Kupfer

Für andere Verwendungen siehe Kupfer (Disambiguierung).
Kupfer,29Cu
Native copper (~4 cm in size)
Kupfer
Aussehen rot-orange metallischer Glanz
Standard Atomgewicht Ar° (Cu)
  • 63,546±0,003
  • 63,546±0,003(gekürzt)[1]
Kupfer in der Periodensystem
Wasserstoff Helium
Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon
Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon
Kalium Kalzium Skandium 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 Dyprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Führen Wismut Polonium Astatine Radon
Frorgium Radium Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobel Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seeborgium Bohrium Hsium Meitnerium Darmstadt Roentgenium Copernicium Nihonium Ferrovium Moscovium Lebermorium Tennessine Oganesson
–
↑
Cu
↓
Ag
Nickel ← Kupfer → Zink
Ordnungszahl (Z) 29
Gruppe Gruppe 11
Zeitraum Periode 4
Block   D-Block
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s1
Elektronen pro Schale 2, 8, 18, 1
Physikalische Eigenschaften
Phase beiSTP fest
Schmelzpunkt 1357.77K (1084,62 ° C, 1984.32 ° F)
Siedepunkt 2835 K (2562 ° C, 4643 ° F)
Dichte (naheR.T.) 8,96 g/cm3
bei Flüssigkeit (beiM.P.) 8,02 g/cm3
Schmelzwärme 13.26KJ/Mol
Verdampfungswärme 300,4 kJ/mol
Molarenwärmekapazität 24.440 j/(mol · k)
Dampfdruck
P (PA) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
beiT (K) 1509 1661 1850 2089 2404 2834
Atomeigenschaften
Oxidationszustände –2, 0,,[2] +1, +2, +3, +4 (ein mild Basic Oxid)
Elektronegativität Pauling -Skala: 1.90
Ionisationsenergien
  • 1.: 745,5 kJ/mol
  • 2.: 1957.9 kJ/mol
  • 3.: 3555 kJ/mol
  • (mehr)
Atomradius Empirisch: 128PM
Kovalenter Radius 132 ± 16 Uhr
Van der Waals Radius 140 Uhr
Color lines in a spectral range
Spektrallinien Kupfer
Andere Eigenschaften
Natürliches Ereignis ursprünglich
Kristallstruktur ​Gesicht zentriertes Kubikum (FCC)
Face-centered cubic crystal structure for copper
Schallgeschwindigkeit dünne Stange (geglüht)
3810 m/s (beiR.T.)
Wärmeausdehnung 16,5 µm/(Messer) (bei 25 ° C)
Wärmeleitfähigkeit 401 w/(m · k)
Elektrischer widerstand 16,78 Nω Märatur (bei 20 ° C)
Magnetische Ordnung diamagnetisch[3]
Molare magnetische Anfälligkeit –5.46×10–6cm3/mol[4]
Elastizitätsmodul 110–128 GPA
Schermodul 48 GPA
Massenmodul 140 GPA
QUERKONTRAKTIONSZAHL 0,34
Mohs Härte 3.0
Vickers-Härte 343–369 MPA
Brinell Härte 235–878 MPa
CAS-Nummer 7440-50-8
Geschichte
Benennung nach Zypern, Hauptbergbauplatz in der römischen Ära (Cyprium)
Entdeckung Naher Osten (9000 v. Chr)
Symbol "Cu": vom Latein Cuprum
Hauptsächlich Kupferisotope
Isotop Fülle Halbwertszeit (t1/2) Verfallmodus Produkt
63Cu 69,15% stabil
64Cu syn 12.70 h ε 64Ni
β− 64Zn
65Cu 30,85% stabil
67Cu syn 61.83 h β− 67Zn
Kategorie: Kupfer
| Verweise

Kupfer ist ein Chemisches Element mit dem Symbol Cu (aus Latein: cuprum) und Ordnungszahl 29. Es ist weich, formbar und dehnbar Metall mit sehr hoch Thermal- und elektrische Leitfähigkeit. Eine frisch freiliegende Oberfläche von reinem Kupfer hat a Pinkisch-orange Farbe. Kupfer wird als Leiter von Wärme und Elektrizität als a verwendet Baumaterialund als Bestandteil verschiedener Metall Legierungen, wie zum Beispiel Sterling Silber benutzt in Schmuck, Cupronickel verwendet, um Meereshardware zu machen und Münzen, und Konstantan benutzt in Dehnungsmessgeräte und Thermoelemente Für die Temperaturmessung.

Kupfer ist eine der wenigen Metalle, die in der Natur in direkt nutzbarer metallischer Form auftreten können (einheimische Metalle). Dies führte zu sehr frühen menschlichen Verwendung in mehreren Regionen, von ca. 8000 v. Chr. Tausende von Jahren später war es das erste Metall, das es war geschmolzen aus Sulfidernzen, ca. 5000 v. Chr.; Das erste Metall, das in eine Form in eine Form gegossen wird, c. 4000 v. Chr.; und das erste Metall, das absichtlich mit einem anderen Metall legiert wird, Zinn, erschaffen Bronze-, c. 3500 v. Chr.[5]

In dem Römische Ära, Kupfer wurde hauptsächlich abgebaut Zypern, der Ursprung des Namens des Metalls, von AES Cyprium (Metall von Zypern), später beschädigt um Cuprum (Latein). Coper (Altes Englisch) und Kupfer wurden daraus abgeleitet, die spätere Schreibweise wurde erstmals um 1530 verwendet.[6]

Allgemein angetroffene Verbindungen sind Kupfer (ii) Salze, die häufig Blau- oder grüne Farben wie Mineralien vermitteln wie Azurit, Malachit, und Türkisund wurden weit verbreitet und historisch als Pigmente verwendet.

Kupfer, das in Gebäuden verwendet wird, normalerweise zum Dach, oxidiert es zu einem Grün zu bilden Grünspan (oder Patina). Kupfer wird manchmal in verwendet dekorative Kunstsowohl in seiner elementaren Metallform als auch in Verbindungen als Pigmente. Kupferverbindungen werden als verwendet als Bakteriostatische Wirkstoffe, Fungizideund Holzkonservierungsmittel.

Kupfer ist für alle lebenden Organismen als Spur unerlässlich Ernährungsmineral Weil es ein wichtiger Bestandteil des Atemenzymkomplexes ist Cytochrom -C -Oxidase. Im Molluscs und KrebstiereKupfer ist ein Bestandteil des Blutpigments Hämocyanin, ersetzt durch die Eisen-komplex Hämoglobin in Fisch und anderen Wirbeltiere. Beim Menschen befindet sich Kupfer hauptsächlich in Leber, Muskeln und Knochen.[7] Der erwachsene Körper enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Kupfer pro Kilogramm Körpergewicht.[8]

Eigenschaften

Physisch

Eine Kupferscheibe (99,95% reine) von hergestellt von fortlaufendes Casting; geätzt zu enthüllen Kristallite
Kupfer direkt über seinem Schmelzpunkt hält seine rosa Glanzfarbe, wenn genug Licht die Orange überstrahlt Glühen Farbe

Kupfer, Silber-, und Gold sind in Gruppe 11 des Periodischs; Diese drei Metalle haben ein S-Orbitalelektron auf einem gefüllten D-Elektronenhülle und sind durch hoch gekennzeichnet Duktilitätund elektrische und thermische Leitfähigkeit. Die gefüllten D-Shells in diesen Elementen tragen wenig zu interatomischen Wechselwirkungen bei, die von den S-Elektronen durch dominiert werden Metallische Bindungen. Im Gegensatz zu Metallen mit unvollständigen D-Schalen fehlen metallische Bindungen in Kupfer a kovalent Charakter und sind relativ schwach. Diese Beobachtung erklärt das niedrige Härte und hohe Duktilität von Einzelkristalle Kupfer.[9] Auf der makroskopischen Skala die Einführung erweiterter Defekte in die Kristallgitter, wie Korngrenzen, behindert den Fluss des Materials unter angelegtem Stress und erhöht dadurch seine Härte. Aus diesem Grund wird Kupfer normalerweise in feinkörnigem Bereich geliefert Polykristalline Form, die größere Stärke hat als monokristalline Formen.[10]

