Kupfer

Kupfer (lat. Cuprum) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein Übergangsmetall, im Periodensystem steht es in der 4. Periode und der 1. Nebengruppe (nach neuer Zählung Gruppe 11) oder Kupfergruppe. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cyprium „Erz von der Insel Zypern“, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde.

Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Darüber hinaus zählt es auch zur Gruppe der Münzmetalle.

Als schwach reaktives Schwermetall gehört Kupfer zu den Halbedelmetallen.

Geschichte

Kupfer, Gold, Silber und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennenlernte. Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits von den ältesten bekannten Kulturen vor etwa 10.000 Jahren verwendet. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird je nach Region auch Kupferzeit genannt. In Hujayrat al-Ghuzlan in Jordanien bestand schon um 4.000 v. Chr. eine Massenproduktionsstätte von Kupfer. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus/Weiblichkeit ♀ (Planetenmetalle) assoziiert. Die ersten Spiegel wurden aus diesem Metall hergestellt. Größter vorindustrieller Kupferhersteller war das Römische Reich mit einer geschätzten Jahresproduktion von 15.000 t.<ref>Hong, Sungmin; Candelone, Jean-Pierre; Patterson, Clair C.; Boutron, Claude F. (1996): History of Ancient Copper Smelting Pollution During Roman and Medieval Times Recorded in Greenland Ice, Science, Bd. 272, Nr. 5259, S. 246–249 (247, Abb. 1 & 2; 248, Tab. 1)</ref>

Später wurde es mit Zinn und Bleianteilen zu Bronze legiert. Diese härtere und technisch widerstandsfähigere Legierung wurde zum Namensgeber der Bronzezeit. Die Unterscheidung von Blei und Zinn wurde erst mit wachsenden Metallkenntnissen eingeführt, sodass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist.

Die goldgelbe Kupfer-Zink-Legierung „Messing“ war bereits im antiken Griechenland bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst die Römer haben dieses Verfahren verstärkt verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet.

Vorkommen

Mineral in Erzen, Sanden, Kiesen oder gediegen

Kupfer, das in der Natur relativ selten gediegen (in elementarer Form) vorkommt, ist als Mineral anerkannt und wird von der International Mineralogical Association (IMA) gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) unter der System-Nr. „1.AA.05“ geführt (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie)<ref>IMA/CNMNC List of Mineral Names – Copper (englisch, PDF 1,8 MB; S. 64)</ref> (8. Auflage: I/A.01-10). Die im englischsprachigen Raum ebenfalls geläufige Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. „01.01.01.03“.

Kupfer kristallisiert im kubischen Kristallsystem, hat eine Mohshärte von 2,5 bis 3 und bildet sich meist in basaltischen Laven entweder in Form von „kupferroten“, metallisch glänzenden Nuggets (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten. Sehr selten ist auch seine kristalline Ausbildung anzutreffen. Kupfer tritt in Paragenese mit verschiedenen, meist sekundären Kupfermineralen wie Bornit, Chalkosin, Cornwallit, Cuprit, Azurit und Malachit sowie Tenorit auf, kann aber auch mit vielen anderen Mineralen wie Calcit, Klinoklas, Prehnit, Pumpellyit, Quarz und Silber vergesellschaftet sein.

Weltweit konnte gediegenes Kupfer bis 2011 an rund 2900 Orten nachgewiesen werden.<ref>Mindat – Localities for Copper.</ref> Die größten Vorkommen gibt es in Chile (Chuquicamata), Peru, den USA, Russland, Sambia (Copperbelt), Kanada und der Mongolei.

Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS₂), Chalkosin (Kupferglanz, Cu₂S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu₅FeS₄), Atacamit (CuCl₂ · Cu(OH)₂), Malachit (Cu₂ vom 17. März 2008.</ref><ref>sat1.de: Sendung 24: clever! - Wissensbuch.</ref>

Biologischer Kupferbedarf

Bei den meisten Mehrzellern ist Kupfer Bestandteil vieler Enzyme (Metalloenzyme) und daher ein lebensnotwendiges Spurenelement. Kupfer ist Bestandteil des blauen Hämocyanin, das bei Weichtieren und Gliederfüßern als Blutfarbstoff dem Sauerstofftransport dient.

Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt 1,0–1,5 Milligramm.<ref>med.de: Eintrag zu Kupfer, abgerufen am 23. Februar 2013.</ref> Im menschlichen Körper wird Kupfer hauptsächlich in der Leber gespeichert.

