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Kupfer                                            29Cu

engl. copper; lat. cuprum ("Erz aus Zypern")

     

 

Bei einem massiven Kupfer-
barren wird
 die Kristallstruktur
des Metalls sichtbar

relat. Atommasse:  
Ordnungszahl:  
Schmelzpunkt:  
Siedepunkt:  
Oxidationszahlen:  
Dichte:  
Härte (Mohs):  
Elektronegativität:  
Atomradius:  
Elektronenkonfig.:   
natürl. Häufigkeit:  
 

63,546  
29  
1083,40 °C  
2595 °C  
4, 3, 2, 1  
8,954 g/cm3   
2,5 - 3  
1,9 (Pauling)  
127,8 pm  
[Ar] 3d10 4s1  
Cu-63  69,17%  
Cu-65  30,83 %

Geschichtliches

Kupfer war vermutlich das erste Metall, welches von den Menschen bereits vor über 9000 Jahren verarbeitet wurde. Mit der Gewinnung des Kupfers aus Erzen begann die Kupferzeit und endete die Steinzeit. Die Kupfervorkommen der Antike befanden sich auf Zypern, daher der Name aes cyprium ("Erz aus Zypern"). In der Alchemie diente das Phänomen, dass Kupfer durch unedle Metalle aus Lösungen seiner Salze freigesetzt wird, lange Zeit als Beweis für die Möglichkeit einer Umwandlung von Metallen in andere (Transmutationen).


Erst Robert Boyle (1627-1691) klärte im Jahre 1661 das Missverständnis auf und erklärte das Phänomen durch die Verdrängung des Metalls aus einer Salzlösung durch Metalle wie Eisen oder Zink. Dem Kupfer wurde in der Alchemie das Venuszeichen zugeordnet.

Materialeigenschaften  

Reines Kupfer ist ein hellrotes, hartes und gut schmiedbares Schwermetall. Es lässt sich zu hauchdünnen Folien und zu Draht formen. Nach Silber besitzt es die beste elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Mit Zink, Zinn, Silber, Nickel, Eisen, Aluminium, Mangan, Silizium, Platin, u. a. erhält man Kupferlegierungen. Bronze enthält ca. 80-90% Kupfer und 10-20% Zinn. An feuchter Luft bildet sich auf der Oberfläche allmählich ein grünlicher Überzug (Patina), der im wesentlichen aus Malachit besteht. Die Patina schützt das darunter liegende Kupfer vor weiterer Korrosion, daher ist Kupferblech für die Abdeckung von Türmen und Dächern gut geeignet.

Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach wenigen Tagen wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)oxid verursacht wird. Später wird das
Dach noch dunkler und es entsteht schwarzes Kupfer(II)oxid. Aber erst nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlendioxid, Luft und Wasser die blaugrüne Patina.

Kupfer ist ein zeitloser Werkstoff, der sich aufgrund seiner hohen Lebensdauer und problemlosen Verarbeitungsmöglichkeiten in der heutigen Architektur einer großen Beliebtheit erfreut. SF-Cu ist eine sauerstofffreie, phosphordesoxidierte Kupfersorte mit einem Reinheitsgrad von mindestens
99,9 Gewichtsprozenten Kupfer. Ausgezeichnete Kaltumformbarkeit, hohe Bruchdehnung und hervorragende Eignung für verschiedene Verbindungstechniken sind die besonderen Merkmale
dieser Kupferqualität.

Die mechanischen Eigenschaften:

  • Festigkeit (Rm): 245 - 275 N/mm2
  • Streckgrad (Rp 0,2): 170 - 230 N/mm2
  • Dehnung (A10): ³ 30 %

Verwendung

Wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit wird es zu Drähten und Stromschienen verarbeitet.
Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit gelangt es als Baumaterial für Dachbleche und Dachrinnen,

Ohne Dachschutz des Nürnberger First aber auch im Maschinen- und Apparatebau, für Beschläge, für Patronenhülsen oder für Münzen zum Einsatz. Seine gute Wärmeleitfähigkeit benutzt man in Heizrohren, Braukesseln, Kochgeschirr oder bei Lötkolben. Ein großer Anteil dient zur Herstellung von Kupferlegierungen:
   