Die Weichheit von Kupfer erklärt teilweise seine hohe elektrische Leitfähigkeit (59,6 × 106 S/m) und hohe thermische Leitfähigkeit, zweithöchst (zweit nur silber) bei reinen Metallen bei Raumtemperatur.[11] Dies liegt daran, dass der Widerstand gegen den Elektronentransport in Metallen bei Raumtemperatur hauptsächlich aus der Streuung von Elektronen auf thermischen Schwingungen des Gitters entsteht, die in einem weichen Metall relativ schwach sind.[9] Die maximal zulässige Stromdichte von Kupfer in Open Air beträgt ungefähr 3,1 × 106Bin2 der Querschnittsfläche, über dem es übermäßig zu heizen beginnt.[12]

Kupfer ist eines der wenigen metallischen Elemente mit einer anderen natürlichen Farbe als Grau oder Silber.[13] Reines Kupfer ist orange-rot und erwirbt eine rötliche trüben bei der Luft ausgesetzt. Die charakteristische Farbe von Kupfer resultiert aus den elektronischen Übergängen zwischen den gefüllten 3D- und halb leeren 4S-Atomschalen-der Energieunterschied zwischen diesen Schalen entspricht orangefarbenem Licht.

Wie bei anderen Metallen, wenn Kupfer in Kontakt mit einem anderen Metall in Kontakt gebracht wird, galvanische Korrosion wird passieren.[14]

Chemisch

Nicht oxidiertes Kupferdraht (links) und oxidiertes Kupferdraht (rechts)
Der Ostturm der Royal Observatory, Edinburgh, zeigt den Kontrast zwischen dem im Jahr 2010 installierten kupfer und der grünen Farbe des ursprünglichen Kupfers von 1894.

Kupfer reagiert nicht mit Wasser, sondern reagiert langsam mit atmosphärischem Sauerstoff, um eine Schicht aus braunschwarzem Kupferoxid zu bilden, was im Gegensatz zu den Rost Das bildet sich auf Eisen in feuchter Luft, schützt das zugrunde liegende Metall vor weiterer Korrosion (Passivierung). Eine grüne Schicht von Grünspan (Kupferkarbonat) sind häufig auf alten Kupferstrukturen wie der Dachbefehl vieler älterer Gebäude zu beobachten[15] und die Freiheitsstatue.[16] Kupfer Anschlüsse Wenn man einigen ausgesetzt Schwefel Verbindungen, mit denen es auf verschiedene Bildung reagiert Kupfersulfide.[17]

Isotope

Hauptartikel: Kupferisotope

Es gibt 29 Isotope Kupfer. 63Cu und 65Cu sind stabil, mit 63Cu mit ungefähr 69% des natürlich vorkommenden Kupfers; Beide haben a drehen von 3⁄2.[18] Die anderen Isotope sind radioaktiv, mit dem stabilsten Wesen 67Cu mit a Halbwertszeit von 61,83 Stunden.[18] Sieben metastabile Isotope wurden charakterisiert; 68 mCu ist mit einer Halbwertszeit von 3,8 Minuten am längsten. Isotope mit a Massenzahl über 64 Zerfall von β−, während diejenigen mit einer Massenzahl unter 64 Verfall von β+. 64Cu, die eine Halbwertszeit von 12,7 Stunden hat, zerfällt in beide Richtungen.[19]

62Cu und 64Cu haben erhebliche Anwendungen. 62Cu wird in verwendet 62Cu-ptsm as a radioaktiver Tracer zum Positronen-Emissions-Tomographie.[20]

Auftreten

Siehe auch: Kupfererz
Native Kupfer von der Keweenaw -Halbinsel, Michigan, etwa 6,4 cm (ca. 2,5 Zoll) lang

Kupfer wird in massiven Sternen produziert[21] und ist in der Erdkruste in einem Teil von etwa 50 Teilen pro Million (ppm) vorhanden.[22] In der Natur tritt Kupfer in einer Vielzahl von Mineralien auf, einschließlich Native KupferKupfersulfide wie z. Chalcopyrit, Bornite, Digenit, Covellit, und Chalkozit, Kupfer Sulfosalts wie zum Beispiel Tetrahedit-Tennantit, und Enargite, Kupferkarbonate wie z. Azurit und Malachitund als Kupfer (i) oder Kupfer (ii) Oxide wie z. Cuprite und Tenorit, beziehungsweise.[11] Die größte Masse des entdeckten elementaren Kupfers wog 420 Tonnen und wurde 1857 auf der gefunden Keweenaw Peninsula in Michigan, wir.[22] Native Kupfer ist a Polykristall, mit dem größten einkristall, der jemals beschrieben wurde und 4,4 × 3,2 × 3,2 cm misst.[23] Kupfer ist das 25. am häufigsten vorkommende Element in Erdkruste, repräsentieren 50 ppm verglichen mit 75 ppm für Zinkund 14 ppm für führen.[24]

Typische Hintergrundkonzentrationen von Kupfer überschreiten 1 ng/m nicht3 in der Atmosphäre; 150 mg/kg im Boden; 30 mg/kg in Vegetation; 2 μg/l in Süßwasser und 0,5 μg/l in Meerwasser.[25]

Produktion

Chuquicamata, in Chile, ist einer der größten der Welt der Welt Open Pit Kupfer Minen
Weltproduktionstrend
Kupferpreise 2003–2011 in US $ pro Tonne
Siehe auch: Liste der Länder nach Kupferproduktion

Die meisten Kupfer werden abgebaut oder extrahiert als Kupfersulfide von groß Freigrubenminen in Porphyr Kupfer Einlagen, die 0,4 bis 1,0% Kupfer enthalten. Zu den Websites gehören Chuquicamata, in Chile, Bingham Canyon Mine, in Utah, Vereinigten Staaten und El Chino Mine, in New Mexico, USA. Laut dem British Geological SurveyIm Jahr 2005 war Chile der Top-Kupferproduzent mit mindestens einem Drittel des Weltanteils, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Indonesien und Peru.[11] Kupfer kann auch durch die wiederhergestellt werden In-situ Leach Prozess. Mehrere Standorte im Bundesstaat Arizona gelten als Hauptkandidaten für diese Methode.[26] Die Menge an Kupfer, die verwendet wird, nimmt zu und die verfügbare Menge reicht kaum aus, damit alle Länder die entwickelten weltweiten Nutzungsniveaus erreichen können.[27] Eine alternative Kupferquelle für Sammlung Derzeit recherchiert sind Polymetallische Knötchen, die sich in den Tiefen der Tiefen befinden Pazifik See ca. 3000–6500 Meter unter dem Meeresspiegel. Diese Knötchen enthalten andere wertvolle Metalle wie z. Kobalt und Nickel.[28]

Reserven und Preise

Siehe auch: Spitzenkupfer § Reserven

Kupfer wurde mindestens 10.000 Jahre verwendet, aber mehr als 95% aller Kupfer, die jemals abgebaut wurden und geschmolzen Wurde seit 1900 extrahiert.[29] Wie bei vielen natürlichen Ressourcen ist die Gesamtmenge an Kupfer auf der Erde mit rund 10 groß14 Tonnen im oberen Kilometer der Erdkruste, der bei der aktuellen Extraktionsrate etwa 5 Millionen Jahre im Wert von einem Wert von etwa 5 Millionen Jahren ist. Bei den heutigen Preisen und Technologien ist jedoch nur ein winziger Bruchteil dieser Reserven wirtschaftlich rentabel. Die Schätzungen der für den Bergbau verfügbaren Kupferreserven variieren je nach Kernannahmen wie der Wachstumsrate zwischen 25 und 60 Jahren.[30] Recycling ist eine Hauptquelle für Kupfer in der modernen Welt.[29] Aufgrund dieser und anderer Faktoren ist die Zukunft der Kupferproduktion und -versorgung Gegenstand vieler Debatten, einschließlich des Konzepts von Spitzenkupfer, analog zu Ölfördermaximum.

