Kupfer (Copper)

Kupfer, ein chemisches Element, wird mit dem Symbol Cu (abgeleitet vom lateinischen Begriff cuprum) bezeichnet und besitzt die Ordnungszahl 29. Dieses Metall weist Eigenschaften wie Weichheit, Formbarkeit und Duktilität auf, gepaart mit außergewöhnlicher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Im frisch freigelegten Zustand weist reines Kupfer einen charakteristischen rosa-orangefarbenen Farbton auf. Seine Anwendungen sind vielfältig und umfassen Rollen als Leiter für Wärme und Elektrizität, als Baumaterial und als grundlegender Bestandteil in verschiedenen Metalllegierungen, darunter Sterlingsilber für Schmuck, Kupfernickel für Schiffszubehör und Münzen sowie Konstantan für Dehnungsmessstreifen und Thermoelemente zur Temperaturmessung.

Kupfer ist ein chemisches Element; Es hat das Symbol Cu (aus dem Lateinischen Cuprum) und die Ordnungszahl 29. Es ist ein weiches, formbares und duktiles Metall mit sehr hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Eine frisch freigelegte Oberfläche aus reinem Kupfer hat eine rosa-orange Farbe. Kupfer wird als Wärme- und Stromleiter, als Baumaterial und als Bestandteil verschiedener Metalllegierungen verwendet, z. B. Sterlingsilber für Schmuck, Kupfernickel für die Herstellung von Schiffsbeschlägen und Münzen sowie Konstantan für Dehnungsmessstreifen und Thermoelemente zur Temperaturmessung.

Als eines der seltenen einheimischen Metalle kommt Kupfer natürlicherweise in einem direkt verwendbaren, unlegierten metallischen Zustand vor. Dieses Merkmal ermöglichte seine sehr frühe Übernahme durch den Menschen in mehreren Regionen, die bis etwa ca. 8000 v. Chr. zurückreicht. In den folgenden Jahrtausenden wurde Kupfer zum ersten Metall, das um ca. 5000 v. Chr. aus Sulfiderzen geschmolzen wurde, das erste, das um ca. 4000 v. Chr. in bestimmte Formen gegossen wurde, und das ursprüngliche Metall wurde absichtlich mit einem anderen Metall, insbesondere Zinn, legiert, um etwas zu produzieren Bronze, ca. ca. 3500 v. Chr..

Kupfer(II)-Salze sind häufig vorkommende Verbindungen, die Mineralien wie Azurit, Malachit und Türkis oft eine blaue oder grüne Färbung verleihen. Diese Verbindungen dienten in der Vergangenheit als häufig verwendete Pigmente.

Bei architektonischen Anwendungen, insbesondere bei Dächern, wird Kupfer oxidiert, was zur Bildung einer grünen Patina führt, die aus Verbindungen besteht, die zusammenfassend als Grünspan bezeichnet werden. Darüber hinaus findet Kupfer gelegentlich Verwendung in der dekorativen Kunst, sowohl als elementares Metall als auch in seinen zusammengesetzten Formen als Pigmente. Kupferverbindungen wirken auch als bakteriostatische Mittel, Fungizide und Holzschutzmittel.

Kupfer ist ein unverzichtbares Element für alle aeroben Organismen und spielt eine entscheidende Rolle im Sauerstoffstoffwechsel. Sein Vorkommen wird in wichtigen biologischen Komponenten festgestellt, darunter dem Atmungsenzymkomplex Cytochrom-C-Oxidase, dem Sauerstofftransportprotein Hämocyanin und verschiedenen Hydroxylasen. Der typische Körper eines erwachsenen Menschen enthält etwa 1,4 bis 2,1 Milligramm Kupfer pro Kilogramm Körpergewicht.

Etymologie

Die Nomenklatur für dieses Metall geht auf den lateinischen Ausdruck aes cyprium zurück, der „Metall aus Zypern“ bedeutet. Dieser Begriff entwickelte sich später im Spätlateinischen zu cuprum. Das Altenglische assimilierte dies als Coper, wovon das moderne Wort Copper abgeleitet ist, das erstmals im 12. Jahrhundert dokumentiert wurde.

Merkmale

Physisch

Kupfer, Silber und Gold gehören zur Gruppe 11 des Periodensystems. Diese drei Metalle zeichnen sich durch das Vorhandensein eines einzelnen s-Orbitalelektrons über einer vollständig gefüllten d-Elektronenhülle aus und weisen eine bemerkenswerte Duktilität sowie eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Die gefüllten D-Schalen dieser Elemente üben nur einen minimalen Einfluss auf interatomare Wechselwirkungen aus, die überwiegend durch S-Elektronen bestimmt werden, die metallische Bindungen bilden. Im Gegensatz zu Metallen mit unvollständigen D-Schalen fehlt den metallischen Bindungen von Kupfer ein signifikanter kovalenter Charakter und sie sind vergleichsweise schwach. Diese Eigenschaft ist für die geringe Härte und hohe Duktilität verantwortlich, die bei Kupfereinkristallen beobachtet werden. Auf makroskopischer Ebene behindert der Einbau ausgedehnter Defekte, wie z. B. Korngrenzen, in das Kristallgitter den Materialfluss unter angelegter Spannung und erhöht dadurch seine Härte. Daher wird Kupfer typischerweise in einem feinkörnigen polykristallinen Zustand bereitgestellt, der im Vergleich zu seinen monokristallinen Gegenstücken eine überlegene Festigkeit bietet.

Die inhärente Weichheit von Kupfer erklärt teilweise seine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit (59,6×10⁶ S/m) und seine hohe Wärmeleitfähigkeit, die bei Umgebungstemperaturen nach Silber an zweiter Stelle unter den reinen Metallen steht. Dieses Phänomen wird auf die Tatsache zurückgeführt, dass der Elektronentransportwiderstand in Metallen bei Raumtemperatur hauptsächlich aus der Streuung von Elektronen durch thermische Gitterschwingungen resultiert, die in einem weichen Metall vergleichsweise gedämpft sind.

Kupfer ist eines der wenigen metallischen Elemente, das eine natürliche Farbe aufweist, die sich von Grau oder Silber unterscheidet. Reines Kupfer weist einen orangeroten Farbton auf und entwickelt bei Einwirkung atmosphärischer Bedingungen einen rötlichen Anlauf. Diese Färbung ist eine Folge der niedrigen Plasmafrequenz des Metalls, die im roten Bereich des sichtbaren Spektrums liegt und dadurch zur Absorption von höherfrequentem grünem und blauem Licht führt.

Wie bei anderen metallischen Elementen kommt es zu galvanischer Korrosion, wenn Kupfer in Gegenwart eines Elektrolyten mit einem unähnlichen Metall in Kontakt gebracht wird.

Chemikalie

Kupfer reagiert nicht mit Wasser; Allerdings wechselwirkt es nach und nach mit Luftsauerstoff, was zur Bildung einer braunschwarzen Kupferoxidschicht führt. Diese Schicht unterscheidet sich vom Rost, der sich unter feuchten Bedingungen auf Eisen bildet. Sie dient dazu, das darunter liegende Metall durch einen als Passivierung bezeichneten Prozess vor späterer Korrosion zu schützen. Auf gealterten Kupferkonstruktionen wird häufig eine grüne Patina aus Grünspan oder Kupferkarbonat sichtbar, beispielsweise auf den Dächern zahlreicher historischer Gebäude und der Freiheitsstatue. Der Kontakt mit bestimmten Schwefelverbindungen führt dazu, dass Kupfer anläuft, da es unter Bildung verschiedener Kupfersulfide reagiert.

Isotope

Kupfer besitzt 29 bekannte Isotope. Darunter ⁶³
Cu und ⁶⁵
Cu sind stabil, mit ⁶³
Cu macht etwa 69 % des natürlich vorkommenden Kupfers aus. Beide stabilen Isotope weisen einen Spin von §34^{35§⁄§3637§ auf. Die übrigen Isotope sind radioaktiv, wobei 67
Cu das stabilste ist und eine Halbwertszeit von hat 61,83 Stunden. Darüber hinaus wurden zehn metastabile Isomere identifiziert, wobei 68m
Cu die längste Halbwertszeit hat 3,8 Minuten. Isotope mit einer Massenzahl größer als 64 unterliegen einem β−-Zerfall, während Isotope mit einer Massenzahl kleiner als 64 einem β+-Zerfall unterliegen. Insbesondere §68}69§
Cu mit einer Halbwertszeit von 12,7 Stunden weist einen Zerfall auf beiden Wegen auf.

Beide ⁶²
Cu und ⁶⁴
Cu besitzen bemerkenswerte Anwendungen. Konkret wird ⁶²
Cu innerhalb von ⁶²
Cu-PTSM als radioaktiver Tracer für Positronenemissionstomographie (PET)-Scans.

