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Kupfer

 

[althochdeutsch kupfar, über spätlateinisch cuprum von lateinisch (aes) cyprium, eigentlich »von Zypern stammendes (Erz)«], Cuprum, chemisches Symbol Cu, ein chemisches Element aus der ersten Nebengruppe des Periodensystems. Kupfer ist ein hellrotes, glänzendes, verhältnismäßig weiches, sehr zähes, dehnbares Schwermetall, das sich zu feinstem Draht ausziehen und in sehr dünne, grün durchscheinende Blättchen ausschlagen lässt. Härte und Festigkeit werden durch Beimengungen häufig wesentlich verbessert. Deshalb wird Kupfer schon seit langem mit anderen Metallen legiert, v. a. mit Zinn zu Bronze und mit Zink zu Messing. Kupfer besitzt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und nach Silber die beste elektrische Leitfähigkeit. Kupfer ist bei Abwesenheit von Sauerstoff sehr beständig gegen nicht oxidierende Säuren, es löst sich aber in oxidierenden Säuren (z. B. in konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure) unter Bildung der entsprechenden Salze auf. Aus seinen Lösungen wird es durch unedlere Metalle, z. B. Zink oder Eisen, elementar abgeschieden (Zementkupfer). Reines Kupfer oxidiert langsam an der Luft unter Bildung von rotem Kupfer(I)-oxid, Cu₂O, bei starkem Erhitzen zu schwarzem Kupfer(II)-oxid, CuO. In der Atmosphäre bildet sich ein grüner, schützender Überzug von Patina (überwiegend basisches Kupfercarbonat). Das Normalpotenzial des Kupfers ist +0,34 V. Flüchtige Kupferverbindungen färben die Flamme blaugrün.

 

Vorkommen:

 

Kupfer gehört zu den relativ seltenen Elementen; es steht in der Häufigkeit der chemischen Elemente an 26. Stelle. In der Natur kommt Kupfer in geringen Mengen gediegen vor (z. B. findet sich verhältnismäßig reines Kupfer am Oberen See, USA). Technisch wichtig sind v. a. die sulfidischen Kupferminerale Kupferglanz, Kupferkies,Bornit und Bournonit sowie das oxidische Mineral Cuprit. Weitere bekannte Kupferminerale sind Atacamit, Azurit, Malachit und Pseudomalachit. Der Anteil in der Lithosphäre beträgt durchschnittlich 0,005 % Kupfer. Abbauwürdige Lagerstätten müssen wenigstens etwa 1 % Kupfer enthalten.

 

Gewinnung:

 

