Kupfer -Copper

Kupfer,  ₂₉ Cu

Kupfer
Aussehen	rot-orange metallischer Glanz
Standardatomgewicht A r °(Cu)
Kupfer im Periodensystem
Wasserstoff Helium Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Führen Wismut Polonium Astatin Radon Franken Radium Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstädter Röntgen Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessin Oganesson – ↑ Cu ↓ Ag Nickel ← Kupfer → Zink
Ordnungszahl ( Z )	29
Gruppe	Gruppe 11
Zeitraum	Zeitraum 4
Block	D-Block
Elektronenkonfiguration	[ Ar ] 3d 10 4s 1
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 1
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP	solide
Schmelzpunkt	1357,77  K (1084,62 °C, 1984,32 °F)
Siedepunkt	2835 K (2562 °C, 4643 °F)
Dichte (nahe  RT )	8,96 g/ cm³
wenn flüssig (bei  mp )	8,02 g/ cm3
Schmelzwärme	13,26  kJ/mol
Verdampfungswärme	300,4 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	24.440 J/(mol·K)
Dampfdruck P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei  T  (K) 1509 1661 1850 2089 2404 2834
Atomare Eigenschaften
Oxidationszustände	−2, 0, +1 , +2 , +3, +4 (ein leicht basisches Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1,90
Ionisationsenergien
Atomradius	empirisch: 128  Uhr
Kovalenter Radius	132±16 Uhr
Van-der-Waals-Radius	140 Uhr
Spektrallinien von Kupfer
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	ursprünglich
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert (fcc)
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	(geglüht) 3810 m/s (bei  RT )
Wärmeausdehnung	16,5 µm/(m⋅K) (bei 25 °C)
Wärmeleitfähigkeit	401 W/(m⋅K)
Elektrischer widerstand	16,78 nΩ⋅m (bei 20 °C)
Magnetische Bestellung	diamagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität	–5,46 × 10 –6  cm 3 /mol
Elastizitätsmodul	110–128 GPa
Schermodul	48 GPa
Bulk-Modul	140 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL	0,34
Mohs-Härte	3.0
Vickers-Härte	343–369 MPa
Brinellhärte	235–878 MPa
CAS-Nummer	7440-50-8
Geschichte
Benennung	nach Zypern , wichtigster Bergbauort in der Römerzeit ( Cyprium )
Entdeckung	Naher Osten ( 9000 v. Chr. )
Symbol	„Cu“: vom lateinischen cuprum
Isotope von Kupfer v e
Hauptisotope _ Verfall Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Modus Produkt 63 Cu 69,15 % stabil 64 Cu syn 12.70 Uhr ß + 64Ni _ β- _ 64 Zn 65 Cu 30,85 % stabil 67 Cu syn 61.83 Uhr β- _ 67 Zn
Kategorie: Kupfer Sicht sprechen bearbeiten | Verweise

Kupfer ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu (von lateinisch : cuprum ) und der 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 , wie z. B. Sterlingsilber , das in Schmuck verwendet wird , Kupfernickel, das zur Herstellung von Schiffshardware und Münzen verwendet wird , und Konstantan, das in Dehnungsmessstreifen und Thermoelementen verwendet wird zur Temperaturmessung.

Kupfer ist eines der wenigen Metalle, die in der Natur in direkt verwertbarer metallischer Form vorkommen können ( native metals ). Dies führte zu einer sehr frühen menschlichen Nutzung in mehreren Regionen ab ca. 8000 v. Tausende von Jahren später war es das erste Metall, das aus Sulfiderzen geschmolzen wurde, etwa 5000 v. das erste Metall, das in einer Form in eine Form gegossen wird, c. 4000 v. Chr.; und das erste Metall, das absichtlich mit einem anderen Metall, Zinn , legiert wird , um Bronze zu erzeugen , c. 3500 v. Chr.

In der Römerzeit wurde Kupfer hauptsächlich auf Zypern abgebaut , woher der Name des Metalls stammt, von aes cyprium (Metall von Zypern), später verfälscht zu Cuprum (lateinisch). Daraus leiteten sich Coper ( altenglisch ) und Kupfer ab, die spätere Schreibweise erstmals um 1530 verwendet.

Üblicherweise anzutreffende Verbindungen sind Kupfer(II)-Salze, die solchen Mineralien wie Azurit , Malachit und Türkis oft blaue oder grüne Farben verleihen und weit verbreitet und historisch als Pigmente verwendet wurden.

Kupfer, das in Gebäuden verwendet wird, normalerweise für Dächer, oxidiert und bildet einen grünen Grünspan (oder Patina ). Kupfer wird manchmal in der dekorativen Kunst verwendet , sowohl in seiner elementaren Metallform als auch in Verbindungen als Pigmente. Kupferverbindungen werden als Bakteriostatika , Fungizide und Holzschutzmittel eingesetzt.

Kupfer ist als Spurenelement in der Nahrung für alle lebenden Organismen essentiell , da es ein Schlüsselbestandteil des respiratorischen Enzymkomplexes Cytochrom-C-Oxidase ist . Bei Weich- und Krebstieren ist Kupfer Bestandteil des Blutfarbstoffs Hämocyanin , bei Fischen und anderen Wirbeltieren wird es durch das mit Eisen komplexierte Hämoglobin ersetzt . Beim Menschen kommt Kupfer hauptsächlich in Leber, Muskeln und Knochen vor. Der Körper eines Erwachsenen enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Kupfer pro Kilogramm Körpergewicht.

Eigenschaften

Physisch

Kupfer, Silber und Gold gehören zur Gruppe 11 des Periodensystems; Diese drei Metalle haben ein s-Orbitalelektron auf einer gefüllten d- Elektronenschale und zeichnen sich durch hohe Duktilität sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Die gefüllten d-Schalen in diesen Elementen tragen wenig zu interatomaren Wechselwirkungen bei, die von den s-Elektronen über Metallbindungen dominiert werden . Im Gegensatz zu Metallen mit unvollständigen d-Schalen haben metallische Bindungen in Kupfer keinen kovalenten Charakter und sind relativ schwach. Diese Beobachtung erklärt die geringe Härte und hohe Duktilität von Kupfereinkristallen . Auf makroskopischer Ebene behindert die Einführung ausgedehnter Defekte in das Kristallgitter , wie etwa Korngrenzen, das Fließen des Materials unter angelegter Spannung, wodurch seine Härte erhöht wird. Aus diesem Grund wird Kupfer üblicherweise in feinkörniger polykristalliner Form geliefert, die eine höhere Festigkeit als monokristalline Formen aufweist.

Die Weichheit von Kupfer erklärt teilweise seine hohe elektrische Leitfähigkeit (59,6 × 10 ⁶  S /m ) und hohe Wärmeleitfähigkeit, die zweithöchste (nach Silber) unter den reinen Metallen bei Raumtemperatur. Dies liegt daran, dass der Widerstand gegenüber Elektronentransport in Metallen bei Raumtemperatur hauptsächlich aus der Streuung von Elektronen an thermischen Schwingungen des Gitters stammt, die in einem weichen Metall relativ schwach sind. Die maximal zulässige Stromdichte von Kupfer im Freien beträgt ca3,1 × 10 ⁶  A/m2 Querschnittsfläche, ab der es sich übermäßig zu erhitzen beginnt.

Kupfer ist eines der wenigen metallischen Elemente mit einer anderen natürlichen Farbe als Grau oder Silber. Reines Kupfer ist orangerot und nimmt an der Luft einen rötlichen Anlauf an. Das liegt an der niedrigen Plasmafrequenz des Metalls, die im roten Teil des sichtbaren Spektrums liegt, wodurch es die höherfrequenten grünen und blauen Farben absorbiert.

