Sonntag, 24. September 2017
NE-METALLE:
08. Juni 2017
Kupfer
Energie- und Wärmeleiter, Dächer und Fassaden

Gießkarussel (Quelle: GDB)
Gießkarussell einer Kupferhütte
Kupferelektrolyse (Quelle: NA)
Kupferelektrolyse
Gießkokillen (Quelle: KME)
Gießkokillen
Kupferrohre (Quelle: Wieland)
Kupferrohre
Kupferband (Quelle: NA)
Kupferband
Windräder
Windräder
Elektroauto
Elektroauto
Dachrinne
Dachrinne
Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Der Name Kupfer leitet sich von dem lateinischen "aes cyprium" – Erz aus Zypern - ab. Es gehört zu den ältesten Metallen der Menschheitsgeschichte. Bereits 4800 v. Chr. wurden Gegenstände aus gediegenem Kupfer von den Ägyptern verwendet. Die Steinmetze des Pharao Cheops bearbeiteten sein Grabmal, die Cheops-Pyramide, mit Kupferwerkzeugen. Die Bronzezeit (Beginn zirka 3500 v. Chr.) wurde nach der Legierung von Kupfer mit Zinn benannt. Die frühesten Bronzefunde hatten nur einen sehr geringen Zinnanteil, der mit der Zeit erhöht wurde, bis um 2500 v. Chr. ein Anteil um 14% üblich war. Noch lange nachdem man auch Eisen verarbeiten konnte, war Kupfer das wichtigste Gebrauchsmetall. Nur langsam wurde Bronze von Eisen verdrängt. Seit dem 14. Jahrhundert wurden Bronzen mit einem Zinnanteil von bis zu 25% hergestellt. Sie dienten zur Herstellung von Glocken und Kanonen. Noch im 18. Jahrhundert wurden viele Geschütze aus Bronze gegossen, bis sie durch Gussstahl verdrängt wurde. Kupfer ist heute neben Aluminium das wichtigste Nichteisenmetall.

Vorkommen
Kupfer kommt in der Natur als gediegenes Metall und in Mineralien vor, wovon die bekanntesten Azurit, Chalkopyrit und Malachit sind. Kupfermineralien kommen meist in Begleitung anderer Metalle wie Eisen, Blei, Gold und Silber vor. Die bedeutendsten Kupfervorkommen finden sich in Chile und in den USA, wo jeweils 20 Prozent der Weltreserven von 500 Mio. Tonnen lagern. Weitere wichtige Fördergebiete sind Afrika, Kanada und die GUS. Die Lagerstätte in Mansfeld („Mansfelder Kupferschiefer“) ist der größte Fundort in Deutschland, inzwischen aber stillgelegt.

Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Kupfer ist ein relativ weiches, verformbares, rötliches Metall, das die kubisch-dichteste Kugelpackung aufweist. Entsprechend der Mohs'schen Skala hat es den Härtegrad 3,0. An der Luft bildet sich rasch eine dünne, schützende Oxidschicht, die eine weitere Reaktion unterbindet. Ist es über lange Zeit feuchter Luft ausgesetzt, bildet sich ein Belag von Kupfer-Salzen (z.B. Cu-Sulfate, Cu-Carbonate), der als grüne Patina in Erscheinung tritt. Die Patina-Schicht schützt das Metall vor Korrosion. Patina-Bildung wird aus diesem Grunde bei Kupferplatten auf Dächern künstlich beschleunigt. Das Metall hat bereits einen recht edlen Charakter, ist aber weniger edel als Silber und Gold. Von nichtoxidierenden Säuren wie Salzsäure wird es nicht angegriffen. Von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure wird es unter Bildung entsprechender Kupfersalze oxidiert. Das Metall ist für seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit bekannt und wird deshalb gerne als Kabelmaterial zur Stromleitung verwendet. Nur Silber hat in dieser Hinsicht noch bessere Eigenschaften.

  • Relative Atommasse: 63, 546
  • Schmelzpunkt: 1083,5 °C
  • Siedepunkt: 2595 °C
  • Dichte: 8,92 g/cm³
  • Oxidationszahlen: 4, 3, 2, 1
  • Atomradius: 127,8 pm
  • Ionenradius: 72 pm (+2); 96 pm (+1)
  • Elektrische Leitfähigkeit: 0,598 µW-1cm-1

    Industrielle Gewinnung
    Bergbau und Aufbereitung zu Konzentraten liegen wegen der niedrigen Kupfergehalte der Roherze räumlich dicht beieinander. Die Konzentrate mit einem Kupfergehalt von 25 bis 35 Prozent werden in vielen Fällen erst in den Verwenderländern zu Kupfer verarbeitet. Die Verhüttung zum Rohmetall und die Raffination zum Reinmetall erfolgen sowohl in Entwicklungs- als auch in Industrieländern zumeist an einer Stelle.
    Die Anreicherung der Kupfererze erfolgt durch Flotation (Schwimmaufbereitung). Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz, Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden.
    Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus.
    Daher wird noch eine elektrolytische Kupferraffination durchgeführt, bei der man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung hängt. Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4 - 1 Volt durchgeführt.
    An der Kathode werden diejenigen Kationen der Lösung reduziert (Cu2+), die das größte Bestreben dazu haben, d.h. die das größte Normalpotential (U0) besitzen. Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während alle unedleren Metallionen wie Eisen-, Zink- und Bleiionen in der Lösung bleiben.