Vorkommen

Kupfer stammt aus massereichen Sternen und macht etwa 50 Teile pro Million (ppm) der Erdkruste aus. Natürlich kommt Kupfer in verschiedenen mineralischen Formen vor, einschließlich nativem Kupfer, verschiedenen Kupfersulfiden (z. B. Chalkopyrit, Bornit, Digenit, Covellit, Chalkosin), Kupfersulfosalzen (z. B. Tetrahedrit-Tennantit, Enargit), Kupfercarbonaten (z. B. Azurit, Malachit) und als Kupfer(I)- oder Kupfer(II)-Oxide (z. B. Cuprit, Tenorit). Die größte jemals entdeckte Masse an elementarem Kupfer wog 420 Tonnen und wurde 1857 auf der Keweenaw-Halbinsel in Michigan, USA, ausgegraben. Natives Kupfer liegt typischerweise als Polykristall vor; Der größte dokumentierte Einkristall hatte jedoch eine Größe von 4,4 × 3,2 × 3,2 cm. Kupfer ist mit 50 ppm das 26. häufigste Element in der Erdkruste und steht im Gegensatz zu 75 ppm für Zink und 14 ppm für Blei.

Hintergrundkonzentrationen von Kupfer bleiben typischerweise unter 1 ng/m³ in der Atmosphäre, 150 mg/kg im Boden, 30 mg/kg in der Vegetation, 2 μg/L in Süßwasser und 0,5 μg/L im Meerwasser.

Produktion

Der Großteil des Kupfers wird durch Bergbau oder Gewinnung in Form von Kupfersulfiden aus ausgedehnten Tagebaubetrieben innerhalb porphyrischer Kupferlagerstätten gewonnen, die typischerweise 0,4 bis 1,0 % Kupfer enthalten. Zu den bemerkenswerten Bergbaustandorten zählen Chuquicamata in Chile, die Bingham Canyon Mine in Utah, USA, und die El Chino Mine in New Mexico, USA. Der British Geological Survey berichtete, dass Chile im Jahr 2005 die weltweite Kupferproduktion anführte und mindestens ein Drittel des weltweiten Anteils ausmachte, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Indonesien und Peru. Als weltweit größter Kupferproduzent wird Chile voraussichtlich bis 2024 70 % der Importe von raffiniertem Kupfer und Legierungen in die Vereinigten Staaten liefern. Zusammen mit Kanada (17 %) und Peru (7 %) tragen diese Länder zusammen 94 % zu den Kupferimporten der USA bei. Darüber hinaus kann Kupfer mithilfe des In-situ-Laugungsverfahrens zurückgewonnen werden. Mehrere Standorte in Arizona gelten als vielversprechende Standorte für die Implementierung dieser Wiederherstellungstechnik. Der weltweite Kupferverbrauch steigt, die verfügbare Menge reicht jedoch kaum aus, um in allen Ländern einen mit den entwickelten Ländern vergleichbaren Verbrauch zu erreichen. Polymetallische Knollen, die in Tiefen von etwa 3.000 bis 6.500 Metern unter dem Meeresspiegel im Pazifischen Ozean gefunden werden, stellen eine alternative Kupferquelle dar, deren Sammlung derzeit untersucht wird. Diese Knötchen enthalten auch andere wertvolle Metalle, darunter Kobalt und Nickel.

Reserven und Preise

Kupfer wird seit mindestens zehn Jahrtausenden genutzt, doch über 95 % des gesamten jemals geförderten und verarbeiteten Kupfers wurden seit der Wende des 20. Jahrhunderts gewonnen. Wie viele andere natürliche Ressourcen verfügt auch die Erde über eine immense Gesamtmenge an Kupfer; Ungefähr 10¹⁴ Tonnen sind im obersten Kilometer der Erdkruste vorhanden, was bei den derzeitigen Förderraten einem geschätzten Vorrat für fünf Millionen Jahre entspricht. Allerdings wird angesichts der aktuellen Marktpreise und technologischen Möglichkeiten derzeit nur ein kleiner Teil dieser umfangreichen Reserven als wirtschaftlich machbar für die Förderung angesehen. Die Prognosen für abbaubare Kupferreserven reichen von 25 bis 60 Jahren, abhängig von grundlegenden Annahmen, einschließlich zukünftiger Wachstumsraten. Auf den heutigen globalen Märkten stellt Recycling eine bedeutende Kupferquelle dar.

Die Kupferpreise unterliegen einer erheblichen Volatilität. Nach einem im Jahr 2022 beobachteten Höchststand erlebte der Rohstoffpreis einen unvorhergesehenen Rückgang. Bis Mai 2024 war der Preis an der London Metal Exchange jedoch auf ein beispielloses Hoch gestiegen und überschritt 11.000 US-Dollar pro Tonne.

Der globale Kupfermarkt gilt als einer der am umfassendsten kommerzialisierten und finanzialisierten Märkte im gesamten Rohstoffsektor, eine Eigenschaft, die er seit mehreren Jahrzehnten beibehalten hat. Zu den führenden Exporteuren von unraffiniertem Kupfer gehörten Sambia (6,95 Milliarden US-Dollar) und Chile (2,16 Milliarden US-Dollar), gefolgt von der Demokratischen Republik Kongo (1,41 Milliarden US-Dollar). Im Gegensatz dazu waren China (6,13 Milliarden US-Dollar), die Schweiz (3,15 Milliarden US-Dollar) und Indien (2,05 Milliarden US-Dollar) die Hauptimporteure von Rohkupfer.

Globale Kupfernachfrage

Für 2024 wurde eine weltweite Kupferproduktion von etwa 22,8–22,9 Millionen Tonnen prognostiziert. Die Nachfrage nach Kupfer verzeichnet einen Aufwärtstrend, vor allem getrieben durch die globale Energiewende hin zur Elektrifizierung. Allein China macht mehr als 50 % dieser weltweiten Nachfrage aus.

Kupfergewinnungsprozesse

Der überwiegende Anteil der Kupfererze besteht aus Sulfiden. Häufige Beispiele für diese Sulfiderze sind Chalkopyrit (CuFeS₂), Bornit (Cu₅FeS₄) und in geringerem Maße Covellit (CuS) und Chalkosin (Cu§6_{7§S). Diese Erze weisen typischerweise Kupferkonzentrationen unter 1 % auf. Daher ist eine Konzentration des Erzes unerlässlich, beginnend mit der Zerkleinerung und anschließender Schaumflotation. Das resultierende Konzentrat wird dann geschmolzen, ein Prozess, der durch zwei vereinfachte chemische Gleichungen erklärt werden kann:}

• Kupfersulfid wird oxidiert, wodurch Kupferoxid entsteht:

2 Cu₂S + 3 O₂ → 2 Cu§4_{5§O + 2 SO§67§}

• Beim Erhitzen reagiert Kupferoxid mit Kupfersulfid und erleichtert so dessen Umwandlung in Blasenkupfer:

2 Cu₂O + Cu₂S → 6 Cu + 2 SO§4_5§

Dieser Prozess liefert Rohkupfer, das typischerweise etwa 98 Gew.-% Kupfer enthält. Durch die anschließende Reinigung mittels Elektrolyse wird das Kupfer auf einen Reinheitsgrad von bis zu 99,99 % veredelt. Bei der elektrolytischen Raffination können geringe Mengen Silber und Gold ausfallen und einen Schlamm bilden, der zur Gewinnung dieser Edelmetalle weiterverarbeitet werden kann.

Neben Sulfiderzen stellen Oxide eine weitere wichtige Kategorie kupferhaltiger Mineralien dar. Diese Oxiderze machen etwa 15 % des weltweiten Kupferangebots aus. Der Aufbereitungsprozess für Oxide umfasst typischerweise die Extraktion mit Schwefelsäurelösungen, gefolgt von einer Elektrolyse. Parallel zu den oben genannten Methoden für konzentrierte Sulfid- und Oxiderze wird auch Kupfer aus Minenrückständen und Haufenlaugungsbetrieben zurückgewonnen. Es kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, wie z. B. das Auslaugen mit Schwefelsäure, Ammoniak und Eisenchlorid. Darüber hinaus werden auch biologische Methoden eingesetzt.

Polymetallische Knollen stellen eine potenzielle Kupferquelle dar und weisen eine geschätzte Konzentration von 1,3 % auf.

