KUPFER: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG, BIOLOGISCHE ROLLE - CHEMIE - 2025

Das Kupfer ist ein Übergangsmetall der Gruppe 11 des Periodensystems und wird durch das chemische Symbol Cu dargestellt. Es zeichnet sich durch ein rot-orangefarbenes Metall aus, das sehr duktil und formbar ist und gleichzeitig ein hervorragender Strom- und Wärmeleiter ist.

In seiner metallischen Form kommt es als Primärmineral in Basaltgesteinen vor. In der Zwischenzeit wird es in schwefelhaltigen Verbindungen (solchen mit größerer Ausbeutung im Bergbau), Arseniden, Chloriden und Carbonaten oxidiert. das heißt, eine große Kategorie von Mineralien.

Wecker aus Kupfer. Quelle: Pixabay.

Unter den Mineralien, die es enthalten, können wir Chalkocit, Chalkopyrit, Bornit, Cuprit, Malachit und Azurit erwähnen. Kupfer kommt auch in der Aschenasche, in Meereskorallen und in Arthropoden vor.

Dieses Metall hat eine Häufigkeit von 80 ppm in der Erdkruste und eine durchschnittliche Konzentration im Meerwasser von 2,5 × 10 ^–4 mg / l. In der Natur kommt es als zwei natürliche Isotope vor: ⁶³ Cu mit einer Häufigkeit von 69,15% und ⁶⁵ Cu mit einer Häufigkeit von 30,85%.

Es gibt Hinweise darauf, dass Kupfer 8000 v. Chr. Geschmolzen wurde. 4000 v. Chr. Mit Zinn legiert, um Bronze zu bilden. C. Es wird angenommen, dass nur meteorisches Eisen und Gold als erste vom Menschen verwendete Metalle davor stehen. Es ist also gleichbedeutend mit archaischem und orangefarbenem Leuchten gleichzeitig.

Kupfer wird hauptsächlich zur Herstellung von Kabeln zur Stromleitung in Elektromotoren verwendet. Solche kleinen oder großen Kabel bilden Maschinen oder Geräte in der Industrie und im Alltag.

Kupfer ist an der elektronischen Transportkette beteiligt, die die Synthese von ATP ermöglicht. Hauptenergieverbindung von Lebewesen. Es ist ein Cofaktor der Superoxiddismutase: ein Enzym, das das Superoxidion abbaut, eine Verbindung, die für Lebewesen hochgiftig ist.

Darüber hinaus spielt Kupfer bei einigen Spinnentieren, Krebstieren und Weichtieren eine Rolle beim Hämocyanin beim Sauerstofftransport, ähnlich der von Eisen im Hämoglobin.

Trotz aller positiven Wirkungen für den Menschen kann Kupfer, wenn es sich im menschlichen Körper ansammelt, wie dies bei Morbus Wilson der Fall ist, unter anderem Leberzirrhose, Hirnstörungen und Augenschäden verursachen.

Geschichte

Kupferzeitalter

Natives Kupfer wurde verwendet, um Artefakte als Ersatz für Stein im Neolithikum herzustellen, wahrscheinlich zwischen 9000 und 8000 v. C. Kupfer ist nach dem in Meteoriten und Gold enthaltenen Eisen eines der ersten vom Menschen verwendeten Metalle.

Es gibt Hinweise auf die Verwendung des Bergbaus zur Gewinnung von Kupfer im Jahr 5000 v. C. Bereits zu einem früheren Zeitpunkt wurden Kupfergegenstände hergestellt; Dies ist der Fall bei einem im Irak hergestellten Ohrring, der auf 8700 v. Chr. geschätzt wird. C.

Es wird angenommen, dass die Metallurgie 4000 v. Chr. In Mesopotamien (heute Irak) geboren wurde. C., als es möglich war, das Metall der Mineralien durch Verwendung von Feuer und Kohle zu reduzieren. Später wurde Kupfer absichtlich mit Zinn legiert, um Bronze herzustellen (4000 v. Chr.).