    Anwendungen / Produkte
    Kupfer ist aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in der Elektrotechnik und Elektronik unverzichtbar. Als Leitmaterial wird es in Kabeln, Generatoren und Transformatoren eingesetzt. Leiterbahnen aus Kupfer ermöglichen eine weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Chips. In Kraftfahrzeugen wird Kupfer unter anderem für Bremsleitungen und elektrische Antriebe verwendet, im Bauwesen wird es als Dach-, Dachrinnen- und Fassadenmaterial eingesetzt. Wegen ihrer Beständigkeit und gesundheitlichen Unbedenklichkeit werden Kupferrohre seit langem für die öffentliche Trinkwasserversorgung, aber auch für Heizungsinstallationen genutzt. Da viele Bakterien durch Kupfer im Wachstum gehemmt werden, wird es als Kupfer-Zink-Legierung (Messing) in öffentlichen Gebäuden und Verkehrsmitteln für Haltegriffe und Türklinken eingesetzt, um die Übertragung von Krankheitskeimen zu verhindern.

    Die wichtigsten Anwendungsgebiete von Kupfer finden Sie am Ende dieser Seite.

    Wirtschaftliche Bedeutung
    Weltweit werden gut siebzehn Millionen Tonnen des roten Metalls jährlich verwendet, davon in Deutschland rund 1,6 Millionen Tonnen. Die inländische Produktion von raffiniertem Kupfer und Kupfergusslegierungen beträgt rund 700.000 Tonnen, Halbzeugproduktion (incl. Leitmaterial) und Metallguss rund 1,8 Millionen Tonnen. Große Bedeutung hat die Sekundärindustrie, da über 60 Prozent der deutschen Kupferproduktion aus Schrotten und kupferhaltigen Zwischenprodukten (Schlacken, Krätzen etc.) stammen. Mit einem Umsatz von zehn Milliarden Euro, bezogen auf die Erzeugung und die erste Verarbeitung des Metalls, nimmt die deutsche Kupferindustrie eine herausgehobene Stellung in der NE-Metallwirtschaft ein. In der Erzeugung und ersten Verarbeitung sind rund 18.000 Mitarbeiter beschäftigt.

    Gesundheit
    Kupfer ist ein lebenswichtiges Spurenelement. Es wirkt mit bei der biologischen Energiegewinnung der Körperzellen, es hilft bei der Bildung des roten Blutfarbstoffes und übernimmt wesentliche Funktionen im Stoffwechsel der Knochen und des zentralen Nervensystems. Da es im Körper nicht gespeichert, sondern laufend ausgeschieden wird, muss der Mensch Kupfer immer wieder neu mit den Lebensmitteln zu sich nehmen. Pflanzen sind auf Kupfer für ein gesundes Wachstum angewiesen.

    Recycling
    Recycling schont natürliche Ressourcen und wertvolle Energie und ist daher wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Wirtschaft. Das Recycling von Kupfer kann als größte und wirtschaftlichste Kupfermine bezeichnet werden und war schon in der Antike selbstverständlich. Es stellt in Deutschland die einzige eigene inländische Kupferquelle dar. Die produktbezogene Recyclingrate beträgt mittlerweile mehr als 90 Prozent. Wie andere NE-Metalle, lässt sich Kupfer ohne Qualitätsverlust im Kreislauf von Gewinnung, Verarbeitung, Nutzung und Rückgewinnung führen. In modernen Recyclinganlagen wird in mehrstufigen Raffinationsprozessen aus Kupfer- und Kupferlegierungsschrotten, kupferhaltigen Rückständen aus Gießereien und der kupferverarbeitenden Industrie, Shreddermaterialien oder Elektronikschrotten hochwertiges Kupfer gewonnen, das sich in der Qualität von Kupfer aus der Primärproduktion nicht unterscheidet.

    Ein wichtiger Teil des Kupferrecyclings ist auch die professionelle Zerlegung von alten Kabeln und Leitungen. Sie verbergen unter ihrer Ummantelung einen Kern aus Kupfer von höchster Reinheit. Mit moderner Zerlege- und Trenntechnik erfolgt die umweltfreundliche Gewinnung von reinem Kupfergranulat.




    Dokumente:
    Verwendung von Kupfer


  • MELDUNG:
    08. Juni 2017
    Kupfer-Links

    Links zum Thema Kupfer



    Links:
    Deutsches Kupferinstitut e.V.

    Gütegemeinschaft Kupferrohr e.V.

    Gütegemeinschaft Messing-Sanitär e.V.

    Initiative "Pro Metalldach"

    ECI - European Copper Institute

    OECAM - Organisation of European Copper Alloy Ingot Makers e.V.

    IWCC - International Wrought Copper Council

    ICSG - International Copper Study Group

    Zeitschrift "Metall"

    GDMB Gesellschaft der Metallurgen und Bergleute e.V.


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