Der Preis von Kupfer war historisch gesehen instabil,[31] und sein Preis stieg von dem 60-Jahres-Tief von 0,60 USD/lb (1,32 USD/kg) im Juni 1999 auf 3,75 USD pro Pfund (8,27 USD/kg) im Mai 2006. Sie fiel im Februar auf 2,40 USD/lb (5,29 USD/kg). 2007, dann im April 2007 auf 3,50 USD/Pfund (7,71 USD/kg) erholt.[32] Im Februar 2009 schwächte die weltweite Nachfrage und ein starker Rückgang der Rohstoffpreise, da die Hochs des Vorjahres die Kupferpreise auf 1,51 USD/Pfund (3,32 USD/kg) verließen.[33] Zwischen September 2010 und Februar 2011 stieg der Kupferpreis von £ 5.000 pro Tonne Tonne £ 6.250 pro Tonne.[34]

Methoden

Hauptartikel: Kupferextraktionstechniken
Schema des Blitzschmelzprozesses

Die Kupferkonzentration in Erzen beträgt nur 0,6%, und die meisten kommerziellen Erze sind Sulfide, insbesondere Chalcopyrit (CUFEs2), bornite (cu5Fes4) und in geringerem Maße Covellit (CUS) und Chalcocit (Cu2S).[35] Umgekehrt wird die durchschnittliche Kupferkonzentration in polymetallischen Knoten auf 1,3%geschätzt. Zu den Methoden zum Extrahieren von Kupfer sowie anderen in diesen Knötchen gefundenen Metallen gehören die Schwefelauslaugung, Schmelzen und eine Anwendung des Cuprion -Prozesses.[36][37] Für Mineralien in Landerzen sind sie konzentriert zerquetscht Erze auf das Niveau von 10–15% Kupfer nach Schaumflotation oder Bioleaching.[38] Erhitzen dieses Materials mit Kieselsäure in Blitzschmelzen Entfernt viel von dem Eisen als Schlacke. Der Prozess nutzt die leichte Leichtigkeit, Eisensulfide in Oxide umzuwandeln, was wiederum mit der Kieselsäure reagiert, um die zu bilden Silikat Schlacke, die auf der erhitzten Masse schwimmt. Das resultierende Kupfermatte, bestehend aus cu2S, ist geröstet Um die Sulfide in Oxide umzuwandeln:[35]

2 cu2S + 3 o2 → 2 cu2O + 2 so2

Das kugelförmige Oxid reagiert mit Kupfersulfid auf umgewandelt nach Blase Kupfer beim Erhitzen:

2 cu2O + cu2S → 6 Cu + 2 also2

Der Sudbury Matte Der Prozess wandelte nur die Hälfte des Sulfids in Oxid um und verwendete dieses Oxid dann, um den Rest des Schwefels als Oxid zu entfernen. Es wurde dann elektrolytisch verfeinert und der Anodenschlamm für die ausgenutzt Platin und Gold enthielt es. Dieser Schritt nutzt die relativ einfache Verringerung von Kupferoxiden auf Kupfermetall. Erdgas wird über den Blasen geblasen, um den größten Teil des verbleibenden Sauerstoffs zu entfernen und Elektrorefination wird an dem resultierenden Material durchgeführt, um reines Kupfer zu produzieren:[39]

Cu2+ + 2 e− → cu
Flussdiagramm der Kupferraffinierung (Anodengusspflanze von Uralelektromed)
  1. Blasenkupfer
  2. Schmelzen
  3. Nachhallofen
  4. Schlacke Entfernung
  5. Kupferguss von Anoden
  6. Gussrad
  7. Anodenentfernungsmaschine
  8. Anoden-Start
  9. Bahnwagen
  10. Transport zum Panzerhaus
Flowchart of copper refining (Anode casting plant of Uralelektromed) # Blister copper # Smelting # Reverberatory furnace # Slag removal # Copper casting of anodes # Casting wheel # Anodes removal machine # Anodes take-off # Rail cars # Transportation to the tank house

Recycling

Wie Aluminium,[40] Kupfer ist ohne Qualitätsverlust sowohl aus dem Rohstaat als auch aus hergestellten Produkten recycelbar.[41] Kupfer ist nach Eisen und Aluminium das dritthäufigste recycelte Metall.[42] Schätzungsweise 80% des gesamten Kupfers, das jemals abgebaut wurde, sind noch heute verwendet.[43] Laut dem Internationales Ressourcengremium's Metallaktien im GesellschaftsberichtDie globale Pro -Kopf -Aktie von Kupfer in der Gesellschaft beträgt 35–55 kg. Ein Großteil davon ist eher in entwickelten Ländern (140–300 kg pro Kopf) als in weniger entwickelten Ländern (30–40 kg pro Kopf).

Der Prozess des Recyclingkupfers ist ungefähr dem gleichen wie zum Extrahieren von Kupfer, erfordert jedoch weniger Schritte. High-Purity-Schrottkupfer wird in a geschmolzen Ofen und dann reduziert und in Knüppel und Barge; Schrott mit niedrigerer Purity wird durch verfeinert durch elektroplierend in einem Bad von Schwefelsäure.[44]

Legierungen

Kupferlegierungen werden bei der Herstellung von Münzen häufig verwendet. Hier sind zwei Beispiele - nach 1964 Amerikaner Däste, die aus der Legierung bestehen Cupronickel[45] und ein vor 1968 Kanadischer Dime, die aus einer Legierung von 80 Prozent Silber und 20 Prozent Kupfer besteht.[46]
Siehe auch: Liste der Kupferlegierungen

Zahlreiche Kupfer Legierungen wurden formuliert, viele mit wichtigen Verwendungen. Messing ist eine Legierung von Kupfer und Zink. Bronze bezieht sich normalerweise auf Kupfer-Zinn Legierungen, können sich aber auf jede Kupferlegierung beziehen, wie z. Aluminiumbronze. Kupfer ist einer der wichtigsten Bestandteile von Silber und Karat Goldlötchen, die in der Schmuckindustrie verwendet werden, verändern die Farbe, Härte und Schmelzpunkt der resultierenden Legierungen.[47] Einige leitfrei Lötmittel bestehen aus Zinnlegierungen mit einem kleinen Anteil von Kupfer und anderen Metallen.[48]

Die Legierung von Kupfer und Nickel, genannt Cupronickel, wird in Münzen mit niedriger Denomination verwendet, oft für die äußere Verkleidung. Die US-Fünf-Cent-Münze (derzeit als a Nickel) besteht aus 75% Kupfer und 25% Nickel in der homogenen Zusammensetzung. Vor der Einführung von Cupronickel, das von Ländern in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts weit verbreitet wurde,[49] Kupferlegierungen und Silber- wurden auch verwendet, wobei die Vereinigten Staaten eine Legierung von 90% Silber und 10% Kupfer bis 1965 verwendeten, als zirkulierendes Silber mit Ausnahme des halben Dollars aus allen Münzen entfernt wurde - diese wurden auf eine Legierung von 40% Silber und 60 entlarvt % Kupfer zwischen 1965 und 1970.[50] Die Legierung von 90% Kupfer und 10% Nickel, die sich für ihre Korrosionsresistenz bemerken lassen, wird für verschiedene Objekte verwendet, die Meerwasser ausgesetzt sind, obwohl er anfällig für die Sulfide ist, die manchmal in verschmutzten Häfen und Flussmündungen gefunden wurden.[51] Kupferlegierungen mit Aluminium (ca. 7%) haben eine goldene Farbe und werden in Dekorationen verwendet.[22] Shakudō ist eine japanische dekorative Legierung von Kupfer, die einen niedrigen Prozentsatz an Gold enthält, typischerweise 4–10%, das kann sein patiniert zu einer dunkelblauen oder schwarzen Farbe.[52]

Verbindungen

Eine Probe von Kupfer (i) Oxid.
Siehe auch: Kategorie: Kupferverbindungen

Kupfer bildet eine große Vielzahl von Verbindungen, normalerweise mit Oxidationszustände +1 und +2, die oft genannt werden UPROUS und kupfer, beziehungsweise.[53] Kupferverbindungen, ob organisch Komplexe oder Organometallics, fördern oder katalysieren Sie zahlreiche chemische und biologische Prozesse.[54]

Binäre Verbindungen

Wie bei anderen Elementen sind die einfachsten Kupferverbindungen binäre Verbindungen, d. H. Diejenigen, die nur zwei Elemente enthalten, sind die Hauptbeispiele Oxide, Sulfide und Halogenide. Beide UPROUS und kuprische Oxide sind bekannt. Unter den zahlreichen Kupfersulfidewichtige Beispiele sind Kupfer (i) Sulfid und Kupfer (ii) Sulfid.