Einige Historiker weisen auf eine Kupferzeit hin, die sich chronologisch zwischen der Jungsteinzeit und der Bronzezeit befindet. Später ersetzte die Eisenzeit die Bronzezeit zwischen 2000 und 1000 v. C.

Bronzezeit

Die Bronzezeit begann 4000 Jahre nach dem Schmelzen von Kupfer. Bronzegegenstände aus der Vinca-Kultur stammen aus dem Jahr 4500 v. C.; In Sumeria und Ägypten gibt es Bronzeobjekte, die 3000 Jahre vor Christus hergestellt wurden. C.

Die Verwendung von radioaktivem Kohlenstoff hat die Existenz des Kupferabbaus in Alderley Edge, Cheshire und im Vereinigten Königreich zwischen den Jahren 2280 und 1890 v. Chr. Festgestellt. C.

Es kann festgestellt werden, dass Ötzi, der "Eismann" mit einem geschätzten Datum zwischen 3300 und 3200 v. C. hatte eine Axt mit einem Kopf aus reinem Kupfer.

Die Römer aus dem 6. Jahrhundert vor Christus. Sie verwendeten Kupferstücke als Zahlungsmittel. Julius Caesar verwendete Münzen aus Messing, Kupfer und Zinklegierung. Darüber hinaus wurden Octavians Münzen aus einer Legierung aus Kupfer, Blei und Zinn hergestellt.

Produktion und Name

Die Kupferproduktion im Römischen Reich erreichte 150.000 Tonnen pro Jahr, eine Zahl, die nur während der industriellen Revolution übertroffen wurde. Die Römer brachten Kupfer aus Zypern und kannten es als aes Cyprium ("Metall aus Zypern").

Später degenerierte der Begriff zu Cuprum: Ein Name, der zur Bezeichnung von Kupfer verwendet wurde, bis zum Jahr 1530 der englische Wurzelbegriff "Kupfer" eingeführt wurde, um das Metall zu bezeichnen.

Der Große Kupferberg in Schweden, der vom 10. Jahrhundert bis 1992 betrieben wurde, deckte im 17. Jahrhundert 60% des europäischen Verbrauchs ab. Die Affinerie La Norddeutsche in Hamburg (1876) war die erste moderne Galvanikanlage, in der Kupfer verwendet wurde.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Kupfer ist ein glänzendes orangerotes Metall, während die meisten natürlichen Metalle grau oder silber sind.

Ordnungszahl (Z)

29

Atomares Gewicht

63.546 u

Schmelzpunkt

1.084,62 ºC

Übliche Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefeldioxid sind in geschmolzenem Kupfer löslich und beeinflussen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Metalls, wenn es sich verfestigt.

Siedepunkt

2,562 ºC

Dichte

- 8,96 g / ml bei Raumtemperatur.

- 8,02 g / ml am Schmelzpunkt (flüssig).

Es ist zu beachten, dass die Dichte zwischen der festen und der flüssigen Phase nicht wesentlich abnimmt. beide repräsentieren sehr dichte Materialien.

Schmelzwärme

13,26 kJ / mol.

Verdampfungswärme

300 kJ / mol.

Molare Kalorienkapazität

24,44 J / (mol * K).

Wärmeausdehnung

16,5 um / (m · K) bei 25ºC.

Wärmeleitfähigkeit

401 W / (m ≤ K).

Elektrischer widerstand

16,78 Ω ∙ m bei 20 ° C.

Elektrische Leitfähigkeit

59,6 × 10 ⁶ S / m.

Kupfer hat eine sehr hohe elektrische Leitung, die nur von Silber übertroffen wird.

Mohs Härte

3.0.

Es ist daher ein weiches Metall und auch ziemlich duktil. Festigkeit und Zähigkeit werden durch Kaltumformung aufgrund der langgestreckten Kristallbildung derselben flächenzentrierten kubischen Struktur in Kupfer erhöht.