Wenn Kupfer mit einem anderen Metall in Kontakt kommt, kommt es wie bei anderen Metallen zu galvanischer Korrosion .

Chemisch

Kupfer reagiert nicht mit Wasser, aber langsam mit Luftsauerstoff zu einer braunschwarzen Kupferoxidschicht, die im Gegensatz zum Rost , der sich an feuchter Luft auf Eisen bildet, das darunter liegende Metall vor weiterer Korrosion schützt ( Passivierung ). Auf alten Kupferkonstruktionen, wie z. B. den Dächern vieler älterer Gebäude und der Freiheitsstatue , ist oft eine grüne Grünspanschicht ( Kupferkarbonat) zu sehen . Kupfer läuft an , wenn es einigen Schwefelverbindungen ausgesetzt wird , mit denen es unter Bildung verschiedener Kupfersulfide reagiert .

Isotope

Es gibt 29 Kupferisotope .⁶³
Cu
Und⁶⁵
Cu
sind stabil, mit⁶³
Cu
bestehend aus etwa 69 % natürlich vorkommendem Kupfer; beide haben einen Spin von 3 ⁄ 2 . Die anderen Isotope sind radioaktiv , wobei das stabilste ist⁶⁷
Cu
mit einer Halbwertszeit von 61,83 Stunden. Sieben metastabile Isotope wurden charakterisiert;^68m
Cu
ist mit einer Halbwertszeit von 3,8 Minuten am langlebigsten. Isotope mit einer Massenzahl über 64 zerfallen um β ⁻ , während solche mit einer Massenzahl unter 64 um β ⁺ zerfallen .⁶⁴
Cu
, das eine Halbwertszeit von 12,7 Stunden hat, zerfällt in beide Richtungen.

⁶²
Cu
Und⁶⁴
Cu
bedeutende Anwendungen haben.⁶²
Cu
verwendet wird⁶²
Cu
Cu-PTSM als radioaktiver Tracer für die Positronen-Emissions-Tomographie .

Auftreten

Kupfer wird in massereichen Sternen produziert und ist in der Erdkruste in einem Anteil von etwa 50 Teilen pro Million (ppm) vorhanden. In der Natur kommt Kupfer in einer Vielzahl von Mineralien vor, darunter natives Kupfer , Kupfersulfide wie Chalkopyrit , Bornit , Digenit , Covellit und Chalkosin , Kupfersulfosalze wie Tetrahedit-Tennantit und Enargit , Kupfercarbonate wie Azurit und Malachit und als Kupfer(I)- oder Kupfer(II)-Oxide wie Cuprit bzw. Tenorit . Die größte entdeckte Masse an elementarem Kupfer wog 420 Tonnen und wurde 1857 auf der Keweenaw-Halbinsel in Michigan, USA, gefunden . Natives Kupfer ist ein Polykristall , wobei der größte jemals beschriebene Einkristall 4,4 × 3,2 × 3,2 cm misst . Kupfer ist das 25. häufigste Element in der Erdkruste und stellt 50 ppm dar , verglichen mit 75 ppm für Zink und 14 ppm für Blei .

Typische Hintergrundkonzentrationen von Kupfer werden nicht überschritten1 ng/m ³ in der Atmosphäre;150 mg/kg im Boden;30 mg/kg in Vegetation; 2 μg/L in Süßwasser und0,5 μg/L in Meerwasser.

Produktion

Das meiste Kupfer wird als Kupfersulfid aus großen Tagebauminen in Porphyr- Kupferlagerstätten, die 0,4 bis 1,0 % Kupfer enthalten, abgebaut oder extrahiert . Zu den Standorten gehören Chuquicamata in Chile, die Bingham Canyon Mine in Utah (USA) und die El Chino Mine in New Mexico (USA). Nach Angaben des British Geological Survey war Chile im Jahr 2005 mit mindestens einem Drittel des weltweiten Anteils der größte Kupferproduzent, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Indonesien und Peru. Kupfer kann auch durch das In-situ-Laugungsverfahren gewonnen werden . Mehrere Standorte im Bundesstaat Arizona gelten als Hauptkandidaten für diese Methode. Die verwendete Kupfermenge nimmt zu und die verfügbare Menge reicht kaum aus, um allen Ländern zu ermöglichen, das Verbrauchsniveau der Industrieländer zu erreichen. Eine alternative Kupferquelle, die derzeit erforscht wird, sind polymetallische Knollen , die sich in den Tiefen des Pazifischen Ozeans etwa 3000–6500 Meter unter dem Meeresspiegel befinden. Diese Knollen enthalten weitere wertvolle Metalle wie Kobalt und Nickel .

Reserven und Preise

Kupfer wird seit mindestens 10.000 Jahren verwendet, aber mehr als 95 % des jemals geförderten und geschmolzenen Kupfers wurden seit 1900 abgebaut. Wie bei vielen natürlichen Ressourcen ist die Gesamtmenge an Kupfer auf der Erde mit etwa 10 ¹⁴ Tonnen immens der oberste Kilometer der Erdkruste, der bei der derzeitigen Abbaurate etwa 5 Millionen Jahre wert ist. Allerdings ist nur ein winziger Bruchteil dieser Reserven mit den heutigen Preisen und Technologien wirtschaftlich nutzbar. Schätzungen der für den Abbau verfügbaren Kupferreserven variieren zwischen 25 und 60 Jahren, abhängig von Kernannahmen wie der Wachstumsrate. Recycling ist eine wichtige Quelle für Kupfer in der modernen Welt. Aufgrund dieser und anderer Faktoren ist die Zukunft der Kupferproduktion und -versorgung Gegenstand vieler Debatten, einschließlich des Konzepts von Peak Copper , analog zu Peak Oil .

Der Kupferpreis war in der Vergangenheit instabil und stieg vom 60-Jahres-Tief von 0,60 US-Dollar/Pfund (1,32 US-Dollar/kg) im Juni 1999 auf 3,75 US-Dollar pro Pfund (8,27 US-Dollar/kg) im Mai 2006. Er fiel auf 2,40 US-Dollar /lb (5,29 $/kg) im Februar 2007, erholte sich dann im April 2007 auf 3,50 $/lb (7,71 $/kg). Im Februar 2009 ließen die schwächere weltweite Nachfrage und ein starker Rückgang der Rohstoffpreise seit den Höchstständen des Vorjahres den Kupferpreis bei 1,51 $ zurück /lb ($3,32/kg). Zwischen September 2010 und Februar 2011 stieg der Kupferpreis von 5.000 £ pro Tonne auf 6.250 £ pro Tonne.