Kupferrecycling

Laut dem Bericht „Metal Stocks in Society“ des International Resource Panel liegt der weltweite Pro-Kopf-Bestand an Kupfer, der derzeit in der Gesellschaft genutzt wird, zwischen 35 und 55 kg. Ein erheblicher Teil dieses Bestands ist in stärker entwickelten Ländern konzentriert (140–300 kg pro Kopf), im Gegensatz zu geringeren Zahlen in weniger entwickelten Ländern (30–40 kg pro Kopf). Im Jahr 2001 enthielt ein Standardauto zwischen 20 und 30 kg Kupfer. Bis 2014 war der Kupfer- und Kupferlegierungsgehalt in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf 16,8 kg gesunken, stieg dann aber bis 2023 auf 24,5 kg an. Gleichzeitig enthält ein batterieelektrisches Fahrzeug typischerweise etwa 91 kg Kupfer und seine Legierungen.

Ähnlich wie Aluminium kann Kupfer unbegrenzt ohne Qualitätsverlust recycelt werden, unabhängig davon, ob es im Rohzustand oder aus Industriegütern stammt. Es wird geschätzt, dass 80 % des gesamten jemals geförderten Kupfers weiterhin im aktiven Umlauf sind. Volumenmäßig ist Kupfer nach Eisen und Aluminium das am dritthäufigsten recycelte Metall. Im Jahr 2023 macht recyceltes Kupfer etwa ein Drittel des weltweiten Bedarfs aus.

Die Methodik für das Recycling von Kupfer entspricht weitgehend derjenigen für die Primärgewinnung, erfordert jedoch weniger Verfahrensschritte. Hochreiner Kupferschrott wird in einem Ofen geschmolzen, anschließend reduziert und anschließend zu Knüppeln und Barren gegossen. Umgekehrt wird Schrott mit geringerer Reinheit geschmolzen, um schwarzes Kupfer herzustellen (70–90 % rein, enthält Verunreinigungen wie Eisen, Zink, Zinn und Nickel). Anschließend erfolgt die Oxidation dieser Verunreinigungen in einem Konverter zu Blisterkupfer (96–98 % rein), das dann durch die zuvor beschriebenen Methoden weiter veredelt wird.

Umweltauswirkungen

Die Kupfergewinnung ist ein energieintensiver Prozess. Dieser Prozess erzeugt erhebliche Abfallströme, einschließlich potenziell giftiger Stäube und Schwermetallverunreinigungen in der Nähe von Raffinerieanlagen. Da es sich bei den meisten Kupfererzen um Sulfide handelt, ist das Schmelzen ein notwendiger Schritt. Bei Schmelzvorgängen entsteht Schwefeldioxid, eine Vorstufe der atmosphärischen Schwefelsäure, sofern keine wirksamen Abscheidemechanismen implementiert sind. Ungefähr 15 % des Kupfers stammen aus minderwertigen (verdünnten) Erzkörpern. Die Verarbeitung dieser Erze umfasst typischerweise Hydrometallurgie, was saure Extraktionsmittel erfordert, die nach der elektrolytischen Abscheidung von Kupfer in den Abfallströmen verbleiben.

Legierungen

Es wurde eine breite Palette von Kupferlegierungen entwickelt, von denen viele bedeutende Anwendungen haben. Messing beispielsweise ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Während Bronze typischerweise Kupfer-Zinn-Legierungen bezeichnet, kann der Begriff auch andere Kupferlegierungen wie Aluminiumbronze umfassen. Seit Jahrhunderten werden beim Glockenguss Kupfer-Zinn-Bronzen verwendet, denen häufig verschiedene Zusatzmetalle beigemischt sind. Die Zusammensetzung der Legierung hat dabei direkten Einfluss auf die Klangqualität und die mechanischen Eigenschaften des Instruments. In der Schmuckindustrie dient Kupfer als entscheidender Bestandteil in Silber- und Karatgoldloten, wo es die Farbe, Härte und den Schmelzpunkt der resultierenden Legierungen verändert. Darüber hinaus bestehen bestimmte bleifreie Lote aus Zinn, das mit geringen Anteilen an Kupfer und anderen metallischen Elementen legiert ist.

Kupfernickel, eine Legierung aus Kupfer und Nickel, findet Anwendung bei Münzen mit niedrigem Nennwert und dient häufig als äußere Umhüllung. Die Fünf-Cent-Münze der Vereinigten Staaten, heute als Nickel bekannt, besteht aus einer homogenen Zusammensetzung aus 75 % Kupfer und 25 % Nickel. Vor der weitverbreiteten Einführung von Kupfernickel durch verschiedene Nationen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch Kupfer-Silber-Legierungen verwendet; Beispielsweise verwendeten die Vereinigten Staaten bis 1965 eine Legierung aus 90 % Silber und 10 % Kupfer. Damals wurde das umlaufende Silber von allen Münzen mit Ausnahme des halben Dollars entfernt, der zwischen 1965 und 1970 zu einer Legierung aus 40 % Silber und 60 % Kupfer abgewertet wurde Anfälligkeit für Sulfide, die gelegentlich in kontaminierten Häfen und Flussmündungen vorkommen. Kupfer-Aluminium-Legierungen (ca. 7 % Aluminium) haben einen goldenen Farbton und werden in Dekorationsartikeln verwendet. Shakudō ist eine traditionelle japanische dekorative Kupferlegierung mit einem geringen Goldanteil, typischerweise 4–10 %, die patiniert werden kann, um eine dunkelblaue oder schwarze Färbung zu erzielen.

Compounds

Kupfer weist ein vielfältiges Spektrum an Verbindungen auf, die typischerweise die Oxidationsstufen +1 und +2 annehmen, die üblicherweise als Kupfer bzw. Kupfer bezeichnet werden. Es ist bekannt, dass diese Kupferverbindungen eine Vielzahl chemischer und biologischer Prozesse fördern oder katalysieren.

Binäre Verbindungen

Ähnlich wie andere Elemente sind die einfachsten Verbindungen von Kupfer binär, das heißt, sie bestehen aus nur zwei Elementen; Hauptbeispiele sind Oxide, Sulfide und Halogenide. Es wurden sowohl Kupfer- als auch Kupferoxide identifiziert. Eine Vielzahl von Kupfersulfiden ist vor allem aufgrund ihrer Bedeutung als Erze bekannt. Zu den stöchiometrisch einfachsten Beispielen zählen Kupfer(I)-sulfid (Cu₂S) und Kupfermonosulfid (CuS).

Kupferchlorid, -bromid und -iodid sind etablierte Verbindungen, während sich Kupfer(I)-fluorid als schwer fassbar erwiesen hat. Kupferfluorid, -chlorid und -bromid sind ähnlich gut charakterisiert. Versuche zur Synthese von Kupfer(II)-iodid führen ausschließlich zur Bildung von Kupfer(I)-iodid und Jod.

2 Cu²⁺ + 4 I⁻ → 2 CuI + I§4^5§

Koordinationschemie

Kupfer bildet leicht Koordinationskomplexe mit verschiedenen Liganden. In wässrigen Lösungen liegt Kupfer(II) als Hexahydratkomplex vor, [Cu(H
§67§O)
§15_16§]²⁺
. Dieser besondere Komplex weist die schnellste Wasseraustauschrate (bezogen auf die Kinetik der Wasserligandenassoziation und -dissoziation) unter allen bekannten Übergangsmetall-Aquo-Komplexen auf. Die Zugabe von wässriger Natriumhydroxidlösung führt zur Ausfällung von festem, hellblauem Kupfer(II)-hydroxid. Eine vereinfachte Darstellung dieser Reaktion wird durch die folgende Gleichung bereitgestellt:

Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)§4^5§

Die Einführung von wässrigem Ammoniak führt ebenfalls zu diesem Niederschlag. Bei Zugabe von überschüssigem Ammoniak löst sich der Niederschlag jedoch wieder auf, was zur Bildung von Tetraamminkupfer(II) führt:

Cu(H
§67§O)
§1516§(OH)
§2425§ + 4 NH§29^{30§ → [Cu(H
§3738§O)
§4647§(NH
§5556§)
§64}65§]²⁺
+ 2 H§7879§O + 2 OH⁻

Es ist bekannt, dass zahlreiche andere Oxyanionen Komplexe bilden; Bemerkenswerte Beispiele umfassen Kupfer(II)-acetat, Kupfer(II)-nitrat und Kupfer(II)-carbonat. Kupfer(II)sulfat kristallisiert als blaues Pentahydrat, das weithin als die im Labor am häufigsten vorkommende Kupferverbindung gilt. Diese Verbindung findet Anwendung als Bestandteil der Bordeaux-Mischung, einem bekannten Fungizid.