Chemische Reaktionen

Kupferflammentest, der durch die Farbe seiner blaugrünen Flamme identifiziert wird. Quelle: Swn (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg)

Kupfer reagiert nicht mit Wasser, sondern mit Luftsauerstoff und ist mit einer Schicht aus schwarzbraunem Oxid bedeckt, die den darunter liegenden Metallschichten Korrosionsschutz bietet:

2Cu (s) + O ₂ (g) → 2CuO

Kupfer ist in verdünnten Säuren nicht löslich, reagiert jedoch mit heißen und konzentrierten Schwefel- und Salpetersäuren. Es ist auch in Ammoniak in wässriger Lösung und in Kaliumcyanid löslich.

Es kann der Einwirkung von Luft und Meerwasser widerstehen. Die längere Exposition führt jedoch zur Bildung einer dünnen grünen Schutzschicht (Patina).

Die vorherige Schicht ist eine Mischung aus Carbonat und Kupfersulfat, die in alten Gebäuden oder Skulpturen wie der Freiheitsstatue in New York beobachtet wurde.

Kupfer reagiert mit Sauerstoff zu Rot erhitzt, um Kupferoxid (CuO) zu ergeben, und bildet bei höheren Temperaturen Kupferoxid (Cu ₂ O). Es reagiert auch heiß mit Schwefel unter Bildung von Kupfersulfid; Daher wird es neblig, wenn es einigen Schwefelverbindungen ausgesetzt wird.

Kupfer I brennt mit einer blauen Flamme in einem Flammentest; während Kupfer II eine grüne Flamme abgibt.

Struktur und elektronische Konfiguration

Kupferkristalle kristallisieren in der flächenzentrierten kubischen (fcc) Struktur. In diesem fcc-Kristall bleiben die Cu-Atome dank der Metallbindung gebunden, die vergleichsweise schwächer ist als andere Übergangsmetalle; eine Tatsache, die sich in seiner hohen Duktilität und dem niedrigen Schmelzpunkt (1084 ºC) manifestiert.

Entsprechend der elektronischen Konfiguration:

3d ¹⁰ 4s ¹

Alle 3d-Orbitale sind mit Elektronen gefüllt, während im 4s-Orbital eine freie Stelle vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die 3d-Orbitale nicht in der Metallbindung zusammenarbeiten, wie man es von anderen Metallen erwarten würde. Somit überlappen die Cu-Atome entlang des Kristalls ihre 4s-Orbitale, um Banden zu erzeugen, die die relativ schwache Kraft ihrer Wechselwirkungen beeinflussen.

Tatsächlich ist der resultierende energetische Unterschied zwischen den 3d (voll) und 4s (halb voll) Orbitalelektronen dafür verantwortlich, dass die Kupferkristalle Photonen aus dem sichtbaren Spektrum absorbieren und ihre charakteristische orange Farbe widerspiegeln.

Kupfer-fcc-Kristalle können unterschiedliche Größen haben. Je kleiner sie sind, desto stärker ist das Metallstück. Wenn sie sehr klein sind, sprechen wir von oxidationsempfindlichen Nanopartikeln, die selektiven Anwendungen vorbehalten sind.

Oxidationszahlen

Die erste Zahl oder Oxidationsstufe, die von Kupfer erwartet werden kann, ist +1, da das Elektron aus seinem 4s-Orbital verloren geht. Wenn es in einer Verbindung vorliegt, wird die Existenz des Cu ⁺ -Kations (üblicherweise als Kupfer (I) -Ion bezeichnet) angenommen .

Dies und die Oxidationszahl +2 (Cu ²⁺ ) sind die bekanntesten und am häufigsten vorkommenden für Kupfer; Sie sind im Allgemeinen die einzigen, die auf der High School-Ebene unterrichtet werden. Es gibt jedoch auch die Oxidationszahlen +3 (Cu ³⁺ ) und +4 (Cu ⁴⁺ ), die nicht so selten sind, wie Sie auf den ersten Blick denken.

Beispielsweise stellen die Salze des Cupratanions CuO ₂ ^- Verbindungen mit Kupfer (III) oder +3 dar; Dies ist der Fall bei Kaliumcuprat, KCuO ₂ (K ⁺ Cu ³⁺ O ₂ ^2- ).

Auch Kupfer kann, wenn auch in geringerem Maße und in sehr seltenen Fällen, eine negative Oxidationszahl aufweisen: -2 (Cu ^2- ).

