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Kupfer (Cu) - Referat
Kupfer (Cu)
Zur Geschichte des Kupfers:
Kupfer ist das älteste Gebrauchsmetall (ca.5000 vor christlicher Zeitrechnung). Durch seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten hat es die Menschen stark beeinflusst. Archäologische Funde zeigen, dass schon in der Steinzeit (ca. vor 9000 Jahren) der Mensch den Wert von Kupfer erkannt hatte. Es wurden schon damals Töpfe, Pfannen, Waffen, Kessel und sogar Schmuck aus Kupfer hergestellt. Vor ca. 6500 Jahren waren die Möglichkeiten schon so weit, das Kupfer geschmolzen und gegossen werden konnte. Die alten Ägypter waren vor ca. 5000 Jahren vermutlich die ersten, die Kupfer mit anderen Materialien wie z.B. Zinn und Zink legierten, wodurch sie die Härte und den Schmelzpunkt mit der Legierung verändern konnten.
Zur Verhüttung von Kupfer wurde Holzkohle verwendet, die aus den Stämmen der dortigen Akazien und Dattelpalmen hergestellt wurden. Pro Tonne Kupfer wurden etwa 50 Akazien benötigt.
Metallisches Kupfer wurde von den nordamerikanischen Indianer schon vor 5000 Jahren an den naheliegenden Seen gesammelt. Sie stellten daraus durch kalte Bearbeitung Pfeilspitzen, Messer und Ornamente her.
Die Römer nannten das rötliche Metall „Aes cuprium“ also zyprisches Erz. Auf Zypern gab es schon seit dem 3. Jahrtausend grosse Kupferbergwerke und Verhüttungsanlagen.
Vom Rohstoff zum Werkstoff:
Kupfer kommt in reiner metallischer Form z.B. im Ural und in den USA am Oberen See, dem westlichen und größten der Großen Seen Nordamerikas sowie in New Mexiko vor. Zu den wichtigsten Kupferabbaugebieten zählen diese Seengebiete Nordamerikas, der Südwesten der USA und Sambia, der südliche Teil des Afrikanischen Kontinents.
Die Hauptlagerstätten von Kupfer sind neben den USA (Arizona, Montana), Brasilien, Mittelamerika, Afrika (Kantangagebiet, Rhodesien), ehmal. Sowjetunion, Kanada; kleine Lager in Europa: Spanien (Rio Tinto) Deutschland (Mansfeld), Karelien.
Die größte Kupferlagerstätte ist Chuquicamata in Chile mit einer Fläche 3X1,5 km.
Auch Australien, China und Indonesien, verfügen über nennenswerte Kupferabbaugebieten.
In Europa sind nur noch die Kupfervorkommen in Polen von wirtschaftlicher Bedeutung.
In Deutschland (Mansfelder Land) gab es geringe Mengen von Kupfer, diese sind jedoch erschöpft oder nicht mehr von wirtschaftlicher Bedeutung.
Die meisten Lagerstätten von Kupfer dürften in etwa 50 Jahren erschöpft sein.
Die Weltjahresproduktion liegt etwa bei 10 Millionen Tonnen, wobei fast 50% davon durch Recycling gewonnen wird. Kupferschrott ist eine Rohstoffquelle, die sehr wichtig ist. Darauf gehe ich im Punkt Recycling noch ein.
Die wichtigsten Kupfermineralen sind Chalcopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Covellin (CuS) und Bronit (Buntkupferkies, Cu5FeS4 ); dazu kommen noch Kupfer-Arsen und Kupfer-Antimonsulfide. Das Alter von Kupfer beträgt 30 Millionen Jahre; es wurde durch Verwitterungsprozesse teilweise zum Oxid umgesetzt und dabei bis auf 2% Kupfer angereichert.
98% der Produktion stammen jedoch vom sulfischen Erz, das eine ungewöhnlich hohe Kupferkonzentration von 1,6% enthält. Kupfersufid hat nämlich die einzigartige Eigenschaft, das eigene Reduktionsmittel zu enthalten, nämlich Schwefel. Es ist keine Kohle erforderlich, es genügt, das Erz an Luft zu erhitzen. Dabei wird ein Teil des Sulfids zum Kupferoxid umgesetzt, das mit weitere Sulfid reagiert: der Rückstand ist metallisches Kupfer, es entweicht Schwefeldioxid. Das Begleitmineral Pyrit (Eisensulfat) muss durch Zugabe von Quarzsand und Kalk verschlackt werden. Grosstechnisch erfolgt die Verhüttung im Strahlungsofen, wo das entwässerte Konzentrat bei 1300°C zum sogenannten Kupferstein aufgeschmolzen wird; es handelt sich um Kupfer-Eisen-Mischsulfid.
Eigenschaften von Kupfer:
Temperaturbeständigkeit : schmelzen 1083°C sieden 2567°C
Leitfähigkeit : sehr gut
Härte : 42000 Newten pro cm²
Elastizität (Ver)Formbarkeit :biegsam
Dichte : 8,9g/ cm³
Glanz, Farbe : rötlich
Atomasse : 63,546
Ordnungszahl : 29
Selten findet man Kupfer in metallischer Form. Meistens gewinnt man es aus Kupfererzen. Dort ist es mit Sauerstoff, Schwefel oder anderen Elementen verbunden. Um Kupfer aus Kupferoxiden zu gewinnen, kann man versuchen, das Oxid durch kräftiges Erhitzen mit dem Gasbrenner zu zerlegen. Silberoxid läßt sich tatsächlich auf diese weise zerlegen, doch bei Kupferoxid und den meisten anderen Metalloxiden gelingt das nicht.