Wegen ihrer oft nur geringen Kupfergehalte müssen die meisten geförderten Kupfererze durch selektive Flotationsverfahren nach Abtrennung der Gangart auf verhüttungsfähige Konzentrate (mit 15-35 % Cu) angereichert werden. Dabei werden je nach Erzart noch andere verwertbare Konzentrate, z. B. von Pyrit oder Zinkblende, gewonnen. Der größte Teil der Kupfererze (mehr als 75 % der Welterzeugung) wird anschließend nach pyrometallurgischen Verfahren weiterverarbeitet. Bei diesen erschmilzt man zunächst nach teilweiser Röstung der Erze (zur Entfernung eines Teils des Schwefels) unter Zusatz von Koks als Reduktionsmittel und kieselsäurehaltigen Zuschlägen als Schlackenbildner den schweren, flüssigen Kupferstein (enthält Cu₂S und FeS, mit 40-50 % Cu), der anschließend von der leichteren, flüssigen Schlacke abgetrennt wird. Das Schmelzen des Kupfersteins erfolgt heute meist im Flammofen oder durch Schwebeschmelzen. - Um das noch vorhandene Eisen und den Schwefel zu entfernen, wird der Kupferstein anschließend in einem Konverter unter Einblasen von Luft und Zugabe von Schlacken bildenden Zuschlägen weiterbehandelt (»verblasen«). Dabei wird zunächst das Eisen oxidiert, das mit den Zuschlägen verschlackt wird. Nach Abziehen der Schlacke wird ein Teil des verbliebenen eisenfreien Kupfersteins (der Spurstein) zu Kupferoxid oxidiert, das sich dann mit dem restlichen Kupfersulfid zu metallischem Kupfer und Schwefeldioxidgas umsetzt: 2 Cu₂O + Cu₂S → 6 Cu + SO₂. Das anfallende Rohkupfer (Schwarz-, Blasen-, Blisterkupfer) hat einen Gehalt von 97-99 % Cu mit Beimengungen von Zink, Arsen, Antimon, Eisen, Nickel, Schwefel und Edelmetallen. Das SO₂-Gas wird aufgefangen und (wie auch das beim Rösten der Erze anfallende Schwefeldioxid) zu Schwefel aufgearbeitet oder der Schwefelsäureherstellung zugeführt. - Aus kupferarmen Erzen wird das Kupfer in einem nassmetallurgischen Verfahren mit verdünnter Schwefelsäure als Kupfersulfat ausgelaugt und aus dieser Lösung mit Eisen (Schrott) elementares Kupfer ausgefällt (Zementkupfer). - Bei der anschließenden Raffination wird das nach allen Verfahren gewonnene Rohkupfer durch abwechselndes oxidierendes und reduzierendes Schmelzen weiter gereinigt. Dabei werden einige Verunreinigungen verflüchtigt (Zink, Blei, Arsen) oder verschlackt (Eisen, Nickel). Nach Abzug der Schlacke erfolgt das Polen, bei dem durch mechanisches Aufwirbeln und chemische Behandlung (heute meist mit reduzierenden Gasen) Oxidationsprodukte aus der Metallschmelze entfernt und gelöste Gase ausgetrieben werden. Das nach dieser Raffination vorliegende Garkupfer (mit meist 99 % und mehr Cu) ist schmiedbar und kommt als Raffinatkupfer in den Handel. - Besonders reines Kupfer erhält man durch die elektrolytische Raffination. Dabei hängen den gegossenen Rohkupferanoden dünne Bleche aus reinem Kupfer gegenüber; beim Elektrolysevorgang geht das Kupfer anodisch in Lösung und scheidet sich an der Kathode in reinster Form wieder ab. Der Elektrolyt wird umgewälzt und auf Temperaturen von 50-60 ºC gehalten. Da sich u. a. Nickel im Elektrolyten anreichert, wird regelmäßig ein Teil des Elektrolyten abgezweigt und daraus das Nickel als Sulfat gewonnen. In dem auf dem Boden anfallenden Anodenschlamm sammeln sich Edelmetalle (Silber, Gold, Platinmetalle) sowie Selen und Tellur an, die daraus durch spezielle Verfahren gewonnen werden. Das Elektrolytkupfer (Kathodenkupfer; mit > 99,95 % Cu) kommt meist eingeschmolzen zu Drahtbarren, Walzplatten u. a. Formaten in den Handel.

 

Verwendung:

 

Reines Kupfer wird v. a. in Form von Draht und Stangen (Schienen) in der Elektroindustrie verwendet, die etwa die Hälfte der jährlich erzeugten Kupfermengen verbraucht, daneben auch in Form von Blechen, Rohren usw. in der Apparate- und Maschinenbauindustrie sowie im Bauwesen (u. a. für Dachbleche, Dachrinnen), ferner wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit v. a. für Heiz- und Kühlschlangen, Braukessel, Siedpfannen. Weitere Verwendung findet Kupfer u. a. zu Münzzwecken, für Beschläge, in Form von Verbindungen zur Herstellung von Katalysatoren, zur Verkupferung in der Galvanotechnik, zur Herstellung von Feuerwerkskörpern (grüne Flammenfärbung) und zur Imprägnierung von Holz und Geweben (fungizide Wirkung). Etwa 40 % der jährlichen Kupferproduktion werden zu Kupferlegierungen verarbeitet.