Kupfer ist vor allem in Schokolade, Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen enthalten. Kupfermangel tritt beim Menschen selten auf, hauptsächlich bei langanhaltenden Durchfällen, frühreifen Kindern, nach einer langanhaltenden Unterernährung oder Malabsorption durch Krankheiten wie z. B. Sprue, Morbus Crohn oder Mukoviszidose. Die Einnahme hoher Dosen von Zink, Eisen oder Molybdat kann ebenfalls zu verringerten Kupfermengen im Körper führen.<ref name="merck" /> Das Menkes-Syndrom ist eine seltene angeborene Kupferstoffwechselstörung.<ref name="PMID9587146">J. F. Mercer: Menkes syndrome and animal models. In: The American journal of clinical nutrition. Band 67, Nummer 5 Suppl, Mai 1998, S. 1022S–1028S, PMID 9587146. (Review).</ref><ref name="PMID17615395">S. Lutsenko, N. L. Barnes u. a.: Function and regulation of human copper-transporting ATPases. In: Physiological reviews. Band 87, Nummer 3, Juli 2007, S. 1011–1046, doi:10.1152/physrev.00004.2006. PMID 17615395. (Review).</ref>

Kupferüberschuss und Vergiftung

Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben.<ref name="merck">Merck Manual: Copper.</ref>

Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel und wurde deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt, beispielsweise durch weißen Phosphor, was in diesem speziellen Fall auch noch den Vorteil hat, dass gleichzeitig der Phosphor als schwerlösliches Kupferphosphid gebunden wird.

Bei der seltenen Erbkrankheit Morbus Wilson ist die Kupferausscheidung beeinträchtigt und es kommt zu vermehrter Kupferanlagerung, zuerst in der Leber, dann, wenn diese das Kupfer in den Blutkreislauf ausscheidet, auch in anderen Organen. Eine weitere ebenso seltene Erkrankung des Kupferstoffwechsels ist das Menkes-Syndrom. Dabei kann das Kupfer von den Zellen zwar aufgenommen, dann aber nicht mehr geordnet weitertransportiert werden, so dass einige Organe einen erhöhten, andere wiederum einen erniedrigten Kupfergehalt aufweisen.

Kupfer und Morbus Alzheimer

Immer wieder wurde der Zusammenhang zwischen Kupfer und der Entstehung der Alzheimer-Krankheit diskutiert. Bereits 2003 vermuteten Forscher, dass Kupfer die Produktion von Amyloid A bremst und ein Mangel an Kupfer die Alzheimerdemenz fördert.<ref name="DOI10.1073/pnas.2332818100">T. A. Bayer: Dietary Cu stabilizes brain superoxide dismutase 1 activity and reduces amyloid Aβ production in APP23 transgenic mice. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 100, 2003, S. 14187–14192, doi:10.1073/pnas.2332818100.</ref> Eine darauf folgende Pilotstudie mit 70 Alzheimer-Patienten konnte jedoch keine protektive Wirkung von einer erhöhten Kupfer-Einnahme zeigen, auch wenn es zu einer Stabilisierung im Abfall von Abeta42 im Liquor kam, einem Krankheitsmarker der Alzheimer-Erkrankung.<ref name="DOI10.1007/s00702-008-0136-2">Holger Kessler, Frank-Gerald Pajonk, Daniela Bach, Thomas Schneider-Axmann, Peter Falkai, Wolfgang Herrmann, Gerd Multhaup, Jens Wiltfang, Stephanie Schäfer, Oliver Wirths, Thomas A. Bayer: Effect of copper intake on CSF parameters in patients with mild Alzheimer's disease: a pilot phase‚ 2 clinical trial. In: Journal of Neural Transmission. 115, 2008, S. 1651–1659, doi:10.1007/s00702-008-0136-2.</ref>

Andere Studien zeigten, dass Kupfer für das Gehirn schädlich sein könnte. So zeigte eine Studie mit der Ionophore PBT2 als Wirkstoff gegen Alzheimer gute Ergebnisse in einer Phase-II-Studie. Der Wirkstoff bindet nicht nur Zink, sondern auch Kupfer und verringert somit die Konzentration von Kupfer im Gehirn.<ref>N. G. Faux, C. W. Ritchie, A. Gunn, A. Rembach, A. Tsatsanis, J. Bedo, J. Harrison, L. Lannfelt, K. Blennow, H. Zetterberg, M. Ingelsson, C. L. Masters, R. E. Tanzi, J. L. Cummings, C. M. Herd, A. I. Bush: PBT2 rapidly improves cognition in Alzheimer's Disease: additional phase II analyses. In: Journal of Alzheimer's disease : JAD. Band 20, Nummer 2, 2010, S. 509–516, doi:10.3233/JAD-2010-1390. PMID 20164561.</ref>