Wie wird es erhalten

Rohstoff

Die für die Kupferextraktion am häufigsten verwendeten Mineralien sind Metallsulfide, hauptsächlich Chalkopyrit (CuFeS ₂ ) und Bornit (Cu ₅ FeS ₄ ). Diese Mineralien tragen 50% zum gesamten extrahierten Kupfer bei. Calellit (CuS) und Chalcocit (Cu ₂ S) werden ebenfalls verwendet, um Kupfer zu erhalten .

Zerkleinern und Schleifen

Zunächst werden die Steine ​​zerkleinert, um felsige Fragmente von 1,2 cm zu erhalten. Dann wird mit einem Mahlen der felsigen Fragmente fortgefahren, bis Partikel von 0,18 mm erhalten werden. Wasser und Reagenzien werden zugegeben, um eine Paste zu erhalten, die dann geschwommen wird, um ein Kupferkonzentrat zu erhalten.

Floatation

In diesem Stadium werden Blasen gebildet, die Kupfer- und Schwefelmineralien einfangen, die in der Pulpe vorhanden sind. Es werden verschiedene Prozesse durchgeführt, um den Schaum zu sammeln und zu trocknen, um das Konzentrat zu erhalten, das seine Reinigung fortsetzt.

Reinigung

Um Kupfer von anderen Metallen und Verunreinigungen zu trennen, wird das Trockenkonzentrat in speziellen Öfen hohen Temperaturen ausgesetzt. Feuerraffiniertes Kupfer (RAF) wird zu Platten mit einem Gewicht von ca. 225 kg geformt, die Anoden bilden.

Elektrolyse

Die Elektrolyse wird zur Raffination von Kupfer eingesetzt. Die Anoden aus der Schmelze werden zur Raffination zu Elektrolysezellen gebracht. Kupfer wandert zur Kathode und Verunreinigungen setzen sich am Boden der Zellen ab. Bei diesem Verfahren werden Kupferkathoden mit einer Reinheit von 99,99% erhalten.

Kupferlegierungen

Bronze

Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, wobei Kupfer zwischen 80 und 97% davon ausmacht. Es wurde zur Herstellung von Waffen und Utensilien verwendet. Es wird derzeit zur Herstellung von mechanischen Teilen verwendet, die gegen Reibung und Korrosion beständig sind.

Darüber hinaus wird es beim Bau von Musikinstrumenten wie Glocken, Gongs, Becken, Saxophonen und Saiten von Harfen, Gitarren und Klavier verwendet.

Messing

Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. In Industriemessing beträgt der Zinkanteil weniger als 50%. Es wird bei der Herstellung von Behältern und Metallstrukturen verwendet.

Monel

Die Monellegierung ist eine Nickel-Kupfer-Legierung mit einem Verhältnis von Nickel zu Kupfer von 2: 1. Es ist korrosionsbeständig und wird in Wärmetauschern, Stäben und Linsenbögen eingesetzt.

Sie bestätigten

Constatán ist eine Legierung aus 55% Kupfer und 45% Nickel. Es wird zur Herstellung von Münzen verwendet und zeichnet sich durch einen konstanten Widerstand aus. Auch eine Kupfernickellegierung wird für die Außenbeschichtung von Münzen mit kleinem Nennwert verwendet.

BeCu

Die Kupfer-Beryllium-Legierung hat einen Beryllium-Anteil von 2%. Diese Legierung kombiniert Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Legierung wird üblicherweise in elektrischen Steckverbindern, Telekommunikationsprodukten, Computerkomponenten und kleinen Federn verwendet.

Werkzeuge wie Schraubenschlüssel, Schraubendreher und Hämmer, die auf Ölplattformen und Kohlengruben verwendet werden, haben die Initialen BeCu als Garantie dafür, dass sie keine Funken erzeugen.

Andere

Die Legierung Silber 90% und Kupfer 10% wurde in Münzen verwendet, bis 1965 die Verwendung von Silber in allen Münzen mit Ausnahme der halben Dollarmünze beseitigt wurde.