 

Physiologie:

 

Kupfer ist für Menschen, höhere Tiere und einige Pflanzen ein wichtiges Spurenelement; es ist besonders an Elektronenübertragungsprozessen in Membranen beteiligt, so z. B. als Bestandteil des aktiven Zentrums der Cytochromoxidase, einem wichtigen Enzymkomplex der Atmungskette. Im tierischen Organismus ist Kupfer weiterhin notwendig für die Synthese von Hämoglobin, obwohl es selbst nicht Bestandteil des Hämoglobins ist. Die höchsten Konzentrationen an Kupfer finden sich im menschlichen Körper in den Knochen, in der Muskulatur und in der Leber, auch das Blut enthält eine Reihe von (meist blau gefärbten) Kupferproteinen, die überwiegend Oxidations-Reduktions-Prozesse katalysieren. Der tägliche Bedarf des Menschen liegt bei 2 mg, die Menge im Körper bei 100 bis 150 mg. Kupfer wirkt in höheren Dosen toxisch. - Auch in Pflanzen ist Kupfer vorwiegend Bestandteil von Enzymen, die Oxidations-Reduktions-Prozesse katalysieren, außerdem ist es für die Chlorophyllsynthese erforderlich. Mangel an Kupfer löst z. B. Blattspitzenverfärbung (Hafer) oder Spitzendürre (Obstbäume) aus, höhere Kupferdosen hingegen können sich hemmend auf die Entwicklung auswirken.

 

Umweltwirkung:

 

Kupfer ist in seiner metallischen Form kaum löslich und daher praktisch ungiftig. In gelöster Form hingegen sind Kupfersalze stark gewässerschädigend und wirken bereits in sehr geringen Mengen giftig auf Algen, Pilze, Bakterien, Krebse und Fische. Für viele Kleinorganismen im Boden ist Cu²⁺ sehr giftig, zum Teil sogar das giftigste Element. Zu toxischen Konzentrationen von Kupfer im Boden kann es v. a. bei Verwendung von Schweinegülle zu Düngezwecken kommen.

 

Wirtschaft:

 

Die weltweiten Kupferreserven werden auf rd. 590 Mio. t geschätzt, die v. a. in Chile (18 %), die USA (17 %), Australien (8 %), Sambia (7 %), der Demokratischen Republik Kongo und Peru (je 6 %) liegen. In den westlichen Industriestaaten wurden (1994) rd. 40 % des Kupferverbrauchs durch Recycling gedeckt. Bis in die 1960er-Jahre konzentrierte sich die Kupferproduktion auf wenige multinationale Bergbaugesellschaften; danach zunehmende Beteiligung staatlicher Institutionen beziehungsweise Organisationen an der Kupferproduktion (besonders in Afrika und Lateinamerika), Einstieg multinationaler Energieunternehmen in die Kupfererzeugung (Nordamerika) und wachsende Bedeutung externer Bergbaugesellschaften. 1967 gründeten Sambia, Zaire, Peru und Chile das »Council of Copper Exporting Countries« (Cipec), um Einfluss auf die Kupferpreise nehmen zu können.

 

Geschichte:

 