Eine neue Studie zeigt, dass Kupfer sich bei langfristiger hoher Zufuhr in den Hirnkapillaren ablagert und dort die Blut-Hirn-Schranke schädigen kann. Dadurch wird der Abtransport von Beta-Amyloid behindert, die Akkumulation des Stoffes verursacht dann den Morbus Alzheimer.<ref name="DOI10.1073/pnas.1302212110">I. Singh, A. P. Sagare, M. Coma, D. Perlmutter, R. Gelein, R. D. Bell, R. J. Deane, E. Zhong, M. Parisi, J. Ciszewski, R. T. Kasper, R. Deane: Low levels of copper disrupt brain amyloid-β homeostasis by altering its production and clearance. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. , S. , doi:10.1073/pnas.1302212110.</ref>

Verwendung

Kupfer wird in der Elektroinstallation und der allgemeinen Versorgungstechnik, für Präzisionsteile, Münzen, Essbesteck, Kunstgegenstände, Musikinstrumente und vieles mehr verwendet.

Nach Silber besitzt Kupfer noch vor Gold die höchste spezifische Leitfähigkeit für elektrischen Strom und wird daher vielfältig eingesetzt: elektrische Leitungen (Kabel, Leiterbahnen auf Leiterplatten und in integrierten Schaltkreisen) sowie in Bauteilen und elektrischen Maschinen (Transformatorenwicklungen, Drosseln und Spulen, Anodenkörper von Magnetrons).

Drähte und Litzen aus sogenanntem Oxygen Free Copper (OFC, engl. für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99 %) haben ein sehr feinkörniges Kristallgefüge und eine besonders hohe Ermüdungsbruchfestigkeit. Sie werden für mechanisch hochbeanspruchte Kabel und Leitungen eingesetzt. Für Oberleitungen werden Legierungen von Kupfer und Magnesium verwendet.<ref>Deutsches Kupferinstitut: Kupfer und seine Anwendungen.</ref>

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

Wegen seiner hohen thermischen Leitfähigkeit eignet es sich gut als Wärmeleiter.

Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. In der bildenden Kunst wird Kupfer bis heute zur Fertigung von Druckplatten für Kupferstiche und Radierungen verwendet.

Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina bildet, die aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden bzw. Kupfercarbonaten besteht. Diese oft fälschlich auch als „Grünspan" (siehe Kupferacetat) bezeichnete Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können.

Legierungen

Kupfer ist auch Bestandteil vieler Legierungen wie z. B. Messing (mit Zink), Bronze (mit Zinn) und Neusilber (mit Zink und Nickel). Diese Kupferlegierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Man unterscheidet Knetlegierungen (Messing und Neusilber) und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen): Knetlegierungen werden durch plastisches Umformen (Warmumformen: Walzen, Schmieden usw. oder Kaltumformen: Drahtziehen, Hämmern, Kaltwalzen, Tiefziehen usw.) in die gewünschte Form gebracht, während Gusswerkstoffe meist nur schwer oder gar nicht plastisch formbar sind.

Gegenstände mit silberweißem oder edelstahlartigem Erscheinungsbild sind in Wirklichkeit oft hoch kupferhaltige Legierungen, wobei die kupfereigene Farbe durch ausreichenden Nickelzusatz verschwindet.

Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so ist das „Nordisches Gold“ genannte Metall der goldfarbigen Teile der Euromünzen eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung. Die Münzmetalle der bis 2001 gültigen 1-DM-Geldstücke sowie die hellen Anteile der Euromünzen bestehen aus Kupfernickel-Legierungen.

Kupferverbindungen kommen in Farbpigmenten, als Toner, in medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz.

Nachweis

Kupfer färbt die Boraxperle in der oxidierenden Flammenzone blau bis blau-grün, in der reduzierenden Flammenzone ist keine Färbung bemerkbar bzw. wird die Perle rot bis rotbraun gefärbt. Im klassischen Kationentrenngang wird Kupfer in der Schwefelwasserstoff-Gruppe gefällt und dort in der Kupfergruppe als blauer Komplex nachgewiesen. Letztere Färbung beruht darauf, dass Lösungen von Kupfer(II)-Ionen mit Ammoniak einen tiefblauen Kupfertetramminkomplex, [Cu(NH₃)₄]²⁺, bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion).

Eine Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu₂[Fe(CN)₆]. Diese Nachweisreaktion ist sehr empfindlich, d. h. sie zeigt auch geringe Kupfermengen an.

Kupfersalze färben die Flamme (Bunsenbrennerflamme) grün bis blau (Flammenfärbung, Spektralanalyse).