Methoden

Die Kupferkonzentration in Erzen beträgt durchschnittlich nur 0,6 %, und die meisten kommerziellen Erze sind Sulfide, insbesondere Kupferkies (CuFeS ₂ ), Bornit (Cu ₅ FeS ₄ ) und in geringerem Maße Kovellit (CuS) und Chalkosin (Cu ₂ S). . Umgekehrt wird die durchschnittliche Kupferkonzentration in polymetallischen Knollen auf 1,3 % geschätzt. Die Methoden zur Gewinnung von Kupfer und anderen Metallen, die in diesen Knollen gefunden werden, umfassen Schwefellaugung, Verhüttung und eine Anwendung des Cuprion-Verfahrens. Mineralien, die in Landerzen gefunden werden, werden durch Schaumflotation oder Biolaugung aus zerkleinerten Erzen auf ein Niveau von 10–15 % Kupfer konzentriert . Durch das Erhitzen dieses Materials mit Siliziumdioxid beim Schwebeschmelzen wird ein Großteil des Eisens als Schlacke entfernt . Das Verfahren nutzt die leichtere Umwandlung von Eisensulfiden in Oxide, die wiederum mit der Kieselsäure reagieren, um die Silikatschlacke zu bilden , die oben auf der erhitzten Masse schwimmt. Der resultierende Kupferstein, bestehend aus Cu ₂ S, wird geröstet , um die Sulfide in Oxide umzuwandeln:

2 Cu ₂ S + 3 O ₂ → 2 Cu ₂ O + 2 SO ₂

Das Kupferoxid reagiert mit Kupfersulfid, um beim Erhitzen in Blasenkupfer umgewandelt zu werden :

2 Cu ₂ O + Cu ₂ S → 6 Cu + 2 SO ₂

Der Sudbury- Mattprozess wandelte nur die Hälfte des Sulfids in Oxid um und verwendete dann dieses Oxid, um den Rest des Schwefels als Oxid zu entfernen. Anschließend wurde es elektrolytisch raffiniert und der Anodenschlamm auf das darin enthaltene Platin und Gold ausgebeutet. Dieser Schritt nutzt die relativ leichte Reduktion von Kupferoxiden zu Kupfermetall aus. Erdgas wird über die Blase geblasen, um den größten Teil des verbleibenden Sauerstoffs zu entfernen, und das resultierende Material wird einer Elektroraffination unterzogen, um reines Kupfer herzustellen:

Cu ²⁺ + 2 e ⁻ → Cu

Recycling

Kupfer ist wie Aluminium ohne Qualitätsverlust recycelbar, sowohl aus dem Rohzustand als auch aus den hergestellten Produkten. Kupfer ist nach Eisen und Aluminium das mengenmäßig am dritthäufigsten recycelte Metall. Schätzungsweise 80 % des jemals geförderten Kupfers sind heute noch in Gebrauch. Laut dem Bericht „Metal Stocks in Society“ des International Resource Panel beträgt der weltweite Kupfervorrat pro Kopf, der in der Gesellschaft verwendet wird, 35–55 kg. Ein Großteil davon befindet sich in weiter entwickelten Ländern (140–300 kg pro Kopf) und nicht in weniger entwickelten Ländern (30–40 kg pro Kopf).

Der Prozess des Kupferrecyclings ist ungefähr derselbe wie bei der Kupfergewinnung, erfordert jedoch weniger Schritte. Hochreiner Kupferschrott wird in einem Ofen geschmolzen und anschließend reduziert und zu Knüppeln und Barren gegossen ; Schrott geringerer Reinheit wird durch Galvanisieren in einem Schwefelsäurebad veredelt .

Legierungen

Es wurden zahlreiche Kupferlegierungen formuliert , von denen viele wichtige Verwendungszwecke haben. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink . Bronze bezieht sich normalerweise auf Kupfer- Zinn- Legierungen, kann sich jedoch auf jede beliebige Kupferlegierung wie Aluminiumbronze beziehen . Kupfer ist einer der wichtigsten Bestandteile von Silber- und Karatgoldloten , die in der Schmuckindustrie verwendet werden, und modifiziert die Farbe, Härte und den Schmelzpunkt der resultierenden Legierungen. Einige bleifreie Lote bestehen aus Zinn, das mit einem geringen Anteil an Kupfer und anderen Metallen legiert ist.

Die Legierung aus Kupfer und Nickel , Kupfernickel genannt , wird in Münzen mit niedrigem Nennwert verwendet, oft für die äußere Umhüllung. Die US-amerikanische Fünf-Cent-Münze (derzeit Nickel genannt ) besteht aus 75 % Kupfer und 25 % Nickel in homogener Zusammensetzung. Vor der Einführung von Kupfernickel, das in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts von vielen Ländern übernommen wurde, wurden auch Legierungen aus Kupfer und Silber verwendet, wobei die Vereinigten Staaten bis 1965 eine Legierung aus 90 % Silber und 10 % Kupfer verwendeten Umlaufendes Silber wurde aus allen Münzen mit Ausnahme des Halbdollars entfernt – diese wurden zwischen 1965 und 1970 zu einer Legierung aus 40 % Silber und 60 % Kupfer herabgesetzt Korrosion, wird für verschiedene Objekte verwendet, die Meerwasser ausgesetzt sind, obwohl es anfällig für die Sulfide ist, die manchmal in verschmutzten Häfen und Flussmündungen zu finden sind. Kupferlegierungen mit Aluminium (ca. 7%) haben eine goldene Farbe und werden in Dekorationen verwendet. Shakudō ist eine japanische dekorative Kupferlegierung mit einem geringen Goldanteil, typischerweise 4–10 %, die zu einer dunkelblauen oder schwarzen Farbe patiniert werden kann.

Verbindungen

Kupfer bildet eine Vielzahl von Verbindungen, normalerweise mit den Oxidationsstufen +1 und +2, die oft als Kupfer(I ) bzw. Kupfer(II) bezeichnet werden . Kupferverbindungen, ob organische Komplexe oder metallorganische Verbindungen , fördern oder katalysieren zahlreiche chemische und biologische Prozesse.

Binäre Verbindungen

Wie bei anderen Elementen sind die einfachsten Verbindungen von Kupfer binäre Verbindungen, dh solche, die nur zwei Elemente enthalten, wobei die wichtigsten Beispiele Oxide, Sulfide und Halogenide sind . Sowohl Kupfer(I) - als auch Kupfer(II)-Oxide sind bekannt. Unter den zahlreichen Kupfersulfiden sind Kupfer(I)-Sulfide und Kupfer(II)-Sulfide wichtige Beispiele .

Kupferhalogenide mit Fluor , Chlor , Brom und Jod sind bekannt, ebenso wie Kupferhalogenide mit Fluor , Chlor und Brom . Versuche, Kupfer(II)-iodid herzustellen, liefern nur Kupfer(I)-iodid und -iod.

2 Cu ²⁺ + 4 I ⁻ → 2 CuI + I ₂

Koordinationschemie

Kupfer bildet mit Liganden Koordinationskomplexe . In wässriger Lösung liegt Kupfer(II) als [Cu(H) vor
₂Ö)
₆]²⁺
. Dieser Komplex weist die schnellste Wasseraustauschrate (Geschwindigkeit der Anlagerung und Ablösung von Wasserliganden) für alle Übergangsmetall- Aquo-Komplexe auf . Die Zugabe von wässrigem Natriumhydroxid bewirkt die Ausfällung von hellblauem festem Kupfer(II)-hydroxid . Eine vereinfachte Gleichung lautet:

Cu ²⁺ + 2 OH ⁻ → Cu(OH) ₂

Wässriger Ammoniak führt zu demselben Niederschlag. Bei Zugabe von überschüssigem Ammoniak löst sich der Niederschlag auf und bildet Tetraaminkupfer (II) :

Cu(H
₂Ö)
₄(OH)
₂+ 4 NH ₃ → [Cu(H
₂Ö)
₂(NH
₃)
₄]²⁺
+ 2 H ₂ O + 2 OH ⁻

Viele andere Oxyanionen bilden Komplexe; dazu gehören Kupfer(II)acetat , Kupfer(II)nitrat und Kupfer(II)carbonat . Kupfer(II)sulfat bildet ein blaues kristallines Pentahydrat , die bekannteste Kupferverbindung im Labor. Es wird in einem Fungizid namens Bordeaux-Mischung verwendet .