Polyole, definiert als Verbindungen mit mehreren funktionellen Alkoholgruppen, gehen typischerweise Wechselwirkungen mit Kupfersalzen ein. Beispielsweise werden Kupfersalze in Tests zum Nachweis reduzierender Zucker eingesetzt. Genauer gesagt wird das Vorhandensein solcher Zucker durch eine deutliche Farbumwandlung von blauem Cu(II) zu rötlichem Kupfer(I)-Oxid angezeigt, wenn Benedicts Reagenz und Fehlings Lösung verwendet werden. Schweizers Reagenz besitzt zusammen mit analogen Komplexen, die Ethylendiamin und andere Amine enthalten, die Fähigkeit, Cellulose aufzulösen. Es ist bekannt, dass Aminosäuren mit Kupfer(II) außergewöhnlich stabile Chelatkomplexe bilden.

Organokupfer-Chemie

Organische Kupferverbindungen werden als chemische Spezies definiert, die durch das Vorhandensein einer direkten Kohlenstoff-Kupfer-Bindung gekennzeichnet sind. Diese Verbindungen weisen eine erhebliche Reaktivität mit Sauerstoff auf, was zur Bildung von Kupfer(I)-oxid führt, und werden in verschiedenen chemischen Anwendungen umfassend genutzt. Ihre Synthese umfasst typischerweise die Reaktion von Kupfer(I)-Verbindungen mit Grignard-Reagenzien, terminalen Alkinen oder Organolithium-Reagenzien; Bemerkenswerterweise liefert die letztere Methode ein Gilman-Reagenz. Organische Kupferverbindungen sind in der Lage, Substitutionsreaktionen mit Alkylhalogeniden einzugehen und dabei Kupplungsprodukte zu erzeugen, was ihre Bedeutung in der organischen Synthese unterstreicht. Während Kupfer(I)acetylid besonders stoßempfindlich ist, dient es als entscheidendes Zwischenprodukt in Reaktionen wie der Cadiot-Chodkiewicz-Kupplung und der Sonogashira-Kupplung. Darüber hinaus erleichtern Organokupferverbindungen die konjugierte Addition an Enone und die Carbokuprierung von Alkinen. Es ist auch bekannt, dass Kupfer(I) verschiedene schwache Komplexe mit Alkenen und Kohlenmonoxid bildet, insbesondere wenn Aminliganden vorhanden sind.

Kupfer(III) und Kupfer(IV)

Kupfer(III) wird überwiegend in Oxidverbindungen beobachtet. Ein einfaches Beispiel ist Kaliumcuprat, KCuO₂, das als blauschwarzer Feststoff vorliegt. Die Cuprat-Supraleiter stellen die am gründlichsten untersuchte Klasse von Kupfer(III)-Verbindungen dar. Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBa₂Cu§45§O₇) enthält sowohl Cu(II)- als auch Cu(III)-Zentren in seiner Struktur. Ähnlich wie Oxid fungiert Fluorid als hochbasisches Anion und ist bekannt für seine Fähigkeit, Metallionen in erhöhten Oxidationsstufen zu stabilisieren. Folglich wurden sowohl Kupfer(III)- als auch Kupfer(IV)-Fluoride identifiziert, beispielhaft dargestellt durch K§89§CuF§10_{11§ bzw. Cs§1213§CuF§1415§.}

Bestimmte Kupferproteine ​​erzeugen Oxokomplexe, die in gründlich untersuchten synthetischen Analogsystemen Kupfer(III) aufweisen. In Gegenwart von Tetrapeptiden erreichen violette Kupfer(III)-Komplexe eine Stabilisierung durch deprotonierte Amidliganden.

Kupfer(III)-Komplexe fungieren außerdem als Zwischenprodukte bei Reaktionen mit Organokupferverbindungen, wie der Kharasch-Sosnovsky-Reaktion.

Biologische Rolle

Biochemie

Die biologische Bedeutung von Kupfer entstand zeitgleich mit dem Aufkommen von Sauerstoff in der Erdatmosphäre. Kupferproteine ​​erfüllen verschiedene Funktionen beim biologischen Elektronentransport und der Sauerstoffabgabe, Prozesse, die die einfache gegenseitige Umwandlung zwischen den Oxidationsstufen Cu(I) und Cu(II) nutzen. Kupfer ist für die aeroben Atmungsprozesse aller eukaryontischen Organismen unverzichtbar. In den Mitochondrien ist Kupfer ein Bestandteil der Cytochrom-C-Oxidase, dem terminalen Protein im oxidativen Phosphorylierungsweg, der für die ATP-Synthese verantwortlich ist. Während der Elektronenübertragung auf Sauerstoff werden die Kupferatome in diesem Enzym abwechselnd reduziert und oxidiert. Darüber hinaus ist Kupfer in zahlreichen Superoxiddismutasen enthalten, bei denen es sich um Enzyme handelt, die die Zersetzung von Superoxiden durch Disproportionierung katalysieren, wodurch Sauerstoff und Wasserstoffperoxid entstehen:

• Cu²⁺-SOD + O₂⁻ → Cu⁺-SOD + O§8_{9§ (Reduktion von Kupfer; Oxidation von Superoxid)}
• Cu⁺-SOD + O₂⁻ + 2H⁺ → Cu²⁺-SOD + H§10_{11§O§1213§ (Oxidation von Kupfer; Reduktion von Superoxid)}

Hämocyanin, ein Protein, fungiert in den meisten Mollusken und bestimmten Arthropoden, einschließlich der Pfeilschwanzkrebse (Limulus polyphemus), als Sauerstofftransportmolekül. Die charakteristische Blaufärbung von Hämocyanin führt dazu, dass diese Organismen blaues Blut besitzen, das im Gegensatz zum roten Blut steht, das mit eisenhaltigem Hämoglobin verbunden ist. Laccasen und Tyrosinasen weisen strukturelle Ähnlichkeiten mit Hämocyanin auf; Anstatt jedoch reversibel Sauerstoff zu binden, katalysieren diese Proteine ​​die Hydroxylierung von Substraten, was durch ihre Beteiligung an der Lacksynthese veranschaulicht wird.

Bestimmte Kupferproteine, insbesondere die „blauen Kupferproteine“, interagieren nicht direkt mit Substraten und werden daher nicht als Enzyme klassifiziert. Diese Proteine ​​erleichtern die Elektronenweiterleitung durch den Mechanismus des Elektronentransfers. In der Lachgasreduktase wurde ein charakteristisches vierkerniges Kupferzentrum identifiziert.

Die Kupferkonzentrationen werden sowohl in prokaryontischen als auch in eukaryontischen Zellen sorgfältig reguliert, um wesentliche physiologische Funktionen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Ansammlung toxischer Substanzen zu verhindern.

Ernährung

Kupfer stellt ein unverzichtbares Spurenelement für Pflanzen und Tiere dar, seine essentielle Bedeutung erstreckt sich jedoch nicht auf alle Mikroorganismen. Der menschliche Organismus enthält typischerweise Kupferkonzentrationen von etwa 1,4 bis 2,1 mg pro Kilogramm Körpermasse.

Absorption und Regulierung

Nach der Aufnahme im Darm wird Kupfer zur Leber transportiert, während es an Albumin gebunden ist. Die anschließende Verarbeitung in der Leber erleichtert die Verteilung von Kupfer auf andere Gewebe während einer Sekundärphase, hauptsächlich vermittelt durch das Protein Coeruloplasmin, das den Großteil des zirkulierenden Kupfers im Blutkreislauf transportiert. Ceruloplasmin transportiert auch Kupfer, das zur Ausscheidung in die Milch bestimmt ist, und diese Form wird als Kupferquelle aus der Nahrung besonders gut absorbiert. Im Körper durchläuft Kupfer typischerweise einen enterohepatischen Kreislauf, bei dem etwa 5 mg pro Tag anfallen, im Gegensatz zu etwa 1 mg pro Tag, die über die Nahrung aufgenommen und anschließend ausgeschieden werden. Der Organismus verfügt über Mechanismen, um überschüssiges Kupfer bei Bedarf über die Galle auszuscheiden, die einen Teil des Leberkupfers transportiert, der anschließend nicht vom Darm wieder resorbiert wird.

Die Konzentrationen und Transportmechanismen von Kupfer unterliegen einer strengen regulatorischen Kontrolle. Mindestens zwei unterschiedliche kupferspezifische Chaperone wurden erfolgreich isoliert.