7% Kupfer-Aluminium-Legierung hat eine goldene Farbe und wird zur Dekoration verwendet. Inzwischen ist Shakudo eine japanische dekorative Legierung aus Kupfer und Gold in einem geringen Prozentsatz (4 bis 10%).

Anwendungen

Elektrische Verkabelung und Motoren

Elektrische Kupferverkabelung. Quelle: Scott Ehardt

Kupfer ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitung und geringen Kosten das Metall der Wahl für die Verwendung in elektrischen Leitungen. Das Kupferkabel wird in den verschiedenen Stromstufen wie Stromerzeugung, -übertragung, -verteilung usw. verwendet.

50% des weltweit produzierten Kupfers werden aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, der einfachen Formbarkeit von Drähten (Duktilität), der Beständigkeit gegen Verformung und Korrosion für die Herstellung von elektrischen Kabeln und Drähten verwendet.

Kupfer wird auch zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen und Leiterplatten verwendet. Metall wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitung, die die Wärmeableitung erleichtert, in Kühlkörpern und Wärmetauschern verwendet.

Kupfer wird in Elektromagneten, Vakuumröhren, Kathodenstrahlröhren und Magnetrons in Mikrowellenöfen verwendet.

Ebenso wird es beim Bau der Spulen von Elektromotoren und der Systeme verwendet, mit denen die Motoren in Betrieb genommen werden. Diese Elemente machen rund 40% des weltweiten Stromverbrauchs aus.

Gebäude

Kupfer wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und der Einwirkung von Luft in der Atmosphäre seit langem auf den Dächern von Häusern, Fallrohren, Kuppeln, Türen, Fenstern usw. verwendet.

Es wird derzeit in Wandverkleidungen und Dekorationsgegenständen wie Badzubehör, Türgriffen und Lampen verwendet. Es wird auch in antimikrobiellen Produkten verwendet.

Biostatische Wirkung

Kupfer verhindert, dass zahlreiche Lebensformen darauf wachsen. Es wurde in Blättern verwendet, die auf den Boden der Schiffsrümpfe gelegt wurden, um das Wachstum von Mollusken wie Muscheln und Seepocken zu verhindern.

Derzeit werden kupferbasierte Farben zum oben genannten Schutz von Schiffsrümpfen verwendet. Metallisches Kupfer kann bei Kontakt viele Bakterien neutralisieren.

Sein Wirkungsmechanismus wurde anhand seiner ionischen, korrosiven und physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Schlussfolgerung war, dass das Oxidationsverhalten von Kupfer zusammen mit den Löslichkeitseigenschaften seiner Oxide die Faktoren sind, die bewirken, dass metallisches Kupfer antibakteriell ist.

Metallisches Kupfer wirkt auf einige Stämme von E. coli, S. aureus und Clostridium difficile, Viren der Gruppe A, Adenoviren und Pilze. Daher ist geplant, Kupferlegierungen, die mit den Händen von Passagieren in Kontakt stehen, in verschiedenen Transportmitteln zu verwenden.

Nanopartikel

Die antimikrobielle Wirkung von Kupfer wird weiter verstärkt, wenn seine Nanopartikel verwendet werden, die sich für endodontische Behandlungen als nützlich erwiesen haben.

Ebenso sind Kupfernanopartikel ausgezeichnete Adsorbentien, und da sie orange sind, stellt eine Farbänderung in ihnen eine latente kolorimetrische Methode dar; Zum Beispiel entwickelt zum Nachweis von Dithiocarbamat-Pestiziden.

Biologische Rolle

In der elektronischen Transportkette

Kupfer ist ein wesentliches Element für das Leben. Es ist an der elektronischen Transportkette beteiligt und Teil des Komplexes IV. Der letzte Schritt der elektronischen Transportkette findet in diesem Komplex statt: die Reduktion des Sauerstoffmoleküls zu Wasser.

Der Komplex IV besteht aus zwei hae-Gruppen, einem Cytochrom a, einem Cytochrom a ₃ sowie zwei Cu-Zentren; einer heißt CuA und der andere CuB. Cytochrom a ₃ und CuB bilden ein zweikerniges Zentrum, in dem die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet.