Polyole , Verbindungen, die mehr als eine funktionelle Alkoholgruppe enthalten , interagieren im Allgemeinen mit Kupfersalzen. Beispielsweise werden Kupfersalze verwendet, um auf reduzierende Zucker zu testen . Insbesondere wird bei Verwendung von Benedict's Reagenz und Fehling's Lösung die Anwesenheit des Zuckers durch einen Farbumschlag von blauem Cu(II) zu rötlichem Kupfer(I)-Oxid signalisiert. Schweizers Reagenz und verwandte Komplexe mit Ethylendiamin und anderen Aminen lösen Cellulose auf . Aminosäuren wie Cystin bilden mit Kupfer(II) sehr stabile Chelatkomplexe , auch in Form von metallorganischen Biohybriden (MOBs). Es gibt viele nasschemische Tests für Kupferionen, darunter Kaliumferrocyanid , das mit Kupfer(II)-Salzen einen braunen Niederschlag ergibt.

Organokupferchemie

Verbindungen, die eine Kohlenstoff-Kupfer-Bindung enthalten, werden als Organokupferverbindungen bezeichnet. Sie sind gegenüber Sauerstoff sehr reaktiv, um Kupfer(I)-oxid zu bilden, und haben viele Anwendungen in der Chemie . Sie werden synthetisiert, indem Kupfer(I)-Verbindungen mit Grignard-Reagenzien , terminalen Alkinen oder Organolithium-Reagenzien behandelt werden ; insbesondere erzeugt die zuletzt beschriebene Reaktion ein Gilman-Reagens . Diese können mit Alkylhalogeniden unter Bildung von Kupplungsprodukten substituiert werden ; als solche sind sie wichtig auf dem Gebiet der organischen Synthese . Kupfer(I)-acetylid ist sehr stoßempfindlich, ist aber ein Zwischenprodukt bei Reaktionen wie der Cadiot-Chodkiewicz-Kupplung und der Sonogashira-Kupplung . Die konjugierte Addition an Enone und die Carbocuprierung von Alkinen können auch mit Organokupferverbindungen erreicht werden. Kupfer(I) bildet eine Vielzahl schwacher Komplexe mit Alkenen und Kohlenmonoxid , insbesondere in Gegenwart von Aminliganden.

Kupfer(III) und Kupfer(IV)

Kupfer(III) kommt am häufigsten in Oxiden vor. Ein einfaches Beispiel ist Kaliumcuprat , KCuO ₂ , ein blauschwarzer Feststoff. Die am besten untersuchten Kupfer(III)-Verbindungen sind die Cuprat-Supraleiter . Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBa ₂ Cu ₃ O ₇ ) besteht sowohl aus Cu(II)- als auch aus Cu(III)-Zentren. Fluorid ist wie Oxid ein stark basisches Anion und dafür bekannt, Metallionen in hohen Oxidationsstufen zu stabilisieren. Sowohl Kupfer(III)- als auch Kupfer(IV)-Fluoride sind bekannt, K ₃ CuF ₆ bzw. Cs ₂ CuF ₆ .

Einige Kupferproteine ​​bilden Oxo-Komplexe , die ebenfalls Kupfer(III) aufweisen. Bei Tetrapeptiden werden purpurfarbene Kupfer(III)-Komplexe durch die deprotonierten Amidliganden stabilisiert .

Kupfer(III)-Komplexe werden auch als Zwischenprodukte in Reaktionen von Organokupferverbindungen gefunden. Zum Beispiel in der Kharasch-Sosnovsky-Reaktion .

Geschichte

Eine Zeitleiste aus Kupfer veranschaulicht, wie dieses Metall die menschliche Zivilisation in den letzten 11.000 Jahren vorangebracht hat.

Prähistorisch

Kupferzeit

Kupfer kommt in der Natur als natives metallisches Kupfer vor und war einigen der ältesten Zivilisationen bekannt. Die Geschichte der Kupferverwendung reicht im Nahen Osten bis 9000 v. Chr. zurück; Im Nordirak wurde ein Kupferanhänger aus dem Jahr 8700 v. Chr. Gefunden. Es gibt Hinweise darauf, dass Gold und meteorisches Eisen (aber nicht geschmolzenes Eisen) vor Kupfer die einzigen Metalle waren, die von Menschen verwendet wurden. Es wird angenommen, dass die Geschichte der Kupfermetallurgie dieser Reihenfolge folgt: Zuerst Kaltbearbeitung von nativem Kupfer, dann Glühen , Schmelzen und schließlich Wachsausschmelzguss . In Südostanatolien treten alle vier dieser Techniken mehr oder weniger gleichzeitig zu Beginn des Neolithikums c auf. 7500 v. Chr.

Die Kupferschmelze wurde unabhängig voneinander an verschiedenen Orten erfunden. Es wurde wahrscheinlich in China vor 2800 v. Chr., in Mittelamerika um 600 n. Chr. und in Westafrika um das 9. oder 10. Jahrhundert n. Chr. entdeckt. Der Feinguss wurde 4500–4000 v. Chr. in Südostasien erfunden, und die Kohlenstoffdatierung hat den Bergbau bei Alderley Edge in Cheshire , Großbritannien, zwischen 2280 und 1890 v. Chr. etabliert. Ötzi der Mann aus dem Eis , ein Mann aus den Jahren 3300 bis 3200 v. Chr., wurde mit einer Axt mit einem Kupferkopf von 99,7 % Reinheit gefunden; Hohe Arsenwerte in seinem Haar deuten auf eine Beteiligung an der Kupferverhüttung hin. Die Erfahrung mit Kupfer hat die Entwicklung anderer Metalle unterstützt; insbesondere die Kupferverhüttung führte zur Entdeckung der Eisenverhüttung . Die Produktion im Old Copper Complex in Michigan und Wisconsin wird zwischen 6000 und 3000 v. Chr. Datiert. Natürliche Bronze, eine Art Kupfer, das aus silizium-, arsen- und (selten) zinnreichen Erzen hergestellt wird, wurde um 5500 v. Chr. Auf dem Balkan allgemein verwendet.

Bronzezeit

Das Legieren von Kupfer mit Zinn zur Herstellung von Bronze wurde erstmals etwa 4000 Jahre nach der Entdeckung der Kupferverhüttung und etwa 2000 Jahre nach der allgemeinen Verwendung von "natürlicher Bronze" praktiziert. Bronzeartefakte aus der Vinča-Kultur stammen aus dem Jahr 4500 v. Sumerische und ägyptische Artefakte aus Kupfer- und Bronzelegierungen stammen aus dem Jahr 3000 v. Die Bronzezeit begann in Südosteuropa um 3700–3300 v. Chr., in Nordwesteuropa um 2500 v. Sie endete mit dem Beginn der Eisenzeit, 2000–1000 v. Chr. im Nahen Osten und 600 v. Chr. in Nordeuropa. Der Übergang zwischen der Jungsteinzeit und der Bronzezeit wurde früher als Chalkolithikum (Kupferstein) bezeichnet, als Kupferwerkzeuge mit Steinwerkzeugen verwendet wurden. Der Begriff ist allmählich in Ungnade gefallen, weil in einigen Teilen der Welt das Chalkolithikum und das Neolithikum an beiden Enden zusammenfallen. Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink, ist viel jüngeren Ursprungs. Es war den Griechen bekannt, wurde aber während des Römischen Reiches zu einer bedeutenden Ergänzung zur Bronze.