Ernährungsempfehlungen

Im Jahr 2001 überarbeitete das U.S. Institute of Medicine den geschätzten durchschnittlichen Bedarf (EARs) und die empfohlene Nahrungsdosis (RDAs) für Kupfer. Wenn unzureichende Daten die Festlegung von EARs und RDAs ausschließen, wird eine Schätzung der angemessenen Aufnahme (AI) verwendet. Die AIs für Kupfer werden mit 200 μg für Säuglinge im Alter von 0–6 Monaten (beide Geschlechter) und 220 μg für Säuglinge im Alter von 7–12 Monaten (beide Geschlechter) angegeben. Für beide Geschlechter betragen die RDAs für Kupfer: 340 μg für Personen im Alter von 1–3 Jahren, 440 μg für Personen im Alter von 4–8 Jahren, 700 μg für Personen im Alter von 9–13 Jahren, 890 μg für Personen im Alter von 14–18 Jahren und 900 μg für Personen im Alter von 19 Jahren und älter. Während der Schwangerschaft liegt die Empfehlung bei 1.000 µg, in der Stillzeit bei 1.300 µg. Was die Sicherheit betrifft, legt das Institute of Medicine auch tolerierbare obere Aufnahmemengen (ULs) für Vitamine und Mineralstoffe fest, sofern ausreichende Beweise vorliegen. Für Kupfer ist der UL auf 10 mg/Tag festgelegt. Zusammengenommen werden EARs, RDAs, AIs und ULs als Referenzwerte für die Nahrungsaufnahme bezeichnet.

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bezeichnet diesen umfassenden Satz von Ernährungsrichtlinien als Referenzwerte für die Ernährung und verwendet dabei die Population Reference Intake (PRI) anstelle von RDA und den durchschnittlichen Bedarf anstelle von EAR. Die Definitionen für „Adequate Intake“ (AI) und „Tolerable Upper Intake Level“ (UL) stimmen mit denen in den Vereinigten Staaten überein. Für Erwachsene ab 18 Jahren liegen die AIs bei 1,3 mg/Tag für Frauen und 1,6 mg/Tag für Männer. Während der Schwangerschaft und Stillzeit beträgt der AI 1,5 mg/Tag. Bei pädiatrischen Bevölkerungsgruppen im Alter von 1–17 Jahren nehmen die AIs mit zunehmendem Alter zunehmend zu und liegen zwischen 0,7 und 1,3 mg/Tag. Bemerkenswert ist, dass diese europäischen AIs die entsprechenden US-RDAs übertreffen. Die EFSA bewertete auch die Sicherheitsparameter und bestimmte ihren UL auf 5 mg/Tag, was der Hälfte des von den Vereinigten Staaten festgelegten Wertes entspricht.

Im Zusammenhang mit der Kennzeichnung von Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln in den USA wird die Menge eines Nährstoffs pro Portion als Prozentsatz des Tageswerts (%DV) angegeben. Im Jahr 2019 wurde der Richtwert für 100 % des Tageswertes für Kupfer auf 0,9 mg angepasst und damit an die empfohlene Tagesdosis (RDA) angeglichen.

Mangel

Aufgrund seiner integralen Rolle bei der Erleichterung der Eisenabsorption kann sich ein Mangel an Kupfer in anämieähnlichen Symptomen, Neutropenie, Skelettanomalien, Hypopigmentierung, beeinträchtigtem Wachstum, erhöhter Anfälligkeit für Infektionen, Osteoporose, Hyperthyreose und Fehlregulation des Glukose- und Cholesterinstoffwechsels äußern. Im Gegensatz dazu stellt die Wilson-Krankheit eine genetische Erkrankung dar, die durch eine pathologische Ansammlung von Kupfer im Körpergewebe gekennzeichnet ist.

Für europäische Kaninchen gilt eine Mindestkupferkonzentration in der Nahrung von 3 ppm als wesentlich für eine gesunde Entwicklung. Dennoch hat sich gezeigt, dass erhöhte Kupferwerte in der Nahrung, insbesondere 100 ppm, 200 ppm oder 500 ppm, die Effizienz der Futterverwertung, die Wachstumsraten und den Anteil der Schlachtkörperbeize bei diesen Tieren positiv beeinflussen.

Ein schwerer Kupfermangel ist durch diagnostische Tests erkennbar, die verminderte Plasma- oder Serumkupferkonzentrationen, verringerte Coeruloplasminspiegel und eine verminderte Superoxiddismutaseaktivität der roten Blutkörperchen aufdecken; Diesen Markern fehlt jedoch die Sensitivität für die Erkennung eines geringfügigen Kupferstatus. Während die „Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität von Leukozyten und Blutplättchen“ als zusätzlicher Indikator für einen Mangel vorgeschlagen wurde, wurde ihr diagnostischer Nutzen durch unabhängige Replikationsstudien noch nicht bestätigt.

Toxizität

Chronische Kupfertoxizität wird beim Menschen aufgrund effizienter physiologischer Transportsysteme, die die Absorption und Ausscheidung sorgfältig regulieren, normalerweise nicht beobachtet. Folglich ist eine Kupferretention nicht zu erwarten, wenn die tägliche Aufnahmemenge bei 5 mg gehalten wird.

Untersuchungen haben einen Zusammenhang zwischen der Regulierung des systemischen Kupferspiegels und der Pathogenese mehrerer neurologischer Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Krankheit, festgestellt. Diese Studien deuten darauf hin, dass das zugrunde liegende Problem eher eine altersbedingte Beeinträchtigung intrinsischer Regulierungsmechanismen als eine direkt durch Exposition verursachte Toxizität ist.

Eine akute Kupfertoxizität beim Menschen, die zu irreversiblem Leberversagen führt, wurde nach der Einnahme von Grammmengen verschiedener Kupfersalze bei Selbstmordversuchen dokumentiert. Darüber hinaus können autosomal-rezessive Mutationen, die Kupfertransportproteine beeinflussen, zu einer regulatorischen Dysfunktion führen, die sich als Morbus Wilson manifestiert und durch Kupferanreicherung, Leberzirrhose und psychiatrische Manifestationen gekennzeichnet ist.

Bioleaching

Bioleaching-Systeme im industriellen Maßstab nutzen Bakterien zur Kupferextraktion. Bei diesem Verfahren sickern mikrobielle Lösungen durch zerkleinertes Erz und erleichtern so die Umwandlung von unlöslichen Kupfersulfiden in lösliche Kupfersulfate. Anschließend wird aus der resultierenden Lösung durch elektrolytische Gewinnung hochreines Kupfer gewonnen.

Menschliche Exposition

In den Vereinigten Staaten hat die Arbeitsschutzbehörde (OSHA) einen zulässigen Expositionsgrenzwert (PEL) für Kupferstaub am Arbeitsplatz bei einem zeitgewichteten Durchschnitt (TWA) von 1 mg/m³ und für Kupferdämpfe bei 0,1 mg/m³ festgelegt. Gleichzeitig empfiehlt das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) einen Expositionsgrenzwert (REL) von 1 mg/m§45§, ebenfalls als zeitgewichteter Durchschnitt. Die als unmittelbar lebens- und gesundheitsgefährdende Konzentration (IDLH) beträgt 100 mg/m§67§. Bemerkenswert ist, dass Kupfer auch als Bestandteil von Tabakrauch vorhanden ist.

Verlauf

Prähistorische Ära

Kupferzeitalter

Natürlich vorkommendes metallisches Kupfer wurde von einigen der frühesten dokumentierten Zivilisationen erkannt und genutzt. Die früheste bekannte Verwendung von einheimischem Kupfer geht auf das Jahr 9000 v. Chr. im Nahen Osten zurück, wobei ein im Nordirak entdeckter Anhänger ausdrücklich auf 8700 v. Chr. datiert wird. Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass vor Kupfer Gold und meteorisches Eisen (aber nicht geschmolzenes Eisen) die einzigen Metalle waren, die von Menschen verwendet wurden. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass die Entwicklung der Kupfermetallurgie verschiedene Phasen durchlief: zunächst die Kaltumformung von nativem Kupfer, gefolgt vom Glühen, dann dem Schmelzen und schließlich dem Gießen. Die ältesten archäologischen Beweise für das Schmelzen oder Heißmetallurgie in Eurasien stammen vom Balkan und den Karpaten, wo durch Gießen und Schmelzen hergestellte Kupferartefakte auf etwa 6.200 bis 5.000 v. Chr. datiert werden, was das Aufkommen der Kupfermetallurgie markiert.

Im Old Copper Complex von Michigan und Wisconsin wird die Herstellung kaltverformter, nicht geschmolzener Kupferartefakte auf die Zeit zwischen 6500 und 3000 v. Chr. datiert, einschließlich einer Kupferspeerspitze, die in Wisconsin aus dem Jahr 6500 v. Chr. entdeckt wurde. Radiometrische Datierungen weisen darauf hin, dass die indigene Bevölkerung des Old Copper Complex in der nordamerikanischen Region der Großen Seen bereits 7500 v. Chr. Kupfer nutzte. Es ist auch plausibel, dass diese indigenen Gemeinschaften in dieser Zeit Kupferbergbau betrieben, was möglicherweise einen der frühesten Fälle der Kupfergewinnung weltweit darstellt. Weitere Beweise, die aus prähistorischen Bleiverschmutzungen in Michigan-Seen stammen, deuten darauf hin, dass die Bewohner der Region um ca. 6000 v. Chr. mit dem Kupferabbau begannen. Während der Bronzezeit scheint es im Altkupferkomplex Nordamerikas zu einem Rückgang der Verwendung von Gebrauchsgegenständen aus Kupfer gekommen zu sein, begleitet von einem erkennbaren Übergang hin zur verstärkten Herstellung von Ziergegenständen aus Kupfer.