Kupferhalogenide mit Fluor, Chlor, Brom, und Jod sind bekannt, ebenso wie kupische Halogenide mit Fluor, Chlor, und Brom. Versuche, Kupfer (ii) Iodid zuzubereiten, ergeben nur Kupfer (i) Jodid und Jod.[53]

2 cu2+ + 4 i− → 2 cui + i2

Koordinierungschemie

Kupfer (ii) gibt eine tiefblaue Färbung in Gegenwart von Ammoniakliganden. Der hier verwendete ist Tetraamminecopper (II) Sulfat.

Kupferformen Koordinationskomplexe mit Liganden. In wässriger Lösung existiert Kupfer (ii) als [Cu (h
2Ö)
6]2+
. Dieser Komplex weist die schnellste Wasserwechselrate (die Geschwindigkeit der angeschlossenen Wasserliganden) für jeden Übergang auf Metall -Aquo -Komplex. Wasser hinzufügen Natriumhydroxid verursacht die Ausfällung von hellblauem Feststoff Kupfer (ii) Hydroxid. Eine vereinfachte Gleichung ist:

Pourbaix-Diagramm für Kupfer in unkomplexierten Medien (andere Anionen als OH-nicht berücksichtigt). Ionenkonzentration 0,001 m (mol/kg Wasser). Temperatur 25 ° C.
Cu2+ + 2 Oh− → Cu (OH)2

Wässriges Ammoniak führt zu dem gleichen Niederschlag. Nach Zugabe von überschüssigem Ammoniak löst sich der Niederschlag auf, bildet sich und bildet sich Tetraamminecopper (II):

Cu (h
2Ö)
4(OH)
2 + 4 nh3 → [Cu (h
2Ö)
2(NH
3)
4]2+
 + 2 h2O + 2 oh−

Viele andere Oxyanionen Komplexe bilden; diese beinhalten Kupfer (ii) Acetat, Kupfer (ii) Nitrat, und Kupfer (ii) Carbonat. Kupfer (ii) Sulfat bildet eine blaue kristalline PentaHydrat, die bekannteste Kupferverbindung im Labor. Es wird in a verwendet Fungizid genannt Bordeaux -Mischung.[55]

Ball-and-Stick-Modell des Komplexes [Cu (NH)3)4(H2Ö)2]2+, illustrieren die Oktaedrische Koordinationsgeometrie gemeinsam für Kupfer (ii).

Polyolen, Verbindungen, die mehr als einen Alkohol enthalten funktionelle Gruppe, im Allgemeinen mit Kupprischen Salzen interagieren. Zum Beispiel werden Kupfersalze verwendet, um auf zu testen Zucker reduzieren. Insbesondere verwendet Benedicts Reagenz und Fehings Lösung Das Vorhandensein des Zuckers wird durch eine Farbwechsel von blau Cu (ii) zu rötlichem Kupfer (i) Oxid signalisiert.[56] Schweizer Reagenz und verwandte Komplexe mit Ethylendiamin und andere Amine sich auflösen Zellulose.[57] Aminosäuren sehr stabil bilden Chelatkomplexe mit Kupfer (ii).[58][59][60] Es gibt viele nass-chemische Tests für Kupferionen Kaliumferrocyanid, was einen braunen Niederschlag mit Kupfer (ii) Salzen verleiht.

Organopper -Chemie

Hauptartikel: Organokopperverbindung

Verbindungen, die eine Kohlenstoff-Kupfer-Bindung enthalten, werden als Organokoperverbindungen bezeichnet. Sie sind sehr reaktiv gegenüber Sauerstoff, um Kupfer (i) Oxid zu bilden und haben Viele Anwendungen in der Chemie. Sie werden durch die Behandlung von Kupfer (i) -Verbindungen mit synthetisiert Grignard -Reagenzien, Terminalalkine oder Organolithiumreagenzien;[61] Insbesondere die letzte beschriebene Reaktion erzeugt a Gilman -Reagenz. Diese können durchlaufen Auswechslung mit Alkylhalogenide Formen Kopplungsprodukte; Als solche sind sie im Bereich von wichtig organische Synthese. Kupfer (i) Acetylide ist sehr schockempfindlich, aber ein Zwischenprodukt bei Reaktionen wie die Cadiot-Chodkiewicz-Kopplung[62] und die Sonogashira -Kopplung.[63] Konjugat -Addition zu Enones[64] und Carbocupation von Alkinen[65] kann auch mit Organokoperverbindungen erreicht werden. Kupfer (i) bildet eine Vielzahl schwacher Komplexe mit Alkene und Kohlenmonoxidbesonders in Gegenwart von Aminliganden.[66]

Kupfer (III) und Kupfer (iv)

Kupfer (III) ist am häufigsten in Oxiden zu finden. Ein einfaches Beispiel ist Kalium Kälte, Kcuo2, ein blauschwarzer Feststoff.[67] Die am umfassendsten untersuchten Kupfer (III) -Verbindungen sind die Cuprat -Supraleiter. Yttrium -Barium -Kupferoxid (YBA2Cu3O7) besteht sowohl aus Cu (II) als auch aus Cu (III) -Zentren. Wie Oxid, Fluorid ist hoch Basic Anion[68] und es ist bekannt, Metallionen in hohen Oxidationszuständen zu stabilisieren. Sowohl Kupfer (III) als auch Kupfer (iv) sind bekannt, sind bekannt, K3CUF6 und CS2CUF6, beziehungsweise.[53]

Einige Kupferproteine ​​bilden sich Oxo -Komplexe, die auch Kupfer (III) aufweisen.[69] Mit Tetrapeptide, lilafarbene Kupfer (III) -Komplexe werden durch die Deprotonierten stabilisiert Amid Liganden.[70]

Kupferkomplexe (III) werden auch als Zwischenprodukte in Reaktionen von Organokoperverbindungen gefunden.[71] Zum Beispiel in der Kharasch -Sosnovsky -Reaktion.

Geschichte

Eine Zeitleiste von Kupfer zeigt, wie dieses Metall in den letzten 11.000 Jahren die menschliche Zivilisation vorangetrieben hat.[72]

Prähistorisch

Kupferalter

Hauptartikel: Kupferalter
Ein korrodiertes Kupfer Barren aus Zakros, Kreta, geformt in Form einer tierischen Haut (Ochsen) typisch in dieser Zeit.
Viele Werkzeuge während der Chalkolithikum Die Ära umfasste Kupfer wie die Klinge dieser Nachbildung von ÖtziAxt
Kupfererz (Chrysocolla) in Cambrian Sandstein von Chalkolithikum Minen in der Tauttal, südlich Israel.