Erhitzt man dagegen Kupferoxid zusammen mit Eisenpulver, so setzt nach kurzer Zeit eine Reaktion ein. Das Gemisch glüht auf. Als Reaktionsprodukt findet man Kupfer und Eisenoxid. Diesen Vorgang nennt man die sogenannte Redoxreaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion). Bei dieser Reaktion wird dem Kupferoxid der Sauerstoff entzogen. Man sagt, das Kupferoxid wird zu Kupfer reduziert. Das Eisen nimmt den Sauerstoff auf, es oxidiert. Beide Reaktionen, Reduktion und Oxidation laufen gleichzeitig ab. Das Kupferoxid gibt den Sauerstoff ab und ermöglicht dadurch die Oxidation des Eisens. Kupferoxid ist das Oxidationsmittel. Das Eisen nimmt den Sauerstoff auf und ermöglicht dadurch die Reduktion des Kupferoxid. Eisen ist das Reduktionsmittel.
Vom Werkstoff zum Produkt:
- Zum besten Material wurde das Kupfer erst in Form von Bronze, also seiner Legierungen mit Zinn, weniger häufig auch mit Blei, Wismut, Arsen und Antimon. Bronze ist härter und zäher als Kupfer; sie ist aufgrund ihres tieferen Schmelzpunktes auch leichter zu schmelzen und zu giessen. Zur Herstellung von Legierungen werden grosse Massen von Kupfer benötigt, vor allem bei Zink, Zinn, Nickel, Aluminium und Beryillium. Dazu gehören insbesondere Messing, Bronze, Monel und die Münzlegierung.
- Reines Kupfer ist vielseitig zu verwenden, z.B. als Kabel und Leitungsdraht. Seinen Eigenschaft, durch Glühen (unter Luftabschluß) weich zu werden, gestatten es, feinste Drähte (bis 0,01mm) aus Kupfer zu ziehen.
- Seine große Wärmeleitfähigkeit wird bei Heiz- und Kühlanlagen, Kesseln, Bottichen und im Apperatbau genutzt.
- Die sich an der Luft bildende korrosionsbeständige Patina macht Kupfer für Dächer, Dachrinnen, Fenstersimse, Münzen u.a. geeignet.
- Hauptanwendung für Reinkupfer sind Drähte für Elektrische Energietechnik und das Fernmeldewesen. Sehr sichtbar sind die Einsätze des Kupfers in der Architektur als Verkleidungen, Bedachungen und Regenrinnen, die mit der Zeit einen schönen, bräunlichrote bis grüne Patina erhalten. Grosse Mengen Kupfer werden zur Herstellung von Legierungen benötigt, vor allem mit Zink, Zinn, Nickel, Aluminium und Beryllium. Dazu gehören insbesondere Messing, Bronze, Monel und die Münzlegierungen.
Kupfer wird als Rohrleitungen für die Trinkwasserversorgung in vielen Häusern verwendet sowie als Kabelstränge, aufgerollt vor den Trafostationen der Elektrizitätswerke; in der Telekommunikation; auch bei Flächenheizungen und in der Solartechnik – dank seiner zahlreichen Materialvorteile findet Kupfer in den verschiedenen Bereichen Verwendung.
In der Elektrotechnik, der Mikroelektronik und der Halbleitertechnik ist die hohe elektrische Leitfähigkeit sehr wichtig In der chemischen Industrie ist die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls und seine Korrosionsbeständigkeit notwendig.
In der Hausinstallation ist Kupfer der mit Abstand bevorzugte Werkstoff das sich dank seiner spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften gleichermaßen gut für Anwendungen in allen Bereichen sehr gut eignet:
Heizung, Warmwasser Leitungen
Flächenheizung
Trinkwasserinstallation
Gas und Flüssiggas
Solartechnik
Recycling:
Fast alle Kabel, die wir für Strom benutzen, sind aus Kupfer, und zwar hochreiner Kupfer.
Beim Abriß z.B. bei Häusern werden die Materialien voneinander getrennt. Die Metalle werden getrennt und gesammelt. Elektroschrott wird recycelt z.B. die Leiterbahnen werden wieder verwertet. Es sind zwar nur sehr dünne Leiterbahnen, aber durch die große Mengen erhält man wieder so viel Kupfermasse, das sie wieder aufarbeitet und wiederverwertet werden können. Die Kupfermassen werden eingeschmolzen und durch Verhüttung werden sie wieder zu Elektrolytischen Kupfer. Und davon können wieder neue Rohre, Drähte und ähnliche Kupfer Gegenstände gefertigt werden. Ca. 50% des Kupfers werden bei uns wieder verwertet.
Aus folgenden Materialien wird Kupfer recycelt: Rohrleitungen, Motoren, Transfomatoren, Münzen, alle Bronze (Kupfer und Zinn) (z.B. wird aus Kirchenglocken und Statuen gewonnen), Messing für handwerkliche Geräte (z.B. Schrauben), Neusilber (besonders korrisionsfest, Herstellung von Essbestecken, chirngische und elektrische Geräte, Uhren und Schmuck; 45-70% Cu).
Verwendete Literatur:
Vorgegebene Arbeitsblätter;
Goldmann Lexikon, München 1998;
www.Kupfer.de
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