Der früheste dokumentierte Fall von Kupferguss im Wachsausschmelzverfahren stammt von einem Amulett, das in Mehrgarh, Pakistan, entdeckt wurde und auf das Jahr 4000 v. Chr. datiert wird. Der Feinguss selbst entstand zwischen 4500 und 4000 v. Chr. in Südostasien. Der Schmelzprozess wurde wahrscheinlich unabhängig voneinander in verschiedenen Regionen entwickelt: in China vor 2800 v. Chr., in Mittelamerika um 600 n. Chr. und in Westafrika im 9. oder 10. Jahrhundert n. Chr. Die Radiokarbondatierung hat Bergbauaktivitäten in Alderley Edge in Cheshire, Großbritannien, bestätigt, die zwischen 2280 und 1890 v. Chr. stattfanden.

Ötzi, der Mann aus dem Eis, dessen Überreste auf 3300–3200 v. Chr. datiert werden, besaß eine Axt mit einem Kupferkopf von 99,7 % Reinheit. Erhöhte Arsenkonzentrationen in seinem Haar deuten darauf hin, dass er wahrscheinlich an Kupferschmelzprozessen beteiligt war. Die aus der Arbeit mit Kupfer gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten Fortschritte bei der Verarbeitung anderer Metalle; Insbesondere geht man davon aus, dass die Kupferverhüttung ein Vorläufer der Entdeckung der Eisenverhüttung war.

Die Bronzezeit

Natürliche Bronze, eine Variante von Kupfer, die aus Erzen gewonnen wird, die reich an Silizium, Arsen und gelegentlich Zinn sind, wurde auf dem Balkan etwa 5500 v. Chr. in großem Umfang verwendet. Das bewusste Legieren von Kupfer mit Zinn zur Herstellung von Bronze begann etwa 4.000 Jahre nach der ersten Entdeckung der Kupferverhüttung und etwa 2.000 Jahre nach der weit verbreiteten Einführung von „natürlicher Bronze“. Von der Vinča-Kultur aus Bronze gefertigte Artefakte werden auf 4500 v. Chr. datiert. Sumerische und ägyptische Artefakte aus Kupfer- und Bronzelegierungen werden ebenfalls auf 3000 v. Chr. datiert. Ägyptisches Blau, chemisch bekannt als Cuprorivait (Kalziumkupfersilikat), ist ein synthetisches kupferhaltiges Pigment, dessen Verwendung im alten Ägypten um 3250 v. Chr. begann. Während die Römer mit dem Herstellungsverfahren vertraut waren, wurde ägyptisches Blau im 4. Jahrhundert n. Chr. nicht mehr verwendet, was zum Verlust seiner Produktionskenntnisse führte. Der römische Architekt Vitruv dokumentierte im ersten Jahrhundert v. Chr., dass dieses blaue Pigment aus Kupfermineralien oder Bronze, Kalk und einem Flussmittel wie Natron hergestellt wurde; Dieses grundlegende Rezept wurde seitdem durch moderne Forschung bestätigt.

Die Bronzezeit begann in Südosteuropa zwischen etwa 3700 und 3300 v. Chr. und in Nordwesteuropa um 2500 v. Chr. Ihr Ende fiel mit dem Beginn der Eisenzeit zusammen, die zwischen 2000 und 1000 v. Chr. im Nahen Osten und 600 v. Chr. in Nordeuropa stattfand. Historisch gesehen wurde die Übergangsphase zwischen der Jungsteinzeit und der Bronzezeit als Chalkolithikum (Kupferstein) bezeichnet, das durch das Nebeneinander von Kupfer- und Steinwerkzeugen gekennzeichnet ist. Diese Nomenklatur hat zunehmend an Beliebtheit verloren, da in bestimmten Regionen der Welt das Chalkolithikum und das Neolithikum überlappende zeitliche Grenzen aufweisen. Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink, hat einen deutlich jüngeren historischen Ursprung. Obwohl es den Griechen bekannt war, entwickelte sich Messing während der Ära des Römischen Reiches zu einer bemerkenswerten Ergänzung zu Bronze.

Antike und postklassische Perioden

Im antiken Griechenland wurde Kupfer durch die Bezeichnung Chalkos (χαλκός) identifiziert. Dieses Metall war eine lebenswichtige Ressource für die Römer, Griechen und andere antike Zivilisationen. Während der Römerzeit wurde es als aes Cyprium bezeichnet, wobei aes als allgemeine lateinische Bezeichnung für Kupferlegierungen diente und Cyprium seinen Ursprung in Zypern, einer bedeutenden Kupferbergbauregion, angibt. Dieser Ausdruck wurde später zu cuprum abgekürzt, wovon sich der englische Begriff copper ableitet. In der Mythologie und Alchemie symbolisierte Aphrodite (in Rom als Venus bekannt) Kupfer, was auf die inhärente glänzende Schönheit des Metalls und seine historische Verwendung in der Spiegelherstellung zurückgeführt wird; Zypern, eine Hauptquelle für Kupfer, galt dieser Göttin als heilig. Die sieben von den alten Kulturen anerkannten Himmelskörper wurden mit den sieben in der Antike bekannten Metallen in Verbindung gebracht. Venus wurde speziell mit Kupfer in Verbindung gebracht, eine Verbindung, die sowohl auf ihre Verbindung zur Göttin zurückzuführen ist als auch darauf, dass Venus das hellste Himmelsobjekt nach Sonne und Mond ist und somit nach Gold und Silber dem glänzendsten und begehrtesten Metall entspricht.

Unter den indigenen Völkern Nordamerikas war Kupfer das am häufigsten verwendete Metall, wobei archäologische Beweise darauf hinweisen, dass seine Verwendung 7000 Jahre zurückreicht. In der Zeit von 800 bis 1600 n. Chr. wurde nachweislich einheimisches Kupfer an Orten auf der Isle Royale mit rudimentären Steinwerkzeugen abgebaut. Kupfer, das wahrscheinlich aus reinen Nuggets stammt, die in der Region der Großen Seen entdeckt wurden, wurde zwischen etwa 1000 und 1300 n. Chr. in der nordamerikanischen Stadt Cahokia (in der Nähe des heutigen Missouri) durch wiederholtes Hämmern und Glühen verarbeitet. In der Nähe von Cahokia wurden in Nordamerika zahlreiche exquisite Kupferplatten ausgegraben, die zusammenfassend als Mississippi-Kupferplatten bezeichnet werden und ebenfalls aus der Zeit zwischen 1000 und 1300 n. Chr. stammen.

In Südamerika stellt eine in den argentinischen Anden entdeckte Kupfermaske aus dem Jahr 1000 v. Chr. das älteste bekannte Kupferartefakt dar, das in der Andenregion gefunden wurde. Während Peru traditionell als Hauptstandort für die frühe Kupfermetallurgie im präkolumbianischen Amerika gilt, deutet die argentinische Maske darauf hin, dass der Cajón del Maipo in den südlichen Anden ein weiteres bedeutendes Zentrum für die anfängliche Kupferverarbeitung auf dem Kontinent darstellte. Die peruanische Kupfermetallurgie ist seit etwa 500 v. Chr. dokumentiert. Die groß angelegte Produktion begann um 900 n. Chr., was mit der Entstehung der Sican-Kultur im Norden Perus zusammenfiel. Diese Produktion blieb auch bei späteren Eroberungen durch die Chimor- und Inka-Kultur bestehen und endete schließlich mit der spanischen Eroberung im Jahr 1532.

In ganz Subsahara-Afrika hatte Kupfer von der Errichtung der ersten Minen um 2000 v. Chr. in Agades bis zum frühen 19. Jahrhundert einen höheren wahrgenommenen Wert und ein höheres Prestige als Gold oder Silber. Kupfer wurde auf dem gesamten Kontinent in großem Umfang gehandelt und erfüllte verschiedene religiöse, politische und soziale Funktionen. Umgekehrt wurden einheimische Goldvorkommen bis zum Aufkommen des Kontakts mit portugiesischen und arabischen Händlern weitgehend außer Acht gelassen.