Kupfer tritt natürlich als auf Native Metallic Kupfer und war einigen der ältesten Zivilisationen bekannt. Die Geschichte des Kupfergebrauchs stammt über 9000 v. Chr. Im Nahen Osten;[73] Im Nordirak wurde ein Kupferanhänger gefunden, der auf 8700 v. Chr. Aus.[74] Beweise deuten darauf hin, dass Gold und meteorisches Eisen (aber nicht geschmolzenes Eisen) waren die einzigen Metalle, die von Menschen vor Kupfer verwendet wurden.[75] Es wird angenommen, dass die Geschichte der Kupfermetallurgie dieser Sequenz folgt: Erstens, Kaltes Arbeiten von einheimischem Kupfer dann Glühen, Schmelzen, und schlussendlich, Casting verlorene Wachs. Im Südosten AnatolienAlle vier dieser Techniken erscheinen zu Beginn der neolithisch c. 7500 v. Chr.[76]

Kupferschmelz wurde unabhängig 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.[77] Investitionskaste wurde in 4500–4000 v. Chr. In Südostasien erfunden[73] und Kohlenstoffdatierung hat einen Bergbau festgelegt Erleley Edge in Cheshire, Großbritannien, 2280 bis 1890 v. Chr.[78] Ötzi der IcemanEin Mann aus 3300 bis 3200 v. Chr. Wurde mit einer Axt mit einem Kupferkopf von 99,7% rein gefunden; hohe Werte von Arsen In seinen Haaren schlägt eine Beteiligung an Kupferschmelzen vor.[79] Erfahrung mit Kupfer hat die Entwicklung anderer Metalle unterstützt. Insbesondere führte Kupferschmelzen zur Entdeckung von Eisenschmelzen.[79] Produktion in der Alter Kupferkomplex in Michigan und Wisconsin sind zwischen 6000 und 3000 v. Chr. Datiert.[80][81] Natürliche Bronze, eine Art Kupfer aus Erzen, die reich an Silizium, Arsen und (selten) Zinn sind, wurde auf dem Balkan um 5500 v. Chr. In die allgemeine Verwendung.[82]

Bronzezeit

Hauptartikel: Bronzezeit

Legierter Kupfer mit Zinn, um Bronze zu machen, wurde erstmals etwa 4000 Jahre nach der Entdeckung des Kupferschmierens und etwa 2000 Jahren nach der allgemeinen Verwendung von "Natural Bronze" praktiziert.[83] Bronzeartefakte aus dem Vinča -Kultur Datum bis 4500 v. Chr.[84] Sumerianer und ägyptisch Artefakte von Kupfer- und Bronzlegierungen stammen von 3000 v. Chr.[85] Das Bronzezeit Begonnen in Südosteuropa um 3700 bis 3300 v. Chr. In Nordwesten Europas um 2500 v. Chr. Es endete mit dem Beginn der Eisenzeit, 2000–1000 v. Chr. Im Nahen Osten und 600 v. Chr. In Nordeuropa. Der Übergang zwischen dem neolithisch Periode und die Bronzezeit wurden früher als als als bezeichnet Chalkolithikum Periode (Kupferstein), wenn Kupferwerkzeuge mit Steinwerkzeugen verwendet wurden. Der Begriff ist allmählich in Ungnade gefallen, da in einigen Teilen der Welt an beiden Enden das Chalkolithikum und Neolithikum crossminous sind. Brass, eine Legierung von Kupfer und Zink, ist von viel neuerer Herkunft. Es war den Griechen bekannt, wurde aber zu einer bedeutenden Ergänzung zu Bronze während des Römischen Reiches.[85]

Altes und postklassische

Im Alchimie Das Symbol für Kupfer war auch das Symbol für die Göttin und den Planeten Venus.
Chalkolithic Kupfermine in Tauttal, Negev WüsteIsrael.

In Griechenland war Kupfer unter dem Namen bekannt chalkos (χαλκός). Es war eine wichtige Ressource für die Römer, Griechen und andere alte Völker. In der römischen Zeit war es als bekannt als als AES Cyprium, AES der generische lateinische Begriff für Kupferlegierungen und Zyprium aus Zypern, wo viel Kupfer abgebaut wurde. Der Satz wurde vereinfacht zu vereinfachen Cuprumdaher die Engländer Kupfer. Aphrodite (Venus in Rom) war Kupfer in Mythologie und Alchemie aufgrund seiner glänzenden Schönheit und seiner alten Verwendung bei der Herstellung von Spiegeln; Zypern, die Kupferquelle, war der Göttin heilig. Die sieben himmlischen Körper, die den Alten bekannt waren Das glänzendste und wünschenswerteste Metall nach Gold und Silber.[86]

Kupfer wurde bereits 2100 v. Chr. Im Antike Großbritannien abgebaut. Bergbau am größten dieser Minen, die Tolles Orme, fuhr in die späte Bronzezeit fort. Der Bergbau scheint weitgehend beschränkt zu sein Supergene Erze, die leichter zu rohen waren. Die reichhaltigen Kupfervorkommen von Cornwall scheinen trotz umfangreicher weitgehend unberührt gewesen zu sein Zinn Bergbau in der Region, aus Gründen, die eher sozial und politisch als technologisch sind.[87]

In Nordamerika begann der Kupferabbau mit marginalen Arbeiten der amerikanischen Ureinwohner. Es ist bekannt, dass ein natives Kupfer von Standorten an extrahiert wurde Isle Royale mit primitiven Steinwerkzeugen zwischen 800 und 1600.[88] Kupfermetallurgie blühte in Südamerika, insbesondere in Peru um 1000 n. Chr.. Kupferbestattungsschmuck aus dem 15. Jahrhundert wurden entdeckt, aber die kommerzielle Produktion des Metalls begann erst im frühen 20. Jahrhundert.

Die kulturelle Rolle von Kupfer war insbesondere in der Währung wichtig. Die Römer im 6. bis 3. Jahrhundert v. Chr. Verwendeten Kupferklumpen als Geld. Zunächst wurde das Kupfer selbst geschätzt, aber allmählich wurde die Form und das Aussehen des Kupfers wichtiger. Julius Caesar hatte seine eigenen Münzen aus Messing gemacht, während Octavianus Augustus CäsarMünzen wurden aus Cu-Pb-SN-Legierungen hergestellt. Mit einer geschätzten jährlichen Leistung von rund 15.000 t, Römischer Kupferabbau und Schmelzaktivitäten erreichte eine Skala, die bis zur Zeit der Zeit nicht übertroffen wurde Industrielle Revolution; das Provinzen am stärksten abgebaut waren die von denen von Hispania, Zypern und in Mitteleuropa.[89][90]

Die Tore der Tore der Tempel von Jerusalem Gebraucht Korinthische Bronze behandelt mit Erschöpfung vergoldet.[Klarstellung erforderlich] Der Prozess war am häufigsten in Alexandria, wo die Alchemie begonnen hat.[91] Im Alten Indien, Kupfer wurde in der verwendet ganzheitlich Medizin Ayurveda zum chirurgisch Instrumente und andere medizinische Geräte. Alte Ägypter (~ 2400 v. Chr) Gebrauchte Kupfer zur Sterilisierung von Wunden und Trinkwasser und später, um Kopfschmerzen, Verbrennungen und Juckreiz zu behandeln.

Kupferornamente

Modern

Säureminenabfluss Auswirkung des Stream Parys Berg Kupferminen
Kupfer des 18. Jahrhunderts Wasserkocher aus Norwegen aus schwedischem Kupfer hergestellt

Das Großer Kupferberg war eine Mine in Falun, Schweden, die vom 10. bis 1992 operierte. Sie erfüllte im 17. Jahrhundert zwei Drittel des europäischen Kupferverbrauchs und half dabei, viele der Schwedens Kriege in dieser Zeit zu finanzieren.[92] Es wurde als Finanzministerium der Nation bezeichnet; Schweden hatte eine Kupfergesichtige Währung.[93]

Chalkographie der Stadt von Vyborg um die Wende des 17. und 18. Jahrhunderts. Das Jahr 1709 geschnitzt auf der Druckplatte.

Kupfer wird zum Dach verwendet,[15] Währung und für fotografische Technologie, die als die bekannt ist Daguerreotype. Kupfer wurde in verwendet Renaissance Skulptur und wurde verwendet, um das zu konstruieren Freiheitsstatue; Kupfer wird weiterhin für den Bau verschiedener Arten verwendet. Kupferbeschichtung und Kupfermantel wurden weit verbreitet, um die Unterwasserrumpfs von Schiffen zu schützen, eine Technik, die im 18. Jahrhundert von der britischen Admiralität gearbeitet hat.[94] Das Norddeutsche Affinerie in Hamburg war die erste Moderne elektroplierend Anlage, die seine Produktion im Jahr 1876 startet.[95] Der deutsche Wissenschaftler Gottfried Osann erfunden Pulvermetallurgie im Jahr 1830, während er die Atommasse des Metalls bestimmen; In der Nähe wurde festgestellt, dass die Menge und Art des Legierungselements (z. B. Zinn) zu Kupfer die Glockentöne beeinflussen würden.

