Anorganische Chemie: Metalle - Kupfer und Kupferverbindungen

Namen:Cindy Pietrek und Michelle Steinke sowie Vladislav Gorulev, Duy Nguyen, Ermir Husejni, 2013

Lorena Pavlovic, Seyma Delen-2019-12

Vorkommen von Kupfer (Cu)

- in Gesteinen findet man Spuren von Kupfer

- Tagesbedarf für den Mensch: 1-1,5mg Kupfer 

- ist vor allem enthalten in: Nüssen, Samen, Fisch, Vollkornprodukten, Kaffe, Tee und Kakao

- kommt in Legierungen wie Messing, Bronze und Neusilber vor

- Münzen bestehen oft auf Kupferbasis

- Kupferverbindungen in Farbpigmenten und in medizinischen Präparaten 

- die natürlichen Ressourcen sind nicht ausschöpfbar

Als reines chemisches Element kommt Kupfer in der Natur relativ selten vor. Kupfer steht an 23. Stelle in der Reihenfolge der Häufigkeit aller Elemente in der Erdkruste, da der Kupfergehalt in der Erdkruste durchschnittlich etwa 0,006 Prozent beträgt. Kupfer findet man meist in chemischen Verbindungen mit anderen Stoffen wie z.B. Chalkosin (Cu2S/ Kupferglanz) oder die Kupfererze (CuS). Das Metall Kupfer ist im Vergleich zu anderen Metallen ziemlich teuer, da die in der Erdkruste vorhandenen Erze auf Grund des geringen Kupferanteils mehrstufig überarbeitet werden müssen.

Kupfervorkommen gibt es auf der ganzen Welt, wobei die bedeutendsten Kupfervorkommen heutzutage in Chile und in USA liegen (20 %  der bekannten Weltreserven). Zu den anderen Fördergebieten gehören Afrika, Australien, China, Kanada, Indonesien, Südamerika und Polen.

In Deutschland wurden die Kupfererze in der größten europäischen Kupfermine in der Mansfelder Region abgebaut. Allerdings ist die Kupfermine nur bis 1990 aktiv gewesen, da die in Deutschland vorhandenen Vorkommen schnell erschöpft waren.

Gewinnung von Kupfer

- um Kupfer herzustellen, wird aus Kupferkies Kupferstein gewonnen (Cu₂S)

- dazu wird Kupferkies mit Koks versetzt und geröstet

- durch Zugabe von kieselsäurehaltigen Stoffen werden die so entstandenen Eisenoxide verschlackt

- weil diese Eisensilikatschlacke nun auf dem Kupferstein schwimmt, kann sie leicht abgegossen werden

- nun wird der Kupferstein zu Rohkupfer verarbeitet, wobei der Kupferstein unter Luftzufuhr glutflüssig in einen Konverter gegossen

- danach wird das darin enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und zur Schlacke gebunden, indem man Quarz hinzu gibt

- der übriggebliebene Kupferstein wird nun zu Kupferoxid oxidiert

- mit dem restlichen Sulfid setzt sich das Oxid dann zu Rohkupfer um

- dieses wird anschließend elektrolytisch gereinigt

- das Kupfer wird daraufhin mit einem Gehalt von 99,99% abgeschieden

Eigenschaften von Kupfer

 
Kupferwolle (feine Drähte)

Kupferblech

- ziemlich weiches, gut formbares und zähes Metall

- Kupfer gehört zu den Schwermetallen

- ist ein guter Wärme- und Stromleiter

- Kupfer oxidiert an feuchter Luft zu Kupfer(I)oxid

- mit Hilfe von Kohlenstoffdioxid und Wasser bildet es Patina, ein grünes  Kupferhydroxidcarbonat, welches  vor Schäden schützt

- Ordnungszahl → 29

- Symbol  → Cu

- Molmasse  → 63.55 g/mol^-1

- Elektronegativität (nach Pauling)  → 1,9

- Dichte  → 8.95 g/cm ^-3

- Isotope  → 2

- Schmelzpunkt  → 1083°C

- Siedepunkt  → 2595°C

- Farbe  → rötlich, metallisch

- hohe/ uneingeschränkte elektrische Leitfähigkeit

- sehr gute Wärmeleitfähigkeit

- ähnliche Eigenschaften wie Gold und Silber

- relativ ungiftig für den menschlichen Körper

- kann antibakteriell wirken, sobald keine Proteinverbindung besteht

Verwendung von Kupfer

Man kann den Prozess der Kupfergewinnung in drei Teile unterteilen:

1.Bergbau

Beim Bergbau liegt das Kupfer als Erz vor, wobei diese Kupfererze nur einen geringen Anteil an Kupfer enthalten (0,5-1,5%). Daher ist es notwendig die Kupfererze zu Konzentraten mit einem Kupfergehalt von 25-35% anzureichern. Die Aufbereitung erfolgt bei sulfidischen Erzen durch einen Flotationsprozess, wohingegen bei oxidischen Erzen das Konzentrat durch einen Laugungsprozess gewonnen wird.