Antike und postklassische

In Griechenland war Kupfer unter dem Namen Chalkos (χαλκός) bekannt . Es war eine wichtige Ressource für die Römer, Griechen und andere antike Völker. In der Römerzeit war es als aes Cyprium bekannt , wobei aes der allgemeine lateinische Begriff für Kupferlegierungen und Cyprium aus Zypern ist , wo viel Kupfer abgebaut wurde. Der Ausdruck wurde zu Cuprum vereinfacht , daher das englische Kupfer . Aphrodite ( Venus in Rom) repräsentierte Kupfer in der Mythologie und Alchemie wegen seiner glänzenden Schönheit und seiner alten Verwendung zur Herstellung von Spiegeln; Zypern, die Kupferquelle, war der Göttin heilig. Die den Alten bekannten sieben Himmelskörper wurden mit den sieben in der Antike bekannten Metallen in Verbindung gebracht, und Venus wurde Kupfer zugeordnet, sowohl wegen der Verbindung zur Göttin als auch weil Venus der hellste Himmelskörper nach Sonne und Mond war und so entsprach das glänzendste und begehrteste Metall nach Gold und Silber.

Kupfer wurde bereits 2100 v. Chr. im alten Britannien abgebaut. Der Abbau in der größten dieser Minen, der Great Orme , dauerte bis in die späte Bronzezeit. Der Bergbau scheint weitgehend auf supergene Erze beschränkt gewesen zu sein , die leichter zu verhütten waren. Die reichen Kupfervorkommen von Cornwall scheinen trotz des umfangreichen Zinnabbaus in der Region weitgehend unberührt geblieben zu sein, wahrscheinlich eher aus sozialen und politischen als aus technologischen Gründen.

In Nordamerika begann der Kupferabbau mit Randarbeiten der amerikanischen Ureinwohner. Es ist bekannt, dass einheimisches Kupfer zwischen 800 und 1600 an Standorten auf der Isle Royale mit primitiven Steinwerkzeugen gewonnen wurde. Die Kupfermetallurgie blühte in Südamerika, insbesondere in Peru, um das Jahr 1000 n. Chr. Auf. Grabschmuck aus Kupfer aus dem 15. Jahrhundert wurde freigelegt, aber die kommerzielle Produktion des Metalls begann erst im frühen 20. Jahrhundert.

Die kulturelle Rolle von Kupfer war wichtig, insbesondere in Bezug auf Währungen. Die Römer im 6. bis 3. Jahrhundert v. Chr. verwendeten Kupferklumpen als Geld. Zunächst wurde das Kupfer selbst geschätzt, aber allmählich gewannen Form und Aussehen des Kupfers an Bedeutung. Julius Caesar ließ seine eigenen Münzen aus Messing herstellen, während Octavian Augustus Caesars Münzen aus Cu-Pb-Sn-Legierungen hergestellt wurden. Mit einer geschätzten Jahresproduktion von rund 15.000 t erreichten die römischen Kupferbergbau- und -verhüttungsaktivitäten ein Ausmaß, das bis zur Zeit der industriellen Revolution unübertroffen war ; die am intensivsten abgebauten Provinzen waren die von Hispania , Zypern und Mitteleuropa.

Die Tore des Tempels von Jerusalem verwendeten korinthische Bronze , die mit Verarmungsvergoldung behandelt wurde . Der Prozess war am weitesten verbreitet in Alexandria , wo die Alchemie vermutlich begonnen hat. Im alten Indien wurde Kupfer in der ganzheitlichen Heilkunde Ayurveda für chirurgische Instrumente und andere medizinische Geräte verwendet. Die alten Ägypter ( ~2400 v. Chr. ) verwendeten Kupfer zum Sterilisieren von Wunden und Trinkwasser und später zur Behandlung von Kopfschmerzen, Verbrennungen und Juckreiz.

Modern

Der Große Kupferberg war eine Mine in Falun, Schweden, die vom 10. Jahrhundert bis 1992 in Betrieb war. Sie deckte im 17. Jahrhundert zwei Drittel des europäischen Kupferverbrauchs und half, viele der schwedischen Kriege in dieser Zeit zu finanzieren. Es wurde als Schatzkammer der Nation bezeichnet; Schweden hatte eine kupfergedeckte Währung .

Kupfer wird für Dächer, Währungen und für die als Daguerreotypie bekannte fotografische Technologie verwendet . Kupfer wurde in der Renaissance- Skulptur verwendet und wurde zum Bau der Freiheitsstatue verwendet ; Kupfer wird weiterhin im Bau verschiedener Arten verwendet. Kupferplattierungen und Kupferummantelungen wurden häufig zum Schutz der Unterwasserrümpfe von Schiffen verwendet, eine Technik, die im 18. Jahrhundert von der britischen Admiralität entwickelt wurde. Die Norddeutsche Affinerie in Hamburg war das erste moderne Galvanikwerk , das 1876 seine Produktion aufnahm. Der deutsche Wissenschaftler Gottfried Osann erfand 1830 die Pulvermetallurgie , indem er die Atommasse des Metalls bestimmte; Damals wurde entdeckt, dass die Menge und Art des Legierungselements (z. B. Zinn) für Kupfer die Glockentöne beeinflussen würde.

Während des Anstiegs der Nachfrage nach Kupfer für das Zeitalter der Elektrizität, von den 1880er Jahren bis zur Weltwirtschaftskrise der 1930er Jahre, produzierten die Vereinigten Staaten ein Drittel bis die Hälfte des weltweit neu geförderten Kupfers. Zu den wichtigsten Distrikten gehörte der Keweenaw-Distrikt im Norden von Michigan, hauptsächlich einheimische Kupfervorkommen, die Ende der 1880er Jahre von den riesigen Sulfidvorkommen von Butte, Montana , verdunkelt wurden , die selbst von Porphyrvorkommen im Südwesten der Vereinigten Staaten, insbesondere am Bingham Canyon, verdunkelt wurden. Utah und Morenci, Arizona . Die Einführung des Dampfschaufelbergbaus im Tagebau und Innovationen beim Schmelzen, Raffinieren, Flotationskonzentrieren und anderen Verarbeitungsschritten führten zur Massenproduktion. Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts stand Arizona an erster Stelle, gefolgt von Montana , dann Utah und Michigan .

Das Schwebeschmelzen wurde von Outokumpu in Finnland entwickelt und erstmals 1949 in Harjavalta angewendet ; Das energieeffiziente Verfahren macht 50 % der weltweiten Primärkupferproduktion aus.

Der 1967 von Chile, Peru, Zaire und Sambia gegründete Zwischenstaatliche Rat der kupferexportierenden Länder (Intergovernmental Council of Copper Exporting Countries) agierte auf dem Kupfermarkt wie die OPEC auf dem Ölmarkt, erreichte jedoch nie den gleichen Einfluss, insbesondere wegen des zweitgrößten Produzenten, der Vereinigten Staaten Er war nie Mitglied; es wurde 1988 aufgelöst.

Anwendungen

Die Hauptanwendungen von Kupfer sind Elektrokabel (60 %), Bedachungen und Klempnerarbeiten (20 %) sowie Industriemaschinen (15 %). Kupfer wird meistens als reines Metall verwendet, aber wenn eine größere Härte erforderlich ist, wird es in Legierungen wie Messing und Bronze (5 % der Gesamtverwendung) eingebracht. Seit mehr als zwei Jahrhunderten wird Kupferfarbe auf Bootsrümpfen verwendet, um das Wachstum von Pflanzen und Schalentieren zu kontrollieren. Ein kleiner Teil der Kupferversorgung wird für Nahrungsergänzungsmittel und Fungizide in der Landwirtschaft verwendet. Die maschinelle Bearbeitung von Kupfer ist möglich, obwohl Legierungen für eine gute Bearbeitbarkeit bei der Herstellung komplizierter Teile bevorzugt werden.