Kupfer hat eine bedeutende kulturelle Rolle gespielt, insbesondere in Währungssystemen. Im 6. bis 3. Jahrhundert v. Chr. verwendeten die Römer Kupferklumpen als Zahlungsmittel. Anfangs stand der innere Wert des Kupfers im Vordergrund, doch im Laufe der Zeit wurden die Form und die Ästhetik des Kupfers immer wichtiger. Julius Cäsar gab Münzen aus Messing in Auftrag, während die Münzen von Octavianus Augustus Cäsar aus Cu-Pb-Sn-Legierungen hergestellt wurden. Der römische Kupferbergbau und die Kupferverhüttung erreichten mit einer geschätzten Jahresproduktion von etwa 15.000 Tonnen ein beispielloses Ausmaß, ein Niveau, das bis zur Industriellen Revolution nicht übertroffen wurde. Zu den am intensivsten ausgebeuteten Provinzen gehörten Hispanien, Zypern und Regionen in Mitteleuropa.

Die Tore des Tempels von Jerusalem wurden aus korinthischer Bronze, einer Legierung aus Kupfer, Silber und Gold, gebaut. Dieses Material wurde einer Vergoldung unterzogen, einem Prozess, bei dem oxidiertes Kupfer nacheinander entfernt wird, um eine goldfarbene Oberflächenschicht zu erzeugen. Diese Technik war besonders in Alexandria verbreitet, einer Stadt, in der die Alchemie vermutlich ihren Ursprung hat, inspiriert durch chemische Behandlungen, die ihr ein goldenes Aussehen verliehen.

Modern

Der Große Kupferberg, eine Mine in Falun, Schweden, war vom 10. Jahrhundert bis 1992 in Betrieb. Im 17. Jahrhundert deckte er zwei Drittel des europäischen Kupferbedarfs und stellte in dieser Zeit erhebliche Mittel für zahlreiche schwedische Militärkampagnen bereit. Es galt daher als die Staatskasse des Landes und bildete die Grundlage für Schwedens kupfergestütztes Währungssystem.

Kupfer findet Anwendung in Dachdeckern, Währungen und fotografischen Technologien wie der Daguerreotypie. Historisch gesehen wurde Kupfer in der Renaissance-Skulptur und für den Bau der Freiheitsstatue verwendet; Seine Verwendung in verschiedenen Bauformen dauert bis heute an. Kupferbeschichtungen und -ummantelungen wurden in großem Umfang zum Schutz der Unterwasserrümpfe von Schiffen eingesetzt, eine Methode, die im 18. Jahrhundert von der britischen Admiralität entwickelt wurde. Die 1876 gegründete Norddeutsche Affinerie in Hamburg war die erste moderne Galvanikanlage.

Während der Zeit der steigenden Kupfernachfrage im Zeitalter der Elektrizität, von den 1880er Jahren bis zur Weltwirtschaftskrise in den 1930er Jahren, waren die Vereinigten Staaten für die Produktion von zwischen einem Drittel und der Hälfte des weltweit neu geförderten Kupfers verantwortlich. Zu den wichtigsten Bergbauregionen gehörte der Distrikt Keweenaw im Norden Michigans, der vor allem für seine einheimischen Kupfervorkommen bekannt war, der später in den späten 1880er Jahren von den ausgedehnten Sulfidvorkommen in Butte, Montana, in den Schatten gestellt wurde. Butte wiederum wurde von den Porphyrvorkommen im Südwesten der Vereinigten Staaten übertroffen, insbesondere im Bingham Canyon (Utah) und Morenci (Arizona). Die Einführung des Dampfschaufelabbaus im Tagebau und Fortschritte bei der Verhüttung, Raffinierung, Flotationskonzentration und anderen Verarbeitungstechniken erleichterten die Massenproduktion. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatte Arizona die führende Position in der Kupferproduktion inne, gefolgt von Montana, Utah und Michigan.

Flash Smelting, ein energieeffizientes Verfahren, wurde von Outokumpu in Finnland entwickelt und erstmals 1949 in Harjavalta eingeführt. Diese Methode macht derzeit 50 % der weltweiten Primärkupferproduktion aus.

Der Zwischenstaatliche Rat der Kupfer exportierenden Länder wurde 1967 von Chile, Peru, Zaire und anderen Ländern gegründet Sambia zielte darauf ab, den Kupfermarkt ähnlich zu beeinflussen wie die OPEC beim Öl. Allerdings erlangte es nie einen vergleichbaren Einfluss, vor allem weil die USA als zweitgrößter Produzent nicht Mitglied waren. Der Rat wurde 1988 aufgelöst. Bis 2008 war China zum weltweit größten Kupferimporteur geworden.

Anwendungen

Die Hauptanwendungen von Kupfer umfassen elektrische Leitungen (60 %), Dach- und Sanitärsysteme (20 %) sowie Industrieanlagen (15 %). Während Kupfer überwiegend als reines Metall verwendet wird, wird es mit Substanzen wie Messing und Bronze legiert (die 5 % seiner Gesamtverwendung ausmachen), wenn eine erhöhte Härte erforderlich ist. Seit über zwei Jahrhunderten werden kupferbasierte Farben auf Bootsrümpfe aufgetragen, um die Ausbreitung der Meeresflora und -fauna zu verhindern. Ein geringer Teil des Kupferangebots wird für landwirtschaftliche Zwecke verwendet, insbesondere als Nahrungsergänzungsmittel und Fungizide. Die inhärente Duktilität, geringe Festigkeit und erhebliche Reibung zwischen Kupferspänen und Schneidwerkzeugen erschweren die Bearbeitung von reinem Kupfer, wodurch Legierungen besser für Prozesse geeignet sind, die eine gute Bearbeitbarkeit erfordern. Kochgeschirr aus Kupfer kann mit sauren oder alkalischen Lebensmitteln interagieren und ihnen einen metallischen Geschmack verleihen, es erweist sich jedoch als wirksam zum Belüften von Eiweiß.

Draht- und Kabelanwendungen

Ungeachtet der Verfügbarkeit alternativer Materialien bleibt Kupfer in den meisten Kategorien elektrischer Leitungen der bevorzugte elektrische Leiter, mit Ausnahme der elektrischen Stromübertragung über Freileitungen, wo häufig Aluminium verwendet wird. Kupferdraht findet umfangreiche Anwendung in der Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung sowie in der Telekommunikation, in elektronischen Schaltkreisen und einer Vielzahl elektrischer Geräte. Der Elektrokabelsektor stellt den bedeutendsten Markt für die Kupferindustrie dar und umfasst strukturelle Stromkabel, Stromverteilungskabel, Gerätekabel, Kommunikationskabel, Automobilkabel und Magnetdrähte. Ungefähr fünfzig Prozent des gesamten abgebauten Kupfers werden für die Produktion von elektrischen Drähten und Kabelleitern verwendet. Zahlreiche elektrische Geräte verwenden Kupferkabel aufgrund ihrer vielfältigen vorteilhaften Eigenschaften, darunter außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, hohe Zugfestigkeit, Duktilität, Beständigkeit gegen Kriechverformung, Korrosionsbeständigkeit, minimale Wärmeausdehnung, hervorragende Wärmeleitfähigkeit sowie einfache Löt- und Installationsmöglichkeiten.

Während einer kurzen Zeitspanne von Ende der 1960er bis Ende der 1970er Jahre ersetzten Aluminiumkabel die Kupferkabel bei zahlreichen Wohnungsbauprojekten in ganz Amerika; Unzureichende Konstruktionspraktiken führten jedoch zu Brandrisiken. Spätere Sicherheitsbedenken wurden durch die Einführung größerer Aluminiumdrähte (#8 AWG und höher) entschärft, und entsprechend konstruierte Aluminiumdrähte werden weiterhin als Alternative zu Kupfer eingesetzt. Beispielsweise verwendet das Flugzeug Airbus A380 Aluminiumdraht zur elektrischen Energieübertragung anstelle von Kupfer.

Elektronik und zugehörige Geräte

Integrierte Schaltkreise und Leiterplatten enthalten zunehmend Kupfer anstelle von Aluminium, vor allem aufgrund der überlegenen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer. Auch Kühlkörper und Wärmetauscher verwenden Kupfer aufgrund seiner außergewöhnlichen Wärmeableitungseigenschaften. Kupfer ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Konstruktion von Elektromagneten, Vakuumröhren, Kathodenstrahlröhren und Magnetrons in Mikrowellenöfen sowie von Wellenleitern für Mikrowellenstrahlung.

Elektromotoren

Die verbesserte Leitfähigkeit von Kupfer verbessert die Betriebseffizienz von Elektromotoren erheblich. Diese Eigenschaft ist von entscheidender Bedeutung, da Motoren und motorbetriebene Systeme zusammen zwischen 43 % und 46 % des weltweiten Stroms und 69 % des Industriestroms verbrauchen. Die Vergrößerung der Masse und der Querschnittsfläche von Kupfer in einer Motorspule steht in direktem Zusammenhang mit einer höheren Motoreffizienz. Motorrotoren aus Kupfer stellen einen neuartigen technologischen Fortschritt dar, der auf Motoranwendungen zugeschnitten ist, bei denen Energieeinsparung im Vordergrund steht, und ermöglichen es Allzweck-Induktionsmotoren, die von der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) festgelegten Premium-Effizienzstandards zu erreichen und zu übertreffen.