2. Flotation und Laugung:

a) Flotation

Das Kupfer liegt in den Erzen als Kupfersulfidmineralien vor. Da diese Mineralien andere Eigenschaften als die restlichen Stoffe (Ganggestein) im Erz haben, wird dies zur Abtrennung ausgenutzt. Dazu wird das Erz erstmal fein aufgemahlen und in ein Wasserbecken gegeben. Außerdem sind da noch Detergenzien enthalten, welche chemische Zusätze sind, die um einen Stoff eine wassserabweisende Schicht aufbauen. Sie bilden einen Schaum an der Oberfläche, indem sich das kupferhaltige Mineral ansammelt, während das Ganggestein absickert. Wenn man den Schaum dann abschöpft, hat man das Kupfermineral dann angereichert.

b) Laugung:

Bei der Laugung wird das oxidische Erz zu einer schwachen Kupferlösung gelaugt. Diese Lösung wird dann durch eine Extraktion konzentriert. Danach wird das Kupfer mit Hilfe der Elektrolyse aus der Lösung abgeschieden.

3. Verhüttung: 

Die Kupfererze und die Kupferkonzentrate werden in Schmelzöfen gelegt, um das Kupfer von anderen Materialien zu trennen. Der dabei anfallende Blisterkupfer wird in raffinierten Kupfer durch eine Elektrolyse oder Feuerraffinierung umgewandelt.

- Wird in Stromkabeln bevorzugt verwendet

  → geringer innerer Widerstand

  → sogar leitfähiger als Gold

  → bester elektrischer Leiter unter den Nicht-Metallen

- wichtiger Komponent in Generatoren, Motoren und Transformatoren

- wichtig für Systeme zur Erzeugung von erneuerbaren Energien (Solar-, Wind-, oder Geothermie)

- Schlüsselrolle in der Informations- und Kommunikationstechnologie weltweit

- gutes Material, wenn es um Rohrleitungen, Wasserhähne, Ventile, Türhandgriffe und Teller geht ( Vorteil: antimikrobielle Eigenschaft) 

- Kupferdächer sind beliebt aufgrund ihrer starken Widerstandskraft gegenüber extremen Wetterbedingungen

- ein Mittelklassewagen enthält durchschnittlich 22,5 kg Kupfer 

- bei Hochgeschwindigkeitszügen werden 2-4 Tonnen Kupfer verwendet 

- Flugzeuge und Zugherstellung 

- in fast allen industriellen Maschinenteilen und Maschinen enthalten ( Wärmeleitung und Widerstand) 

- Computer, Messinggeschirr, Schlüssel und Münzen 

- wird verwendet in der Elektroinstallation, Versorgungstechnik, für Präzisionsteile, Münzen, Essbesteck,  Kunstgegenstände, Musikinstrumente

- besitzt nach Silber die höchste Spezifische Leitfähigkeit für Elektrischen Strom: --> wird eingesetzt für  Elektrische Leitungen (Kabel, Leiterbahnen,...) --> wird eingesetzt für Bauteile (Drosseln und Spulen,  Transformatorenentwicklungen,...)

- Kupfer besitzt hohes Reflexionsvermögen im Infrarotbereich und wird daher als Spiegel für Kohlendioxidlaser-Strahlen eingesetzt

- guter Wärmeleiter, wegen seiner hohen thermischen Leitfähigkeit

Typische Reaktionen:

Reaktionen der Oxide & Hydroxide:

> Kupfer(I)-oxid, rötlicher Feststoff => zum Bedrucken verwendet, Glaspoliermittel

> Kupfer(II)-oxid, schwarzer, kristalliner Fesststoff => Verwendung in der Keramikindustrie

> Kupfer(II)-hydroxid, blau, => Herstellung von Batterieelektroden

Reaktionen der Sulfide:

>Kupfer(I)-sulfid, kristallisierendes Mineral => Verwendung als Farbstoff

>Kupfer(II)-sulfid, schwarzer, wasserunlöslicher Fetsstoff => fäulnishemmende Anstriche 

Reaktionen anderer Kupfersalze

>Kupfer(I)-hydrid, braunroter Niederschlag zerfällt beim Erhitzen in Kupfer und Wasserstoff

>Kupfer(II)-chlorid, kristalline, wasserfreie Struktur => in der Pyrotechnik zur Erzeugung grüner Flammen; als Katalysator bei organischen Synthesen