Draht und Kabel

Trotz der Konkurrenz durch andere Materialien bleibt Kupfer der bevorzugte elektrische Leiter in fast allen Kategorien von elektrischen Leitungen, mit Ausnahme der elektrischen Energieübertragung von oben, wo Aluminium oft bevorzugt wird. Kupferdraht wird in der Stromerzeugung , Stromübertragung , Stromverteilung , Telekommunikation , elektronischen Schaltungen und unzähligen Arten von Elektrogeräten verwendet . Die Elektroinstallation ist der wichtigste Markt für die Kupferindustrie. Dazu gehören strukturelle Stromkabel, Stromverteilungskabel, Gerätekabel, Kommunikationskabel, Automobilkabel und -kabel sowie Lackdraht. Etwa die Hälfte des gesamten geförderten Kupfers wird für elektrische Drähte und Kabelleiter verwendet. Viele elektrische Geräte verlassen sich auf Kupferverdrahtung aufgrund ihrer Vielzahl von inhärenten vorteilhaften Eigenschaften, wie z. B. hohe elektrische Leitfähigkeit , Zugfestigkeit , Duktilität , Kriechfestigkeit (Verformung) , Korrosionsbeständigkeit , geringe Wärmeausdehnung , hohe Wärmeleitfähigkeit , leichtes Löten , Formbarkeit , und einfache Installation.

Für einen kurzen Zeitraum von Ende der 1960er bis Ende der 1970er Jahre wurden in vielen Wohnungsbauprojekten in Amerika Kupferkabel durch Aluminiumkabel ersetzt. Die neue Verkabelung war in eine Reihe von Hausbränden verwickelt und die Industrie kehrte zu Kupfer zurück.

Elektronik und verwandte Geräte

Integrierte Schaltkreise und gedruckte Schaltungen weisen aufgrund seiner überlegenen elektrischen Leitfähigkeit zunehmend Kupfer anstelle von Aluminium auf; Kühlkörper und Wärmetauscher verwenden Kupfer wegen seiner hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften. Elektromagnete , Vakuumröhren , Kathodenstrahlröhren und Magnetrons in Mikrowellenherden verwenden Kupfer, ebenso wie Wellenleiter für Mikrowellenstrahlung.

Elektromotoren

Die überlegene Leitfähigkeit von Kupfer verbessert die Effizienz von Elektromotoren . Dies ist wichtig, da Motoren und motorbetriebene Systeme 43–46 % des gesamten Stromverbrauchs weltweit und 69 % des gesamten Stromverbrauchs der Industrie ausmachen. Die Erhöhung der Masse und des Querschnitts von Kupfer in einer Spule erhöht die Effizienz des Motors. Motorrotoren aus Kupfer , eine neue Technologie, die für Motoranwendungen entwickelt wurde, bei denen Energieeinsparungen vorrangige Konstruktionsziele sind, ermöglichen Allzweck- Induktionsmotoren , die Premium-Effizienzstandards der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) zu erfüllen und zu übertreffen .

Erneuerbare Energieerzeugung

Die Architektur

Kupfer wird seit der Antike als langlebiges, korrosionsbeständiges und wetterfestes Baumaterial verwendet. Dächer , Dachbleche , Regenrinnen , Fallrohre , Kuppeln , Türme , Gewölbe und Türen werden seit Hunderten oder Tausenden von Jahren aus Kupfer hergestellt. Die architektonische Verwendung von Kupfer wurde in der Neuzeit auf Innen- und Außenwandverkleidungen , Gebäudedehnungsfugen , Hochfrequenzabschirmung und antimikrobielle und dekorative Innenprodukte wie attraktive Handläufe, Badezimmerarmaturen und Arbeitsplatten ausgeweitet. Zu den weiteren wichtigen Vorteilen von Kupfer als Baumaterial zählen eine geringe thermische Bewegung , geringes Gewicht, Blitzschutz und Recyclingfähigkeit

Die unverwechselbare natürliche grüne Patina des Metalls ist seit langem bei Architekten und Designern begehrt. Die abschließende Patina ist eine besonders haltbare Schicht, die sehr widerstandsfähig gegen atmosphärische Korrosion ist und so das darunter liegende Metall vor weiterer Verwitterung schützt. Es kann eine Mischung aus Carbonat- und Sulfatverbindungen in verschiedenen Mengen sein, abhängig von Umgebungsbedingungen wie schwefelhaltigem saurem Regen. Architekturkupfer und seine Legierungen können auch „veredelt“ werden , um ein bestimmtes Aussehen, eine bestimmte Haptik oder Farbe anzunehmen. Zu den Oberflächenbehandlungen gehören mechanische Oberflächenbehandlungen, chemische Färbungen und Beschichtungen.

Kupfer hat hervorragende Hartlöt- und Weichlöteigenschaften und ist schweißbar ; Die besten Ergebnisse werden beim Metall-Schutzgasschweißen erzielt .

Antibiofouling

Kupfer ist biostatisch , was bedeutet, dass Bakterien und viele andere Lebensformen darauf nicht wachsen. Aus diesem Grund wird es seit langem zur Auskleidung von Schiffsteilen zum Schutz vor Seepocken und Muscheln verwendet . Es wurde ursprünglich rein verwendet, wurde aber inzwischen von Muntz Metall- und Kupferlacken abgelöst. In ähnlicher Weise sind Kupferlegierungen, wie in Kupferlegierungen in der Aquakultur erörtert , zu wichtigen Netzmaterialien in der Aquakulturindustrie geworden, da sie antimikrobiell sind und Biobewuchs verhindern , selbst unter extremen Bedingungen, und starke strukturelle und korrosionsbeständige Eigenschaften in Meeresumgebungen aufweisen.

Antimikrobiell

Touch-Oberflächen aus Kupferlegierungen haben natürliche Eigenschaften, die eine Vielzahl von Mikroorganismen zerstören (z. B. E. coli O157:H7, Methicillin -resistenter Staphylococcus aureus ( MRSA ), Staphylococcus , Clostridium difficile , Influenza-A-Virus , Adenovirus , SARS-Cov-2 und Pilze ). Inder haben seit der Antike Kupfergefäße zur Wasserspeicherung verwendet, noch bevor die moderne Wissenschaft ihre antimikrobiellen Eigenschaften erkannte. Einige Kupferlegierungen töten nachweislich mehr als 99,9 % der krankheitserregenden Bakterien innerhalb von nur zwei Stunden ab, wenn sie regelmäßig gereinigt werden. Die United States Environmental Protection Agency (EPA) hat die Registrierungen dieser Kupferlegierungen als „ antimikrobielle Materialien mit Nutzen für die öffentliche Gesundheit“ genehmigt; Diese Zulassung ermöglicht es den Herstellern, rechtliche Ansprüche auf die Vorteile für die öffentliche Gesundheit von Produkten geltend zu machen, die aus registrierten Legierungen hergestellt wurden. Darüber hinaus hat die EPA eine lange Liste von antimikrobiellen Kupferprodukten genehmigt, die aus diesen Legierungen hergestellt werden , wie z Griffe (eine umfassende Liste finden Sie unter: Antimikrobielle Berührungsoberflächen aus Kupferlegierung#Zugelassene Produkte ). Kupfertürklinken werden von Krankenhäusern verwendet, um die Übertragung von Krankheiten zu reduzieren, und die Legionärskrankheit wird durch Kupferrohre in Sanitärsystemen unterdrückt. Antimikrobielle Produkte aus Kupferlegierungen werden jetzt in Gesundheitseinrichtungen in Großbritannien, Irland, Japan, Korea, Frankreich, Dänemark und Brasilien installiert und in den USA und im U-Bahn-System in Santiago, Chile, gefordert Zwischen 2011 und 2014 wurden an etwa 30 Stationen Handläufe aus einer Kupfer-Zink-Legierung installiert. Textilfasern können mit Kupfer gemischt werden, um antimikrobielle Schutzgewebe herzustellen.