Während der Anstieg der Kupferfrage für das Elektrizitätsalter von den 1880er Jahren bis zur Weltwirtschaftskrise der 1930er Jahre produzierten die Vereinigten Staaten ein Drittel bis zur Hälfte des neu eingebauten Kupfers der Welt.[96] Zu den wichtigsten Bezirken gehörten der Keweenaw -Distrikt Nordmichigan, hauptsächlich einheimische Kupfervorkommen, die durch die riesigen Sulfidablagerungen von in den Schatten gestellt wurden Butte, Montana In den späten 1880er Jahren, die selbst von Porphyr -Ablagerungen der Souhwest -Vereinigten Staaten in den Schatten gestellt wurden, insbesondere in Bingham Canyon, Utah und Morenci, Arizona. Die Einführung des Bergbaus und der Innovationen in der Open -Boxen -Dampfschaufel und der Innovationen im Schmelzen, der Raffination, der Flotationskonzentration und anderer Verarbeitungsschritte führte zur Massenproduktion. Anfang des 20. Jahrhunderts, Arizona zuerst eingestuft, gefolgt von Montana, dann Utah und Michigan.[97]

Flash smelting wurde entwickelt von Outokumpu in Finnland und zuerst angewendet bei Harjavalta 1949; Der energieeffiziente Prozess macht 50% der weltweit primären Kupferproduktion aus.[98]

Das Zwischenstaatlicher Rat der Kupfer -Exportländer, 1967 von Chile, Peru, Zaire und Sambia gegründet, wurde auf dem Kupfermarkt betrieben Opec Hat in Öl, obwohl es nie den gleichen Einfluss erreichte, insbesondere weil der zweitgrößte Produzent, die Vereinigten Staaten, nie Mitglied war. Es wurde 1988 aufgelöst.[99]

Anwendungen

Siehe auch: Kupfer in erneuerbarer Energie
Kupferarmaturen für Lötanlagen

Die Hauptanwendungen von Kupfer sind Elektrodraht (60%), Dach- und Sanitär (20%) und Industriemaschinen (15%). Kupfer wird hauptsächlich als reines Metall verwendet, aber wenn eine größere Härte erforderlich ist, wird es in solche Legierungen wie Messing und Bronze- (5% der Gesamtnutzung).[22] Seit mehr als zwei Jahrhunderten wird Kupferfarbe auf Bootsschmerzen verwendet, um das Wachstum von Pflanzen und Schalentieren zu kontrollieren.[100] Ein kleiner Teil der Kupferversorgung wird für Nahrungsergänzungsmittel und Fungizide in der Landwirtschaft verwendet.[55][101] Bearbeitung von Kupfer ist möglich, obwohl Legierungen endgültig bevorzugt werden Verarbeitbarkeit bei der Erstellung komplizierter Teile.

Kabel und Kabel

Hauptartikel: Kupferdraht und Kabel

Trotz des Wettbewerbs durch andere Materialien bleibt Kupfer die bevorzugte Elektrikleiter In fast allen Kategorien der elektrischen Verkabelung außer Overhead Elektrisches Stromübertragung wo Aluminium wird oft bevorzugt.[102][103] Kupferdraht wird in verwendet Energieerzeugung, Kraftübertragung, Machtverteilung, Telekommunikation, Elektronik Schaltung und unzählige Arten von elektrische Ausrüstung.[104] Elektroverkabelung ist der wichtigste Markt für die Kupferindustrie.[105] Dies umfasst strukturelle Stromverdrahtung, Stromverteilungskabel, Gerätekabel, Kommunikationskabel, Automobildraht und Kabel sowie Magnetdraht. Etwa die Hälfte des gesamten Kupfers wird für Elektrodraht und Kabelleiter verwendet.[106] Viele elektrische Geräte stützen sich auf Kupferkabel elektrische Leitfähigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität, Kriechen (Verformung) Widerstand, Korrosion Widerstand, niedrig Wärmeausdehnung, hoch Wärmeleitfähigkeit, Leichte Löten, Formbarkeitund einfache Installation.

Für einen kurzen Zeitraum von den späten 1960er bis Ende der 1970er Jahre wurde Kupferkabel durch die Kupferverkabelung ersetzt durch Aluminiumkabel In vielen Wohnungsbauprojekten in Amerika. Die neue Verkabelung war an einer Reihe von Hausbränden beteiligt und die Branche kehrte zu Kupfer zurück.[107]

Elektronik und verwandte Geräte

Kupfer elektrisch KSEBARS Stromverteilung auf ein großes Gebäude verteilen

Integrierte Schaltkreise und Leiterplatten Aufgrund seiner überlegenen elektrischen Leitfähigkeit zunehmend Kupfer anstelle von Aluminium; Temperatur fällt und Wärmetauscher Verwenden Sie Kupfer wegen seiner überlegenen Wärmeableitungseigenschaften. Elektromagnetze, Vakuumröhren, Kathodenstrahlröhren, und Magnetronen In Mikrowellenöfen verwenden Kupfer wie auch Wellenleiter Für Mikrowellenstrahlung.[108]

Elektromotoren

Kupfer ist überlegen Leitfähigkeit verbessert die Effizienz von Elektro Motoren.[109] Dies ist wichtig, da Motoren und motorgetriebene Systeme 43% –46% aller weltweiten Stromverbrauch und 69% aller von der Industrie verwendeten Strom ausmachen.[110] Erhöhen der Masse und des Querschnitts von Kupfer in a Spule Erhöht die Effizienz des Motors. Kupfermotorrotoren, Eine neue Technologie für motorische Anwendungen, bei denen Energieeinsparungen erstklassige Konstruktionsziele sind.[111][112] ermöglichen Allgemeinzwecke Induktionsmotoren zu treffen und zu übertreffen National Electrical Manufacturers Association (Nema) Premium -Effizienz Standards.[113]

Produktion erneuerbarer Energien

Dieser Abschnitt ist ein Auszug aus Kupfer in erneuerbarer Energie.

Erneuerbare Energie Quellen wie Solar-, Wind, Gezeiten, Hydro, Biomasse, und Geothermie sind zu erheblichen Sektoren des Energiemarktes geworden.[114][115] Das schnelle Wachstum dieser Quellen im 21. Jahrhundert wurde durch steigende Kosten von ausgelöst fossile Brennstoffe Sowie ihre Umweltbelastung gibt das aus signifikant gesenkt ihre Verwendung.

Kupfer spielt in diesen erneuerbaren Energiesystemen eine wichtige Rolle.[116][117][118][119][120] Die Kupferverwendung beträgt durchschnittlich bis zu fünfmal in erneuerbaren Energiesystemen als in der herkömmlichen Stromerzeugung, wie z. B. fossiler Brennstoffe und Nuklear Kraftwerke.[121] Da Kupfer exzellent ist Thermal- und Elektrikleiter unter den technischen Metallen (zweiter zu Silber),[122] Stromversorgungssysteme, die Kupfer nutzen, erzeugen und übertragen Energie mit hoher Effizienz und mit minimalen Umweltauswirkungen.

Bei der Auswahl von elektrischen Leitern berücksichtigen Fazilitätsplaner und -ingenieure die Kapitalinvestitionskosten der Materialien gegen Betriebseinsparungen aufgrund ihrer Effizienz ihrer elektrischen Energie gegenüber ihren Nutzungslebensleben und den Wartungskosten. Kupfer geht in diesen Berechnungen oft gut. Ein Faktor, der als "Kupfernutzungsintensität" bezeichnet wird, ist ein Maß für die Kupfermenge, die für die Installation eines Megawatts neuer Leistungskapazität erforderlich ist.