Architektonische Anwendungen

Kupfer dient seit der Antike als robustes, korrosionsbeständiges und witterungsbeständiges Material in architektonischen Kontexten. Seit Jahrtausenden wird Kupfer beim Bau von Dächern, Dachblechen, Regenrinnen, Fallrohren, Kuppeln, Türmen, Gewölben und Türen verwendet. In der zeitgenössischen Architektur haben sich die Einsatzmöglichkeiten von Kupfer auf Wandverkleidungen im Innen- und Außenbereich, Gebäudedehnungsfugen, Hochfrequenzabschirmung sowie antimikrobielle oder dekorative Innenelemente wie Handläufe, Badezimmerarmaturen und Arbeitsplatten ausgeweitet. Weitere wesentliche Vorteile von Kupfer als Architekturmaterial sind seine minimale thermische Bewegung, sein geringes Gewicht, seine Fähigkeit zum Blitzschutz und seine inhärente Recyclingfähigkeit.

Die charakteristische grüne Patina von Kupfer wird seit jeher von Architekten und Designern sehr geschätzt. Diese ultimative Patina bildet eine bemerkenswert haltbare Schicht, die eine erhebliche Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion bietet und so das darunter liegende Metall vor weiterem Zerfall schützt. Seine Zusammensetzung kann variieren und besteht aus einer Mischung aus Karbonat- und Sulfatverbindungen, wobei die Anteile durch Umweltfaktoren wie schwefelhaltigen sauren Regen beeinflusst werden. Darüber hinaus können Architekturkupfer und seine Legierungen verschiedenen Veredelungsprozessen unterzogen werden, um bestimmte ästhetische Qualitäten, Texturen oder Farbtöne zu erzielen, einschließlich mechanischer Oberflächenbehandlungen, chemischer Färbung und Schutzbeschichtungen.

Kupfer weist hervorragende Eigenschaften beim Hartlöten und Weichlöten auf und ist auch zum Schweißen geeignet, wobei das Metallschutzgasschweißen optimale Ergebnisse liefert.

Antibiofouling-Eigenschaften

Kupfer besitzt biostatische Eigenschaften und hemmt die Vermehrung von Bakterien und zahlreichen anderen Lebensformen auf seiner Oberfläche. Daher wurde es in der Vergangenheit zur Auskleidung von Schiffskomponenten eingesetzt und bot Schutz vor Seepocken und Muscheln. Zunächst wurde zu diesem Zweck reines Kupfer verwendet, das jedoch inzwischen weitgehend durch Muntz-Metall- und Kupferfarben ersetzt wurde. Analog dazu haben Kupferlegierungen als Netzmaterialien im Aquakultursektor aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirksamkeit, der Verhinderung von Biofouling auch unter schwierigen Bedingungen und ihrer robusten strukturellen und korrosionsbeständigen Eigenschaften in Meeresumgebungen an Bedeutung gewonnen.

Antimikrobielle Wirksamkeit

Berührungsoberflächen aus Kupferlegierungen verfügen von Natur aus über Eigenschaften, die in der Lage sind, ein breites Spektrum an Mikroorganismen, einschließlich E. Coli O157:H7, Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA), Staphylococcus, Clostridium difficile, Influenza-A-Virus, Adenovirus, SARS-CoV-2 und verschiedene Pilze. Bestimmte Kupferlegierungen haben gezeigt, dass sie bei regelmäßiger Reinigung über 99,9 % der pathogenen Bakterien innerhalb von zwei Stunden beseitigen können. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat die Registrierung dieser Kupferlegierungen als „antimikrobielle Materialien mit Nutzen für die öffentliche Gesundheit“ genehmigt und ermöglicht es Herstellern damit, die Vorteile von Produkten, die aus diesen zugelassenen Legierungen hergestellt werden, rechtlich für die öffentliche Gesundheit geltend zu machen. Darüber hinaus hat die EPA eine umfangreiche Palette antimikrobieller Kupferprodukte aus diesen Legierungen empfohlen, darunter Bettgitter, Handläufe, Betttische, Waschbecken, Wasserhähne, Türklinken, Toilettenzubehör, Computertastaturen, Ausrüstung für Fitnessstudios und Griffe für Einkaufswagen. Krankenhäuser verwenden Türklinken aus Kupfer, um die Übertragung von Krankheiten einzudämmen, und Kupferrohre in Sanitärsystemen können nachweislich die Legionärskrankheit unterdrücken. Antimikrobielle Kupferlegierungsprodukte werden derzeit in Gesundheitseinrichtungen im Vereinigten Königreich, in Irland, Japan, Korea, Frankreich, Dänemark und Brasilien sowie im U-Bahn-System von Santiago (Chile) eingesetzt, wo zwischen 2011 und 2014 Handläufe aus Kupfer-Zink-Legierung in etwa 30 Stationen installiert wurden. Die Einführung von Kupferoberflächen im Gesundheitswesen wurde auch in den USA befürwortet. Darüber hinaus können Textilfasern mit Kupfer angereichert werden, um antimikrobielle Schutzstoffe herzustellen.

Fungizide Anwendungen

Kupfer wird häufig als Holzschutzmittel verwendet, vor allem aufgrund seiner Wirksamkeit als Fungizid gegen Moderfäulepilze, eine Eigenschaft, die es auch ermöglicht, die erheblichen Umweltauswirkungen zu vermeiden, die mit Konservierungsmitteln auf Chrom- und Arsenbasis verbunden sind.

Traditionelle medizinische Überzeugungen

Kupfer wird häufig in Schmuck eingearbeitet und bestimmte traditionelle Überzeugungen legen nahe, dass Kupferarmbänder die Symptome von Arthritis lindern können. Allerdings haben klinische Studien sowohl bei Osteoarthritis als auch bei rheumatoider Arthritis keine signifikanten Unterschiede zwischen den Wirkungen von Kupferarmbändern und Kontrollarmbändern (nicht aus Kupfer) ergeben. Darüber hinaus gibt es keine wissenschaftlichen Beweise für die Behauptung, dass Kupfer transdermal absorbiert werden kann.

Kupfer in erneuerbaren Energien

• Kupfer in erneuerbaren Energien
• Kupfer-Nanopartikel
• Erosionskorrosion in Kupferwasserrohren
  • Kaltwasserlochfraß in Kupferrohren
• Globale Kupferproduktion nach Ländern
• Metalldiebstahl
  • Operation Tremor
• Anaconda-Kupfer
• Antofagasta PLC
• Codelco
• El-Boleo-Mine
• Grasberg-Mine
• Kupferfolie

Referenzen

Notizen

Massaro, Edward J., Herausgeber (2002). Handbuch der Kupferpharmakologie und -toxikologie. Humana Press. ISBN 978-0-89603-943-8.

• Massaro, Edward J., Hrsg. (2002). Handbuch der Kupferpharmakologie und -toxikologie. Humana Press. ISBN 978-0-89603-943-8."Kupfer: Technologie & Wettbewerbsfähigkeit (Zusammenfassung) Kapitel 6: Kupferproduktionstechnologie“ (PDF). Office of Technology Assessment. 2005.Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Eine Einführung (6. Auflage). Wiley, New York. Tabelle 6.1, S. 137. ISBN 978-0-471-73696-7.Nat. Chem. Biol. 4 (3): 176–85. doi:10.1038/nchembio.72. PMID 18277979.Ein interaktiver historischer Überblick über Kupfer ist verfügbar.
  • Copper Timeline, eine interaktive Geschichte.
  • Informationen zu Kupfer werden im The Periodic Table of Videos der University of Nottingham präsentiert.
  • Ein Informationsblatt mit Einzelheiten zu Kupfer und seinen Verbindungen wird vom National Pollutant Inventory of Australia bereitgestellt.
  • Die International Copper Association und die Copper Alliance fungieren als kollektive Unternehmensinteressengruppe.
  • Die Copper Development Association, ein nordamerikanischer Industrieverband, unterhält eine umfangreiche Ressource mit detaillierten Informationen zu den Eigenschaften und Anwendungen von Kupfer.
  • Der Internationale Währungsfonds (IWF) stellt Daten zu den historischen Preisschwankungen von LME-Kupfer bereit.
  • Der United States Geological Survey (USGS) veröffentlicht die Mineral Commodity Summaries 2025, die Informationen zu Kupfer enthalten.