfid, geröstet. Das entstehende Schwefeldioxid verdampft, dieses wird zur Schwefelsäureherstellung benötigt. Gleichzeitig entstehende Eisenverbindungen entfernt man im "Schmelzen" durch Verschlacken bei 1400°C unter Zugabe von kieselsäurehaltigen Zusatzstoffen. Der Kupferstein wird verflüssigt und zusammen mit Zuschlägen wie Quarzsand in einen Konverter gegossen. Durch das "Blasen" mit Luft wird das enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid oxidiert. Dieses bildet mit den Zuschlägen Schlacke, die man abgießen kann. Im nächsten Schritt wird beim Blasen der von Eisenverbindungen befreite Kupferstein zu Kupfer(I)-oxid  Cu2O  oxidiert. Dieses wird dann durch das restliche Kupfersulfid aus dem Kupferstein zu Rohkupfer oder Schwarzkupfer reduziert. [Lit 4, 5 und 35]  
 
 
Rösten 2 CuFeS2 + O2 reagiert zu  Cu2S + 2 FeS + SO2
Blasen (Oxidation Cu2S) 2 Cu2S + 3 O2 reagiert zu  2 Cu2O + 2 SO2
Blasen (Reduktion Cu2O) 2 Cu2O + Cu2reagiert zu  6 Cu + SO2
 
    
Rohkupfer besitzt einen Reinheitsgrad von 90 bis 97 Prozent. Dies reicht für viele Anwendungen nicht aus, insbesondere die Elektroindustrie benötigt hochreines Kupfer. Die Herstellung von Reinkupfer erfolgt durch die Kupfer-Raffination in einer elektrolytischen Lösung. Legt man eine Spannung an, geht das Garkupfer zusammen mit allen unedleren Metallen an der Anode in Lösung. Die edleren Metalle fallen ungelöst als Anodenschlamm an den Boden. An der Kathode scheidet sich Reinkupfer mit einer Reinheit von etwa 99,95 Prozent ab. 
 
 
 Prinzip der elektrolytischen Kupfer-Raffination


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Es werden Garkupfer-Platten als Anoden und dünne Reinkupfer-Bleche als Kathoden verwendet. Als Elektrolyt dient in eine Kupfersulfatlösung, die mit verdünnter Schwefelsäure angesäuert ist.
 
  
Verwendung 
Wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit wird es zu Drähten und Stromschienen verarbeitet. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit gelangt es als Baumaterial für Dachbleche und Dachrinnen, aber auch im Maschinen- und Apparatebau, für Beschläge, für Patronenhülsen oder für Münzen zum Einsatz. Seine gute Wärmeleitfähigkeit benutzt man in Heizrohren, Braukesseln, Kochgeschirr oder bei Lötkolben.  
  
 
 Sudkessel aus Kupfer in einer Brauerei


 
 Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit ist das Kupfer geeignet.
 
 
Ein großer Anteil dient zur Herstellung von Kupferlegierungen:   
 
Rotmessing: 80 bis 90% Kupfer + 10 bis 20% Zink (für Modeschmuck und Kunstartikel)   
Gelbmessing: 60 bis 80% Kupfer + 20 bis 40% Zink (für Maschinenteile und Küchengeräte)   
Glockenbronze: 75 bis 80% Kupfer + 20 bis 25% Zinn (für Glocken und Kunstgegenstände)   
Konstantan: 57% Kupfer + 41% Nickel + 1% Eisen + 1% Mangan (elektr. Widerstände)   
Neusilber: 45 bis 68% Kupfer + 10 bis 26% Nickel + 12 bis 45% Zink (chir. Instrumente, Essbestecke)   
   
Die Freiheitsstatue in New York ist von Kupfer umhüllt. Ihr Kupferanteil beträgt etwa 80 Tonnen. Ein geringer Anteil des Kupfers wird zu Kupferverbindungen weiterverarbeitet. Im Feuerwerk erzeugen Kupfersalze blaue Flammenfarben.  
 
 
Blaufeuerwerk

 
 
 Kupfersalze erzeugen im Feuerwerk blaue Flammenfarben. 
 
 
Experimente - Medien  
Experiment: Kupfer reagiert mit Schwefel 
Experimente mit Kupferacetat 
Experiment: Erhitzen eines Kupferbriefs 
Demonstrationen zum Kupferkreislauf 
 
 
Kupferverbindungen im Steckbrief
 
 Kupfer(II)-acetat  Kupfer(I)-chlorid  Kupfer(II)-chlorid
Kupferhydroxidcarbonat
Kupfernitrat





Kupfer(I)-oxid Kupfer(II)-oxid Kupfersulfat



 
 
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