Bei der Planung einer neuen Einrichtung für erneuerbare Stromversorgung versuchen Ingenieure und Produktspezifizierer, Lieferknappheit an ausgewählten Materialien zu vermeiden. Laut dem United States Geological SurveyKupfer im Boden Reserven sind seit 1950 um mehr als 700% gestiegen, von fast 100 Millionen Tonnen auf 720 Millionen Tonnen im Jahr 2017, obwohl sich die weltweit raffinierte Nutzung in den letzten 50 Jahren mehr als verdreifacht hat.[123] Es wird geschätzt, dass Kupferressourcen 5.000 Millionen Tonnen überschreiten.[124][125]

Unterstützung der Versorgung von Kupferextraktion ist die Tatsache, dass mehr als 30 Prozent des im letzten Jahrzehnts installierten Kupfers aus recycelten Quellen stammten.[126] Es ist Recyclingrate ist höher als jedes andere Metall.[127]

In diesem Artikel wird die Rolle von Kupfer in verschiedenen Systemen zur Erzeugung erneuerbarer Energien erörtert.

Die Architektur

Hauptartikel: Kupfer in der Architektur
Kupferdach auf dem Minneapolis Rathaus, beschichtet mit Patina
Alte Kupferutensilien in einem Jerusalem -Restaurant
Große Kupferschüssel. Dhankar Gompa.

Kupfer wurde seit der Antike als langlebig verwendet, korrosionsbeständigund wetterfestes architektonisches Material.[128][129][130][131] Dächer, Blitzelemente, Regenrinnen, Abwärtsrohre, Kuppeln, Bierstoffe, Gewölbe und Türen sind seit Hunderten oder Tausenden von Jahren aus Kupfer hergestellt. Der architektonische Gebrauch von Kupfer wurde in der Neuzeit um Innen- und Außenbereich erweitert Wandverkleidung, Gebäude Expansionsfugen, Funkfrequenzabschirm, und antimikrobiell und dekorative Innenprodukte wie attraktive Handläufe, Badezimmervorrichtungen und Leitplätze. Einige der anderen wichtigen Vorteile von Kupfer als architektonisches Material sind niedrig Wärmebewegung, Leicht, Blitzschutzund Recyclingbarkeit

Das markante natürliche Grün des Metalls Patina wurde seit langem von Architekten und Designern begehrt. Die letzte Patina ist eine besonders langlebige Schicht, die stark gegen atmosphärische Korrosion bestehend ist, wodurch das darunter liegende Metall vor weiteren Verwitterung geschützt wird.[132][133][134] Es kann ein Gemisch aus Carbonat- und Sulfatverbindungen in verschiedenen Mengen sein, abhängig von Umgebungsbedingungen wie schwefelhaltigem saurem Regen.[135][136][137][138] Architekturkupfer und seine Legierungen können auch sein 'fertig' Ein bestimmtes Aussehen, ein bestimmtes Gefühl oder eine bestimmte Farbe anzunehmen. Die Oberflächen umfassen mechanische Oberflächenbehandlungen, chemische Färben und Beschichtungen.[139]

Kupfer hat ausgezeichnet Löschen und Löten Eigenschaften und können sein geschweißt; Die besten Ergebnisse werden mit erzielt Gas-Metall-Lichtbogenschweißen.[140]

Antibiofouling

Hauptartikel: Kupferlegierungen in Aquakultur und Kupfermantel

Kupfer ist Biostatisch, was Bakterien und viele andere Lebensformen bedeutet, werden nicht darauf wachsen. Aus diesem Grund wurde es seit langem verwendet, um Teile von Schiffen zu schützen, gegen Scheunen und Miesmuscheln. Es wurde ursprünglich rein verwendet, wurde aber seitdem von abgelöst von Muntz Metal und kupferbasierte Farbe. In ähnlicher Weise, wie in diskutiert Kupferlegierungen in AquakulturKupferlegierungen sind zu wichtigen Netzmaterialien in der geworden Aquakultur Industrie, weil sie sind antimikrobiell und verhindern Biofoulingauch unter extremen Bedingungen[141] und stark strukturell haben und korrosionsbeständig[142] Eigenschaften in Meeresumgebungen.

Antimikrobiell

Hauptartikel: Antimikrobielle Eigenschaften von Kupfer und Antimikrobielle Kupfer-Alloy-Berührungsflächen

Kupfer-Alloy-Berührungsflächen haben natürliche Eigenschaften, die eine breite Palette von zerstören Mikroorganismen (z.B., E coli O157: H7, Methicillin-beständig Staphylococcus aureus (MRSA), Staphylococcus, Clostridium difficile, Influenza A Virus, Adenovirus, SARS-CoV-2, und Pilze).[143][144] Inder verwenden seit der Antike Kupfergefäße für die Aufbewahrung von Wasser, noch bevor die moderne Wissenschaft ihre antimikrobiellen Eigenschaften erkannte.[145] Einige Kupferlegierungen töteten nachweislich mehr als 99,9% der krankheitsverursachenden Bakterien innerhalb von nur zwei Stunden, wenn sie regelmäßig gereinigt wurden.[146] Das Ministerium für Umweltschutz der Vereinigten Staaten (EPA) hat die Registrierungen dieser Kupferlegierungen als "genehmigt" als "antimikrobiell Materialien mit Vorteilen der öffentlichen Gesundheit ";[146] Diese Genehmigung ermöglicht es den Herstellern, rechtliche Ansprüche der öffentlichen Gesundheit von Produkten aus registrierten Legierungen zu erheben. Darüber hinaus hat die EPA eine lange Liste von antimikrobiellen Kupferprodukten zugelassen, die aus diesen Legierungen wie Bettwäsche hergestellt wurden. Handläufe, überbettige Tische, Waschbecken, Wasserhähne, Türknöpfe, Toilette Hardware, Computer -Tastaturen, Gesundheits Club Ausrüstung und Einkaufswagen Handles (für eine umfassende Liste siehe: Antimikrobielle Kupfer-Alloy-Touch-Oberflächen#zugelassene Produkte). Kupfertürknochen werden von Krankenhäusern verwendet, um den Transfer von Krankheiten zu verringern, und Legionärskrankheit wird durch Kupferrohre in Sanitärsystemen unterdrückt.[147] Antimikrobielle Kupferlegierungsprodukte werden jetzt in Gesundheitseinrichtungen in Großbritannien, Irland, Japan, Korea, Frankreich, Dänemark und Brasilien installiert und in den USA gefordert.[148] und im U-Bahn-Transitsystem in Santiago, Chile, wo zwischen 2011 und 2014 in etwa 30 Stationen Kupfer-Zink-Legierungshandläufe installiert wurden.[149][150][151] Textilfasern können mit Kupfer gemischt werden, um antimikrobielle Schutzstoffe zu erzeugen.[152][unzuverlässige Quelle?]

Spekulative Investitionen

Kupfer kann als spekulative Investition aufgrund der vorhergesagten Zunahme der Verwendung durch das weltweite Infrastrukturwachstum und die wichtige Rolle bei der Produktion verwendet werden Windräder, Solarplattenund andere erneuerbare Energiequellen.[153][154] Ein weiterer Grund, warum die Nachfrage steigt, ist die Tatsache, dass elektrische Autos enthalten durchschnittlich 3,6 -mal so viel Kupfer wie herkömmliche Autos, obwohl die Wirkung von elektrische Autos Bei der Kupfernachfrage wird diskutiert.[155][156] Einige Menschen investieren in Kupfer durch Kupferabbauaktien, ETFs, und Futures. Andere speichern physisches Kupfer in Form von Kupferstangen oder Runden, obwohl diese im Vergleich zu Edelmetallen tendenziell eine höhere Prämie tragen.[157] Diejenigen, die die Prämien von Kupfer vermeiden möchten Goldbarren Alternativ alt aufbewahren Kupferkabel, Kupferrohr oder Amerikaner Pennies vor 1982 gemacht.[158]

Volksmedizin

Kupfer wird üblicherweise in Schmuck verwendet, und nach einigen Folklore lindern Kupferarmbänder Arthritis Symptome.[159] In einer Studie gegen Arthrose und einer Studie gegen rheumatoide Arthritis werden keine Unterschiede zwischen Kupferarmband und Kontrollarmband (Nicht-Kupfer) festgestellt.[160][161] Keine Beweise zeigen, dass Kupfer durch die Haut absorbiert werden kann. Wenn es so wäre, könnte es dazu führen Kupfervergiftung.[162]