Kupfer wird als das erste Gebrauchsmetall angesehen; zuerst wurde es als gediegenes Kupfer zur Herstellung von Schmuck verwendet und durch Hämmern bearbeitet. Im 6./5. Jahrtausend v. Chr. wurden die Schmelzbarkeit des Kupfers und die Reduktion von Kupfererzen entdeckt (Zentren in Vorderasien und auf der Balkanhalbinsel). Die ältesten bekannten kupferzeitlichen Kupferbergwerke stammen aus der 2. Hälfte des 5. Jahrtausend v. Chr. (Rudna Glava in Serbien, Aibunar in Bulgarien). In die Bronzezeit gehören die Kupferbergwerke der Region Mitterberg in Österreich. Um 4000 v. Chr. war Kupfer in Ägypten bekannt. Im Kupferbergwerk bei Tepe Sialk in Iran betrieb man um 3000 v. Chr. Kupferabbau. Kupfervorkommen auf der Sinaihalbinsel wurden zur Zeit der 3. ägyptischen Dynastie (2660-2590 v. Chr.) abgebaut; außerdem waren Nubien (Buhen) und Palästina (Timna) wichtige Kupferquellen für Ägypten. Sehr früh wurde Kupfer auch auf Zypern gewonnen, wo sich das wichtigste Vorkommen der griechischen Antike befand; auch die Römer deckten hauptsächlich dort ihren Bedarf, daneben noch in Spanien (Rio-Tinto-Gebiet). Beschrieben wird die Metallurgie des Kupfers in der Antike von Plinius dem Älteren. - In Westafrika waren, wie neue Funde in Niger (nahe Agadès) zeigten, Kupfererzverhüttung und Kupferverarbeitung mindestens seit der Mitte des 1. Jahrtausend v. Chr. bekannt. - In China sind Gegenstände aus Kupfer seit dem 3. Jahrtausend v. Chr. nachweisbar. In Nordamerika wurde gediegenes Kupfer von der Isle Royale im Oberen See seit 3000 v. Chr. durch Aushämmern geformt, die Verarbeitung durch Schmelzen erfolgte jedoch erst nach der europäischen Einwanderung. Die ersten gegossenen Kupferobjekte traten in Peru um 800 v. Chr. auf. Im zentralen Andengebiet legierte man auch zuerst Kupfer mit Gold, Silber, Arsen oder Zinn. In Mexiko wurde die Kupferbearbeitung um 900 n. Chr. aus Südamerika eingeführt. - Während der Völkerwanderung kamen in Europa viele Bergbaubetriebe zum Erliegen; erst im Mittelalter verbreitete sich, ausgehend von Mitteleuropa (Randzonen des Thüringer Beckens, Schlesien), wieder die Kenntnis vom Abbau der Kupfererze und von der Gewinnung des Metalls. Im 15. und 16. Jahrhundert errichteten die Fugger nahezu ein Kupfermonopol durch ihre Kupfergewinnung in Tirol, Ungarn und Spanien. Die größte Kupfermine Europas war bis ins 18. Jahrhundert die von Falun. Der Aufschwung der amerikanischen Kupfergewinnung begann erst 1840; Kanada, Zaire und Sambia, neben den USA und Chile drei der wichtigsten Kupferbergbaugebiete, haben mit der Förderung von Kupfererzen erst im 20. Jahrhundert begonnen. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden weltweit neue Kupfervorkommen erschlossen.

 

Literatur:

 

K. Dies: K. u. K.-Legierungen in der Technik (1967);

 H. H. Coghlan: Notes on the prehistoric metallurgy of copper and bronze in the Old World, hg. v. T. K. Penniman u. B. M. Blackwood (Oxford ²1975);

 R. Bowen u. A. Gunatilaka: Copper. Its geology and economics (London 1977);

 E. G. West: Copper and its alloys (Chichester 1982);

 A. K. Biswas u. W. G. Davenport: Extractive metallurgy of copper (Oxford ³1994, Nachdr. ebd. 1996).

 

Kụpfer,

 

Harry, Opernregisseur, * Berlin 12. 8. 1935; kam über Stralsund, Karl-Marx-Stadt und Weimar 1972 als Operndirektor und Chefregisseur an die Staatsoper Dresden (1977-81 Professor an der Musikhochschule), seit 1981 Chefregisseur, seit 1994 Operndirektor an der Komischen Oper Berlin. Kupfer wurde durch unkonventionelle Inszenierungen auch außerhalb der DDR bekannt (so »Der fliegende Holländer« und »Der Ring des Nibelungen« von R. Wagner bei den Bayreuther Festspielen 1978 beziehungsweise 1988), inszenierte auch Uraufführungen (so »Die schwarze Maske« von K. Penderecki bei den Salzburger Festspielen 1986 und »Der gewaltige Hahnrei« von Berthold Goldschmidt an der Komischen Oper Berlin, 1994).

 

Literatur:

 

R. Lummer: H. K. (1989).