Die quantitative Bestimmung kann durch Elektrogravimetrie an einer Platinnetzkathode aus einer schwefelsauren Kupfer(II)-haltigen Lösung erfolgen. Maßanalytisch kann Kupfer durch Iodometrie oder Komplexometrie (Titration mit Titriplex/Komplexon III mit Indikator Murexid) bestimmt werden. Im Spurenbereich steht die Differenzpulspolarographie zur Verfügung (Halbstufenpotential −0,62 V gegen SCE in 1 M Thiocyanat-Lösung). Ultraspuren an Kupfer bestimmt man mittels Inversvoltammetrie,<ref>R. Neeb: Inverse Polarographie und Voltammetrie. Akademie-Verlag, Berlin 1969, S. 185–188.</ref> Graphitrohr-AAS oder ICP-MS.

Kupfer(II)-Ionen bilden mit Cuprizon (Oxalsäurebiscyclohexylidenhydrazid) in schwach alkalischer Lösung einen blauen Komplex.

Der Preis und seine Schwankungen

Kupfer ist ein relativ teures Metall. Der Preis entsteht (maßgeblich) an den großen Rohstoffbörsen und Warenterminbörsen der Welt. Führend im Kupferhandel ist die London Metal Exchange (LME).<ref>Führend im Handel mit Kupfer: London Metal Exchange – LME Copper. Abgerufen am 15. März 2013.</ref>

Der (Weltmarkt-) Preis für Kupfer unterliegt starken Schwankungen: Die größte Schwankung erfuhr er in den letzten 10 Jahren im Jahre 2008, als der Preis für Kupfer am 2. Juli an der LME noch zum zwischenzeitlichen Höchststand von 8.940 US-Dollar/Tonne<ref name="Kupferpreis 2008-2009">Entwicklung des Preises für Kupfer an der London Metal Exchange in der Zeit vom 2. Juli 2008–15. April 2009 Quelle: Handelsblatt-Datenbank. Abgerufen am 15. März 2013.</ref> gehandelt wurde und bis zum 23. Dezember 2008 auf seinen 10-Jahres-Tiefststand von 2.825 US-$<ref name="Kupferpreis 2008-2009" /> fiel. Danach erholte sich der Preis in weniger als 4 Monaten (15. April 2009) wieder bis auf 4.860 US-Dollar/Tonne.<ref name="Kupferpreis 2008-2009" /> Seinen 10-Jahres-Höchststand hatte der Kupferpreis am 14. Februar 2011 mit 10.180 US-Dollar/Tonne.<ref>Höchster Preis für Kupfer an der London Metal Exchange in den letzten 10 Jahren am 14. Februar 2011 Quelle: Handelsblatt. Abgerufen am 15. März 2013.</ref>

Von März 2012 bis März 2013 schwankte der Kupferweltmarktpreis in der Spitze (2. April 2012) bis über die Marke von 8.600 (8.619,75) US-$ und am 2. August 2012 bis unter die Marke von 7.300 (7.288,25) US-$.<ref>Entwicklung des Preises für Kupfer an der London Metal Exchange in den letzten 12 Monaten Quelle: Handelsblatt. Abgerufen am 15. März 2013.</ref> Eine ähnliche Spannweite zeigte sich auch von Oktober 2012 bis März 2013 zwischen 8.350 (höchster Stand) und 7.577 US-$ (tiefster Stand).<ref>Entwicklung des Preises für Kupfer an der London Metal Exchange in den letzten 6 Monaten Quelle: Handelsblatt. Abgerufen am 15. März 2013.</ref>

Im August 2014 lag der Weltmarktpreis für Kupfer bei etwa 7.000 US-Dollar/Tonne.<ref>Aktueller Preis für Kupfer an der London Metal Exchange Quelle: Handelsblatt.</ref> Dies waren nach damaligem Wechselkurs 6.394 Euro/Tonne.<ref name="Vorlage-Wechselkursdaten">Diese Zahl wurde mit der Vorlage:Wechselkurs ermittelt.</ref>

Der hohe Preis bedingt auch einen Anstieg der Diebstähle von kupferhaltigen Gegenständen.

Einer der größten Finanzskandale der neueren Geschichte, die Sumitomo-Affäre, beruhte auf dem Handel mit Kupfer. In Folge der Aufdeckung 1996 sank der Preis innerhalb eines Tages um 27 %.

Literatur

• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
• Wolfgang Mann, Werner Eisner, Paul Gietz, Josef Maier, Werner Schierle, Rainer Stein: Elemente Chemie II. Stuttgart 1989, S. 128–130.

Weblinks

• Mineralienatlas:Kupfer (Daten), Mineralienatlas:Mineralienportrait/Kupfer (Geschichte, Verhüttung, etc.)
• Deutsches Kupferinstitut (DKI) – umfassende Fachinformationen und Publikationen
• Kupferpreis an der London Metal Exchange

Einzelnachweise

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