Spekulatives Investieren

Kupfer kann aufgrund des prognostizierten Anstiegs der Nutzung durch das weltweite Infrastrukturwachstum und der wichtigen Rolle, die es bei der Herstellung von Windturbinen , Sonnenkollektoren und anderen erneuerbaren Energiequellen spielt, als spekulative Investition verwendet werden. Ein weiterer Grund für den prognostizierten Nachfrageanstieg ist die Tatsache, dass Elektroautos im Durchschnitt 3,6-mal so viel Kupfer enthalten wie herkömmliche Autos, obwohl die Auswirkungen von Elektroautos auf die Kupfernachfrage diskutiert werden. Einige Leute investieren in Kupfer über Kupferminenaktien, ETFs und Futures . Andere lagern physisches Kupfer in Form von Kupferbarren oder -runden, obwohl diese im Vergleich zu Edelmetallen tendenziell einen höheren Aufschlag haben. Wer die Prämien für Kupferbarren vermeiden möchte, lagert alternativ alten Kupferdraht , Kupferrohre oder amerikanische Pfennige, die vor 1982 hergestellt wurden .

Volksmedizin

Kupfer wird häufig in Schmuck verwendet, und laut einiger Folklore lindern Kupferarmbänder Arthritis -Symptome. In einer Studie zu Osteoarthritis und einer Studie zu rheumatoider Arthritis wurden keine Unterschiede zwischen dem Kupferarmband und dem Kontrollarmband (ohne Kupfer) festgestellt. Es gibt keine Hinweise darauf, dass Kupfer über die Haut aufgenommen werden kann. Andernfalls könnte es zu einer Kupfervergiftung kommen .

Kompressionskleidung

In letzter Zeit wurde einige Kompressionskleidung mit eingewebtem Kupfer mit gesundheitsbezogenen Angaben vermarktet, die den volksmedizinischen Angaben ähneln. Da Kompressionskleidung eine gültige Behandlung für einige Beschwerden ist, kann die Kleidung diesen Vorteil haben, aber das hinzugefügte Kupfer hat möglicherweise keinen Nutzen über einen Placebo-Effekt hinaus .

Degradierung

Chromobacterium violaceum und Pseudomonas fluorescens können beide festes Kupfer als Cyanidverbindung mobilisieren. Die mit Calluna , Erica und Vaccinium assoziierten erikoiden Mykorrhizapilzekönnen in kupferhaltigen metallhaltigen Böden wachsen. Der Ektomykorrhizapilz Suillus luteus schützt junge Kiefern vor Kupfertoxizität. Eine Probe des Pilzes Aspergillus niger wurde gefunden, der aus einer Goldminenlösung wuchs und Cyanokomplexe von Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Eisen und Zink enthielt. Der Pilz spielt auch eine Rolle bei der Solubilisierung von Schwermetallsulfiden.

Biologische Rolle

Biochemie

Kupferproteine ​​​​spielen verschiedene Rollen beim biologischen Elektronentransport und Sauerstofftransport, Prozesse, die die einfache Umwandlung von Cu (I) und Cu (II) ausnutzen. Kupfer ist für die aerobe Atmung aller Eukaryoten essentiell . In den Mitochondrien findet man es in der Cytochrom-c-Oxidase , dem letzten Protein der oxidativen Phosphorylierung . Cytochrom-c-Oxidase ist das Protein, das O ₂ zwischen Kupfer und Eisen bindet; Das Protein überträgt 8 Elektronen auf das O ₂ -Molekül, um es zu zwei Wassermolekülen zu reduzieren. Kupfer kommt auch in vielen Superoxid-Dismutasen vor , Proteinen, die die Zersetzung von Superoxiden katalysieren, indem sie es (durch Disproportionierung ) in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid umwandeln :

• Cu ²⁺ -SOD + O ₂ ⁻ → Cu ⁺ -SOD + O ₂ (Reduktion von Kupfer; Oxidation von Superoxid)
• Cu ⁺ -SOD + O ₂ ⁻ + 2H ⁺ → Cu ²⁺ -SOD + H ₂ O ₂ (Oxidation von Kupfer; Reduktion von Superoxid)

Das Protein Hämocyanin ist der Sauerstoffträger in den meisten Mollusken und einigen Arthropoden wie dem Pfeilschwanzkrebs ( Limulus polyphemus ). Da Hämocyanin blau ist, haben diese Organismen eher blaues Blut als das rote Blut von Hämoglobin auf Eisenbasis . Strukturell mit Hämocyanin verwandt sind die Laccasen und Tyrosinasen . Anstatt reversibel Sauerstoff zu binden, hydroxylieren diese Proteine ​​Substrate, was durch ihre Rolle bei der Bildung von Lacken verdeutlicht wird . Die biologische Rolle von Kupfer begann mit dem Auftreten von Sauerstoff in der Erdatmosphäre. Mehrere Kupferproteine, wie die "blauen Kupferproteine", interagieren nicht direkt mit Substraten; daher sind sie keine Enzyme. Diese Proteine ​​geben Elektronen durch den als Elektronentransfer bezeichneten Prozess weiter .

In der Lachgasreduktase wurde ein einzigartiges vierkerniges Kupferzentrum gefunden .

Chemische Verbindungen, die zur Behandlung der Wilson-Krankheit entwickelt wurden, wurden zur Verwendung in der Krebstherapie untersucht.

Ernährung

Kupfer ist ein essentielles Spurenelement in Pflanzen und Tieren, aber nicht in allen Mikroorganismen. Der menschliche Körper enthält Kupfer in einer Menge von etwa 1,4 bis 2,1 mg pro kg Körpermasse.

Absorption

Kupfer wird im Darm absorbiert und dann an Albumin gebunden zur Leber transportiert . Nach der Verarbeitung in der Leber wird Kupfer in einer zweiten Phase an andere Gewebe verteilt, an der das Protein Ceruloplasmin beteiligt ist , das den größten Teil des Kupfers im Blut transportiert. Ceruloplasmin trägt auch das in die Milch ausgeschiedene Kupfer und wird als Kupferquelle besonders gut resorbiert. Kupfer im Körper unterliegt normalerweise einem enterohepatischen Kreislauf (etwa 5 mg pro Tag, vs. etwa 1 mg pro Tag, das mit der Nahrung aufgenommen und aus dem Körper ausgeschieden wird), und der Körper ist in der Lage, etwas überschüssiges Kupfer bei Bedarf über die Galle auszuscheiden . das etwas Kupfer aus der Leber transportiert, das dann nicht vom Darm resorbiert wird.