Rotmessing: 80-90% Kupfer + 10-20% Zink (Modeschmuck und Kunstartikel)
Gelbmessing: 60-80% Kupfer + 20-40% Zink (Maschinenteile und Küchengeräte)
Glockenbronze: 75-80% Kupfer + 20-25% Zinn (Glocken und Kunstgegenstände)
Konstantan: 57% Kupfer, 41% Nickel, 1% Eisen, 1% Mangan (el. Widerstände)
Neusilber: 45-68% Kupfer, 10-26% Nickel, 12-45% Zink (chirurgische Instrumente, Essbestecke)

Ein geringer Anteil des Kupfers wird zu Kupferverbindungen weiterverarbeitet, z.B. zu Kupferoxid,
Kupfersulfat, Kupferchlorid. Vorkommen Mit einem Massenanteil von 0,01% steht Kupfer an 25. Stelle
der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. Als edles Metall tritt es selten gediegen oder in größeren Brocken auf, z.B. in den USA. Aus den Kupfererzen, z.B. den Sulfiden (Buntkupferkies oder Chalkopyrit), Oxiden (Cuprit), Carbo-naten (Malachit), Chloriden oder Arseniden kann das Kupfer gewonnen werden.

Die größten Erzlagerstätten befinden sich in Arizona, Montana, Utah, New Mexico, Chile, Peru, Kaukasus, Philippinen, Australien, Iran, Spanien, Portugal, Polen und Deutschland.

Herstellung

Der mühsame Abbau der Kupfererze von Hand mit Schlägel und Eisen wurde im 17. Jahrhundert durch den Einsatz von Schwarzpulver revolutioniert. Trotzdem war der Bergbau noch sehr mühsam,
da das 50cm tiefe Bohrloch für die Sprengung immer noch von Hand geschlagen werden musste.
Allein dafür benötigte ein Bergmann viele Stunden. Das Ergebnis einer Sprengung waren dann nur einige Brocken Kupfererz. Die Ausbeute wurde aus dem Bergwerk gefahren und in einem Pochwerk mit Hilfe von Wasserkraft zerkleinert. Das Gestein musste im Pochwerk so klein zertrümmert werden, dass das taube Gestein und das Erz im folgenden Waschgang getrennt werden konnte. 

Beim Waschen trennte sich das schwerere Erz vom tauben Gestein, das schneller mit dem Wasser abge-trieben wurde. Das Kupfererz blieb in den Trögen liegen. Beim Rösten wurden die sulfidischen Kupfererze (z.B. Kupferglanz) über einem Holzfeuer erhitzt, so dass man Kupferoxid erhielt. Die Reduktion des Kupferoxids zu reinem Kupfer erfolgte in einem Schachtofen, in den mit Hilfe von Blasebälgen Luftsauerstoff zugeführt werden konnte. Als Reduktionsmittel wurde Holzkohle verwendet. Der Zusatz von Kalk erniedrigte den Schmelzpunkt.  Das Produkt des ersten Schmelzvorgangs hatte nur einen Kupfergehalt von 30-50%, so dass der Vorgang mehrfach wiederholt werden musste. Am Ende erhielt man "Schwarzkupfer" mit einem Kupfergehalt von
bis zu 95% Kupfer.

Die Gewinnung
von reinem Kupfer aus Kupfererzen erfolgt heute in mehreren Arbeitsschritten und ist weitgehend
automatisiert (Anreicherung durch Flotation, Rösten,  Kupferraffination).

Element des Lebens

Als ein in der Natur vorkommendes Element ist Kupfer in der Erdkruste, den Ozeanen, Seen und Flüssen in verschiedenen Formen und Konzentrationen vorhanden von winzigen Spurenelementen bis zu reichen Bergbauvorkommen. Das Leben der Menschen, Pflanzen und Tiere hat sich im Rahmen dieses natürlichen Vorhandenseins von Kupfer entwickelt, und daher verfügen die meisten Organismen über einen immanenten Mechanismus zu seiner Nutzung.