In diesem Stadium geht Cu von seiner Oxidationsstufe +1 zu +2 über und gibt dem Sauerstoffmolekül Elektronen. Die elektronische Transportkette verwendet NADH und FADH ₂ aus dem Krebszyklus als Elektronendonoren, mit denen sie einen elektrochemischen Wasserstoffgradienten erzeugt.

Dieser Gradient dient als Energiequelle für die Erzeugung von ATP in einem als oxidative Phosphorylierung bekannten Prozess. Daher ist letztendlich das Vorhandensein von Kupfer für die Produktion von ATP in eukaryotischen Zellen erforderlich.

Im Enzym Superoxiddismutase

Kupfer ist Teil des Enzyms Superoxiddismutase, eines Enzyms, das die Zersetzung des Superoxidions (O ₂ ^- ) katalysiert , einer für Lebewesen toxischen Verbindung.

Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung des Superoxidions in Sauerstoff und / oder Wasserstoffperoxid.

Superoxiddismutase kann die Reduktion von Kupfer verwenden, um Superoxid zu Sauerstoff zu oxidieren, oder sie kann die Oxidation von Kupfer unter Bildung von Wasserstoffperoxid aus Superoxid verursachen.

In Hämocyanin

Hämocyanin ist ein Protein, das im Blut einiger Spinnentiere, Krebstiere und Weichtiere vorhanden ist. Es erfüllt eine ähnliche Funktion wie Hämoglobin bei diesen Tieren, aber anstatt Eisen am Ort des Sauerstofftransports zu haben, hat es Kupfer.

Hämocyanin hat zwei Kupferatome in seinem aktiven Zentrum. Aus diesem Grund ist die Farbe von Hämocyanin blaugrün. Die metallischen Kupferzentren stehen nicht in direktem Kontakt, sondern haben eine enge Position. Das Sauerstoffmolekül befindet sich zwischen den beiden Kupferatomen.

Konzentration im menschlichen Körper

Der menschliche Körper enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Cu / kg Körpergewicht. Kupfer wird im Dünndarm absorbiert und dann zusammen mit Albumin in die Leber transportiert. Von dort wird Kupfer zum Rest des menschlichen Körpers transportiert, der an das Plasmaprotein Ceruloplasmin gebunden ist.

Das überschüssige Kupfer wird über die Galle ausgeschieden. In einigen Fällen, beispielsweise bei Morbus Wilson, reichert sich Kupfer im Körper an und verursacht toxische Wirkungen des Metalls, die das Nervensystem, die Nieren und die Augen beeinträchtigen.

Verweise

1. Ghoto, SA, Khuhawar, MY, Jahangir, TM et al. (2019). Anwendungen von Kupfernanopartikeln zum kolorimetrischen Nachweis von Dithiocarbamat-Pestiziden. J Nanostruct Chem 9: 77. doi.org/10.1007/s40097-019-0299-4
2. Sánchez-Sanhueza, Gabriela, Fuentes-Rodríguez, Daniela und Bello-Toledo, Helia. (2016). Kupfernanopartikel als potenzielles antimikrobielles Mittel bei der Desinfektion von Wurzelkanälen: Eine systematische Übersicht. Internationale Zeitschrift für Odontostomatologie, 10 (3), 547-554. dx.doi.org/10.4067/S0718-381X2016000300024
3. Wikipedia. (2019). Kupfer. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
4. Terence Bell. (19. September 2018). Physikalische Eigenschaften von Berylliumkupfer. Wiederhergestellt von: thebalance.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. Juli 2019). Kupfer Fakten: Chemische und physikalische Eigenschaften. Wiederhergestellt von :oughtco.com
6. Die Herausgeber der Encyclopaedia Britannica. (26. Juli 2019). Kupfer: chemisches Element. Encyclopaedia Britannica. Wiederhergestellt von: britannica.com
7. Editor. (10. November 2018). Chalkopyrit. Wiederhergestellt von: mineriaenlinea.com
8. Lenntech BV (2019). Periodensystem: Kupfer. Wiederhergestellt von: lenntech.com