Ernährungsempfehlungen

Das US Institute of Medicine (IOM) hat im Jahr 2001 den geschätzten durchschnittlichen Bedarf (EARs) und die empfohlenen Nahrungsmengen (RDAs) für Kupfer aktualisiert. Liegen keine ausreichenden Informationen zur Erstellung von EARs und RDAs vor, wird eine Schätzung mit der Bezeichnung „Angemessene Zufuhr“ (AI ) verwendet stattdessen. Die AIs für Kupfer sind: 200 μg Kupfer für 0–6 Monate alte Männer und Frauen und 220 μg Kupfer für 7–12 Monate alte Männer und Frauen. Die RDAs für Kupfer sind für beide Geschlechter: 340 μg Kupfer für 1–3 Jahre, 440 μg Kupfer für 4–8 Jahre, 700 μg Kupfer für 9–13 Jahre, 890 μg Kupfer für 14– 18 Jahre und 900 μg Kupfer ab 19 Jahren. Für die Schwangerschaft 1.000 μg. Für die Stillzeit 1.300 μg. Aus Sicherheitsgründen legt die IOM auch tolerierbare obere Aufnahmemengen (ULs) für Vitamine und Mineralstoffe fest, wenn die Beweise ausreichend sind. Bei Kupfer liegt der UL bei 10 mg/Tag. Zusammen werden die EARs, RDAs, AIs und ULs als Dietary Reference Intakes bezeichnet .

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bezeichnet den kollektiven Satz von Informationen als Ernährungsreferenzwerte, mit Population Reference Intake (PRI) anstelle von RDA und Average Requirement anstelle von EAR. AI und UL haben die gleichen Definitionen wie in den Vereinigten Staaten. Für Frauen und Männer ab 18 Jahren sind die AIs auf 1,3 bzw. 1,6 mg/Tag festgelegt. AIs für Schwangerschaft und Stillzeit beträgt 1,5 mg/Tag. Bei Kindern im Alter von 1–17 Jahren steigen die AIs mit dem Alter von 0,7 auf 1,3 mg/Tag an. Diese AIs sind höher als die US-RDAs. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit überprüfte dieselbe Sicherheitsfrage und legte ihren UL auf 5 mg/Tag fest, was der Hälfte des US-Werts entspricht.

Für die Kennzeichnung von Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln in den USA wird die Menge in einer Portion als Prozentsatz des Tageswerts (%DV) ausgedrückt. Für Kupferkennzeichnungszwecke war 100 % des Tageswertes 2,0 mg, aber am 27. Mai 2016 wurde er auf 0,9 mg revidiert, um ihn in Übereinstimmung mit der RDA zu bringen. Eine Tabelle der alten und neuen Tageswerte für Erwachsene finden Sie unter Reference Daily Intake .

Mangel

Aufgrund seiner Rolle bei der Förderung der Eisenaufnahme kann Kupfermangel Anämie -ähnliche Symptome, Neutropenie , Knochenanomalien, Hypopigmentierung, Wachstumsstörungen, vermehrtes Auftreten von Infektionen, Osteoporose, Hyperthyreose und Anomalien im Glukose- und Cholesterinstoffwechsel hervorrufen . Umgekehrt verursacht die Wilson-Krankheit eine Ansammlung von Kupfer im Körpergewebe.

Ein schwerer Mangel kann durch Tests auf niedrige Plasma- oder Serum-Kupferspiegel, niedrige Ceruloplasmin- und niedrige Superoxid-Dismutase-Spiegel in roten Blutkörperchen festgestellt werden; diese sind nicht empfindlich gegenüber dem marginalen Kupferstatus. Die „Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität von Leukozyten und Blutplättchen“ wurde als ein weiterer Mangelfaktor angegeben, aber die Ergebnisse wurden nicht durch Replikation bestätigt.

Toxizität

Gramm-Mengen verschiedener Kupfersalze wurden bei Selbstmordversuchen eingenommen und führten beim Menschen zu einer akuten Kupfertoxizität, möglicherweise aufgrund von Redoxzyklen und der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies , die die DNA schädigen . Entsprechende Mengen an Kupfersalzen (30 mg/kg) sind für Tiere giftig. Es wurde berichtet, dass ein minimaler Nahrungswert für ein gesundes Wachstum bei Kaninchen mindestens 3 ppm in der Nahrung beträgt . Höhere Kupferkonzentrationen (100 ppm, 200 ppm oder 500 ppm) in der Nahrung von Kaninchen können jedoch die Futterverwertungseffizienz , die Wachstumsraten und den Prozentsatz der Schlachtkörperbehandlung günstig beeinflussen.

Eine chronische Kupfertoxizität tritt beim Menschen normalerweise nicht auf, da Transportsysteme die Absorption und Ausscheidung regulieren. Autosomal-rezessive Mutationen in Kupfertransportproteinen können diese Systeme deaktivieren, was bei Personen, die zwei defekte Gene geerbt haben, zu Morbus Wilson mit Kupferakkumulation und Leberzirrhose führt.

Erhöhte Kupferspiegel wurden auch mit einer Verschlechterung der Symptome der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht .

Menschliche Exposition

In den USA hat die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) einen zulässigen Expositionsgrenzwert (PEL) für Kupferstaub und -dämpfe am Arbeitsplatz als zeitlich gewichteten Durchschnitt (TWA) von 1 mg/m ³ festgelegt . Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hat einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von 1 mg/m ³ als zeitlich gewichteter Durchschnitt festgelegt . Der IDLH- Wert (unmittelbar lebens- und gesundheitsgefährdend) liegt bei 100 mg/m ³ .

Kupfer ist ein Bestandteil von Tabakrauch . Die Tabakpflanze absorbiert und reichert Schwermetalle wie Kupfer leicht aus dem umgebenden Boden in ihren Blättern an. Diese werden nach einer Rauchinhalation leicht vom Körper des Benutzers absorbiert. Die gesundheitlichen Auswirkungen sind nicht klar.

Siehe auch

• Kupfer in erneuerbaren Energien
• Kupfer-Nanopartikel
• Erosionskorrosion von Kupferwasserrohren
  • Kaltwasserkorrosion von Kupferrohren
• Liste der Länder nach Kupferproduktion
• Metalldiebstahl
  • Operation Zittern

• Anaconda-Kupfer
• Antofagasta PLC
• Codelco
• Mine El Boleo
• Grube Grasberg

Verweise

Anmerkungen

Pourbaix-Diagramme für Kupfer

B. in reinem Wasser oder unter sauren oder alkalischen Bedingungen. Kupfer in neutralem Wasser ist edler als Wasserstoff.	in sulfidhaltigem Wasser	in 10 M Ammoniaklösung	in einer Chloridlösung

Weiterlesen

• Massaro, Edward J., Hrsg. (2002). Handbuch der Kupferpharmakologie und -toxikologie . Humana-Presse. ISBN 978-0-89603-943-8.
• " Kupfer: Technologie & Wettbewerbsfähigkeit (Zusammenfassung) Kapitel 6: Kupferproduktionstechnologie" (PDF) . Büro für Technikfolgenabschätzung. 2005.
• Current Medicinal Chemistry, Band 12, Nummer 10, Mai 2005, S. 1161–1208(48) Metalle, Toxizität und oxidativer Stress
• William D. Callister (2003). Materialwissenschaften und -technik: eine Einführung (6. Aufl.). Wiley, New York. Tabelle 6.1, p. 137. ISBN 978-0-471-73696-7.
• Material: Kupfer (Cu), Bulk , MEMS und Nanotechnology Clearinghouse.
• Kim BE; Nevitt T.; Thiele DJ (2008). "Mechanismen für den Erwerb, die Verteilung und die Regulierung von Kupfer". Nat. Chem. Biol . 4 (3): 176–85. doi : 10.1038/nchembio.72 . PMID  18277979 .

Externe Links

• Kupfer im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
• Informationsblatt zu Kupfer und Verbindungen aus dem National Pollutant Inventory of Australia
• Copper.org – offizielle Website der Copper Development Association mit einer umfangreichen Website zu Eigenschaften und Verwendungen von Kupfer
• Preisentwicklung von Kupfer laut IWF