Die für die Erhaltung der menschlichen Gesundheit nötig sind, werden durch eine ausgewogene Ernährung mit einem reichlichen Anteil an Getreide, Fleisch, Wurzelgemüsen, Hülsen-früchten, Nüssen oder auch Schokolade aufgenommen. Der Gesamtbestand des Kupfers im Körper beträgt rund 80 bis 120 Milligramm. Kupfer hat vielerlei Funktionen im Stoffwechsel und ein Kupfermangel kann zu schwer-wiegenden Beeinträchtigungen der Gesundheit führen. Besonders wichtig ist Kupfer für schwangere Frauen, den sich entwickelnden Fötus und Neugeborene. Als Richtwerte für die Kupferaufnahme mit der Nahrung werden normalerweise 1 bis 2 Milligramm für Erwachsene und Das Spurenelement Kupfer wirkt mit beim Aufbau des Hämoglobins. Es ist wichtig für die Aufnahme des Eisens aus dem Dünndarm und die Verwertung des gespeicherten Eisens. Es ist Teil im System der Atmungsfermente die letztendlich die Energiegewinnung aus der Nahrung ermöglichen und unterstützt die Zellatmung. Über die Synthese bestimmter Enzyme sorgt es für elastische Blutgefäße.

Kupfer ist notwendig für den Aufbau von Knochen, Haut, Haaren, Sehnen und Knorpelmasse in den Gelenken. Es fördert die Bildung der dunklen Pigmente in Haut und Haaren. Als Teil der Superoxid-Dismutase ist Kupfer an der Neutralisierung freier Radikale beteiligt und es unterstützt das Immunsystem. Bei Kupfermangel kann es wegen ungenügender Hämoglobinbildung zu Anämie kommen. Es wird Arteriosklerose gefördert, der Cholesterinspiegel erhöht sich und es kann zu Schäden am Herz kommen. Außerdem können die Haare frühzeitig ergrauen und die Knochen neigen zu erhöhter Brüchigkeit. Als Therapeutikum weist Kupfer eine lange Medizingeschichte auf.

Bereits vor 4000 Jahren nutzten die Ägypter die desinfizierende Wirkung von Kupfer und setzten
Kupferspäne, vermischt mit Kuhfett und Honig, für die Wundheilung ein.  Hippokrates, der Urvater
aller Ärzte, behandelte mit dem Mineralstoff Geschwüre und Krampfadern, während der Schweizer Arzt und Philosoph Paracelsus Kupfer sogar bei Geisteskrankheiten, Fallsucht und Hysterie nutzte.
Und im alten China war man von der antibakteriellen Wirkung des Kupfers so sehr überzeugt,
dass man die Verwendung von Papiergeld verbot und dafür die Bezahlung mit Kupfergeld vorschrieb,
um die Ausbreitung bestimmter Krankheiten zu verhindern.  Heute ist die lebensnotwendige Bedeutung des Spurenelementes Kupfer in der Medizin unbestritten. Doch mehr und mehr wird Kupfer auch in der Naturheilkunde und Kosmetik eingesetzt. Eine beachtenswerte Karriere hat Kupfer auch in der modernen Kosmetik gemacht. Medizinische Forschungen haben ergeben, dass Kupfer als Enzymbestandteil in verschiedenen Stoffwechselprozessen, die für das körperliche Aussehen und Wohlbefinden maßgeblich sind, einen entscheidenden Anteil hat: bei der Mobilisierung von Eisen, bei der Energiegewinnung, beim Aufbau des Bindegewebes, beim Schutz der Zellmembranen vor freien Radikalen und bei der Pigmentierung von Haut und Haaren.  Nach Eisen und Zink ist Kupfer das für den Organismus drittwichtigste Spurenelement. Es regt das Immunsystem an und beugt Entzündungen vor.

In der Haut fördert Kupfer zudem nachhaltig die Vernetzung der Kollagen- und Elastinschicht und
aktiviert Enzyme, die altes Bindegewebe abtransportieren. Und dies ist nicht nur wichtig für eine
jung aussehende und gesunde Haut, sondern eben auch gut gegen Cellulitis.

 
KW
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