kupfer
Kupfer (Cuprum) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Cu und der Protonenzahl 29. Kupfer ist ein edles nichtalotropes Metall mit einem kubischen, flächenzentrierten Kristallsystem von roter Farbe. Es verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Heiß- und Kaltformbarkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit.
Eigenschaften von Kupfer
Einige andere mechanische Eigenschaften
Streckgrenze – 60 MPa
Endfestigkeit – 220 MPa (relativ weich)
Duktilität - 50 %
Kontraktion - 70 %
Korrosionsbeständigkeit
Die gute Korrosionsbeständigkeit von Kupfer wird durch zwei Faktoren verursacht:
positives elektrochemisches Potential +0,34 V,
die Auswirkungen von Oxiden und anderen Verbindungen, die sich auf seiner Oberfläche bilden.
Kupfer wird durch eine Schicht aus hydratisierten Kupfercarbonaten vor atmosphärischer Korrosion geschützt. Es weist auch eine gute Beständigkeit in sauren Lösungen ohne oxidierende Wirkung (Salzsäure, Flusssäure) auf, wenn diese nicht belüftet werden. Chlor, Ammoniak und Schwefelverbindungen wirken sich negativ auf Kupfer aus.
Wasserstoffkrankheit von Kupfer
Wenn Kupfer mehr als 0,03 % Sauerstoff enthält, neigt es zur Rissbildung. Bei Temperaturen über 400 °C diffundiert Wasserstoff aus der Gasatmosphäre in Kupfer und reagiert nach der Gleichung:
Cu2O + H2 → 2 Cu + H2O
Wasserdampf erzeugt Innendrücke im Kupfer, die zu Rissen und Hohlräumen führen.
Verwendung von Kupfer
Für technische Zwecke wird Kupfer sowohl als reines Metall (ca. 55 % der Produktion) als auch als Legierung mit verschiedenen Elementen (der Rest) verwendet. Bis zu 75 % der Kupferprodukte werden in der Elektrotechnik verwendet, gefolgt vom Maschinenbau, der Lebensmittel- und der chemischen Industrie. Es wird beispielsweise bei der Herstellung von Drähten, Blechen, Rohren und Münzen, in der Landwirtschaft zur Behandlung von Pflanzenkrankheiten sowie zum Schutz von Holz, Leder und Gewebe eingesetzt. Aufgrund seiner hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit wird es auch als Metabolit verwendet. Gewöhnliche Kupfersalze wie Sulfat, Carbonat, Cyanid, Oxid und Sulfid werden als Fungizid, als Bestandteil in Keramik und Pyrotechnik, für die Galvanisierung und für andere industrielle Anwendungen verwendet. Legierungen aus Kupfer, Bronze und Messing werden zur Herstellung von Geräten und Werkzeugen in verschiedenen Branchen verwendet.
Technisches Kupfer
rohes metallurgisches Kupfer enthält nur 94 bis 97 % Cu,
Hüttenkupfer kann eine Reinheit von bis zu 99,85 % Cu erreichen, es wird durch pyrometallurgische Raffination von rohem metallurgischem Kupfer hergestellt,
elektrisch leitendes Kupfer oder Kathodenkupfer erreicht bis zu 99,95 % Cu, hergestellt durch elektrolytische Raffination,
reinstes Kupfer mit bis zu 99,999 % Cu wird durch Vakuumraffination aus Kathodenkupfer hergestellt,
Sauerstofffreies Kupfer, resistent gegen Wasserstoffkrankheit, wird insbesondere zum Schweißen verwendet
Kupferlegierungen
Kupferlegierungen bilden zwei Hauptgruppen:
Messing – Kupferlegierungen mit Zink als Hauptbestandteil,
Bronzen – Kupferlegierungen mit Zinn, Aluminium und Blei als Hauptbestandteilen.
Kupferverbindungen
Die häufigsten Verbindungen sind Kupferoxid, Kupferoxid und Kupfersulfid. Es ist Bestandteil von Erzen (z. B. Chalkopyrit CuFeS2, Chalkosin Cu2S, Cuprit Cu2O und Malachit CuOH2.CuCO3).
Biologische Bedeutung
Kupfer ist ein essentielles Element für alle höheren Pflanzen und Tiere. Nach der Aufnahme im Verdauungssystem bindet es an Albumin und wird zur Leber transportiert. Im Blut bindet es an das Plasmaprotein Coeruloplasmin.
Es ist Bestandteil verschiedener Enzyme, in Form von Kupferzentren in der Cytochrom-C-Oxidase und in der Superoxiddismutase (enthält Kupfer und Zink). Zusätzlich zu seiner Rolle in Enzymen wird Kupfer für den biologischen Elektronentransport verwendet. Zu den blauen Kupferproteinen, die am Elektronentransport beteiligt sind, gehören beispielsweise Azurin und Plastocyanin. Der Name „blaues Kupfer“ kommt von der intensiven blauen Farbe, die durch den Ligand-zu-Metall-Ladungstransfer (LMCT) entsteht, die Absorptionsbande des Komplexes liegt bei etwa 600 nm.
Zink und Kupfer konkurrieren wahrscheinlich um die Aufnahme im Verdauungstrakt, sodass eine Ernährung mit einem hohen Gehalt an einem dieser Mineralien zu einem Mangel an dem anderen führen kann. Die empfohlene Tagesdosis an Kupfer für gesunde Erwachsene beträgt 0,9 mg/Tag.
Toxizität
Alle Kupferverbindungen gelten, sofern nicht anders bekannt, als giftig. Die tödliche Kupfersulfatdosis für den Menschen liegt bei etwa 7 bis 10 Gramm [1]. Kupfer ist nach Zink und Eisen das dritthäufigste Spurenelement im Körper. Die empfohlene sichere Konzentration im Trinkwasser für Menschen variiert je nach Quelle, stabilisiert sich jedoch tendenziell zwischen 1,5 und 2 mg/L. Referenzaufnahme über die Nahrung: Die tolerierbare Obergrenze der Kupferaufnahme über die Nahrung für Erwachsene aus allen Quellen beträgt 10 mg/Tag.
Ein wichtiger Teil der Toxizität von Kupfer beruht auf seiner Fähigkeit, beim Ändern seines Oxidationszustands Elektronen aufzunehmen und abzugeben. Dies katalysiert die Bildung hochreaktiver Radikalionen, wie zum Beispiel des Hydroxylradikals, ähnlich der Fenton-Reaktion. Diese katalytische Aktivität wird von Enzymen genutzt, mit denen Kupfer normalerweise assoziiert ist, und ist daher nur dann toxisch, wenn es abgetrennt und unvermittelt vorliegt. Dieser Anstieg der Menge an unvermittelten freien Radikalen wird als oxidativer Stress bezeichnet und ist Gegenstand aktiver Forschung bei verschiedenen Krankheiten, bei denen Kupfer möglicherweise eine wichtige, aber weniger wichtige Rolle spielt als bei akuter Toxizität.