Kompressionskleidung

Kürzlich einige Kompression Kleidung mit interlosen Kupfer wurde mit Gesundheitsansprüchen vermarktet, ähnlich wie die Behauptungen der Volksmedizin. Da Komprimierungskleidung eine gültige Behandlung für einige Beschwerden ist, kann die Kleidung diesen Nutzen haben, aber das zusätzliche Kupfer hat möglicherweise keinen Nutzen über a Placebo-Effekt.[163]

Degradierung

Chromobacterium Violaceum und Pseudomonas Fluorescens Kann sowohl festes Kupfer als Cyanidverbindung mobilisieren.[164] Der Ericoid -Mykorrhiza -Pilze, der mit dem mit Calluna, Erica und Vaccinium Kann in metallierigen Böden wachsen, die Kupfer enthalten.[164] Der Ektomykorrhiza -Pilz Suillus luteus schützt junge Kiefern vor Kupfertoxizität. Eine Probe des Pilzes Aspergillus niger Es wurde festgestellt, dass aus Goldminenlösung wuchs und festgestellt wurde, dass sie Cyano -Komplexe von Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Eisen und Zink enthielten. Der Pilz spielt auch eine Rolle bei der Solubilisierung von Schwermetallsulfiden.[165]

Biologische Rolle

Hauptartikel: Kupfer in der Gesundheit
Zu den reichhaltigen Kupferquellen zählen Austern, Rindfleisch- und Lammleber, Brasilien Nüsse, Schwarzstrap -Melasse, Kakao und schwarzer Pfeffer. Gute Quellen sind Hummer, Nüsse und Sonnenblumenkerne, grüne Oliven, Avocados und Weizenkleie.

Biochemie

Kupferproteine Haben Sie eine unterschiedliche Rolle beim biologischen Elektronentransport und beim Sauerstofftransport, Prozesse, die die einfache Interkonversion von Cu (i) und Cu (II) ausnutzen.[166] Kupfer ist im Aerobic von wesentlicher Bedeutung Atmung von allen Eukaryoten. Im Mitochondrien, es ist in gefunden in Cytochrom -C -Oxidase, was das letzte Protein in ist Oxidative Phosphorylierung. Cytochrom -C -Oxidase ist das Protein, das das O bindet2 zwischen einem Kupfer und einem Eisen; Das Protein überträgt 8 Elektronen an das o2 Molekül, um es auf zwei Wassermoleküle zu reduzieren. Kupfer ist auch in vielen gefunden Superoxiddismutasen, Proteine, die die Zersetzung von katalysieren Superoxide durch Konvertieren (von Unverhältnis) zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid:

  • Cu2+-Sod + o2− → cu+-Sod + o2 (Reduktion der Kupfer; Oxidation von Superoxid)
  • Cu+-Sod + o2− + 2h+ → cu2+-Sod + h2O2 (Oxidation von Kupfer; Reduktion des Superoxids)

Das Protein Hämocyanin ist der Sauerstoffträger in den meisten Mollusken und einige Arthropoden so wie die Pfeilschwanzkrebs (Limulus polyphemus).[167] Da Hämocyanin blau ist, haben diese Organismen eher blaues Blut als das rote Blut der Eisenbasis auf Eisenbasis Hämoglobin. Strukturell mit Hämocyanin verwandt sind die Laccasen und Tyrosinasen. Anstatt reversibel Sauerstoff zu binden, hydroxylatsubstrate hydroxylat, die durch ihre Rolle bei der Bildung von veranschaulicht werden Lack.[168] Die biologische Rolle für Kupfer begann mit dem Auftreten von Sauerstoff in der Erdatmosphäre.[169] Mehrere Kupferproteine, wie die "blauen Kupferproteine", interagieren nicht direkt mit Substraten; Daher sind sie keine Enzyme. Diese Proteine ​​relais Elektronen durch den genannten Prozess Elektronentransfer.[168]

Photosynthesefunktionen einer aufwändigen Elektronentransportkette innerhalb der Thylakoidmembran. Ein zentrales Glied in dieser Kette ist Plastocyanin, ein blaues Kupferprotein.

Ein einzigartiges tetranukleäres Kupferzentrum wurde in gefunden Nitrosoxidreduktase.[170]

Chemische Verbindungen, die zur Behandlung der Wilson -Krankheit entwickelt wurden, wurden zur Anwendung in der Krebstherapie untersucht.[171]

Ernährung

Kupfer ist ein wesentlicher Bestandteil Spurenelement in Pflanzen und Tieren, aber nicht alle Mikroorganismen. Der menschliche Körper enthält Kupfer auf einem Niveau von etwa 1,4 bis 2,1 mg pro kg Körpermasse.[172]

Absorption

Kupfer wird im Darm absorbiert und dann zur Leber transportiert, die an gebunden ist Albumin.[173] Nach der Verarbeitung in der Leber wird Kupfer in einer zweiten Phase auf andere Gewebe verteilt, in der das Protein beteiligt ist Ceruloplasminmit dem Großteil des Kupfers im Blut. Ceruloplasmin trägt auch das Kupfer, das in Milch ausgeschieden ist und als Kupferquelle besonders gut absorbiert ist.[174] Kupfer im Körper unterliegt sich normalerweise Enterohepatische Kreislauf (ca. 5 mg pro Tag, gegen 1 mg pro Tag, die in der Ernährung absorbiert und aus dem Körper ausgeschieden werden), und der Körper kann bei Bedarf über überschüssige Kupfer aussteigen Galle, was etwas Kupfer aus der Leber trägt, die dann nicht vom Darm wieder aufgenommen wird.[175][176]

Ernährungsempfehlungen

Das US -amerikanisches Institut für Medizin (IOM) aktualisierte die geschätzten durchschnittlichen Anforderungen (Ohren) und empfohlene Ernährungsberechtigungen (RDAs) für Kupfer im Jahr 2001. Wenn keine ausreichenden Informationen zur Festlegung von Ohren und RDAs vorliegen, ist eine Schätzung festgelegt Ausreichende Aufnahme (AI) wird stattdessen verwendet. 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. Für beide Geschlechter sind die RDAs für Kupfer: 340 μg Kupfer für 1–3 Jahre alt, 440 μg Kupfer für 4–8 Jahre alt, 700 μg Kupfer für 9–13 Jahre alt, 890 μg Kupfer für 14 - - 18 Jahre alt und 900 μg Kupfer ab 19 Jahren. Für die Schwangerschaft 1.000 μg. Für die Laktation 1.300 μg.[177] Was die Sicherheit betrifft, setzt die IOM auch ein Tolerierbare obere Einlassniveaus (ULS) für Vitamine und Mineralien, wenn Beweise ausreichen. Bei Kupfer ist die UL auf 10 mg/Tag eingestellt. Zusammen sind die Ohren, Rdas, AIs und ULs als als bezeichnet als Nahrungsreferenzaufnahme.[178]

Das Europäische Lebensmittelsicherheitsbehörde (EFSA) bezieht sich auf die kollektive Informationsmenge als Nahrungsreferenzwerte mit Bevölkerungsreferenzaufnahme (PRI) anstelle von RDA und durchschnittlicher Anforderungen anstelle von Ohr. AI und UL definierten genauso wie in den Vereinigten Staaten. Für Frauen und Männer ab 18 Jahren sind die AIS auf 1,3 bzw. 1,6 mg/Tag eingestellt. AIS für Schwangerschaft und Laktation beträgt 1,5 mg/Tag. Für Kinder im Alter von 1 bis 17 Jahren steigt die AIS mit dem Alter von 0,7 auf 1,3 mg/Tag an. Diese AIs sind höher als die US -RDAs.[179] Die europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit überprüfte dieselbe Sicherheitsfrage und stellte ihre UL auf 5 mg/Tag fest, was die Hälfte des US -Wertes entspricht.[180]

Für die Kennzeichnungszwecke für US -amerikanische Nahrungsmittel- und Nahrungsergänzungsmittel wird der Betrag in einer Portion als Prozentsatz des täglichen Werts (%DV) ausgedrückt. Für Kupferkennzeichnungszwecke betrug 100% des Tageswerts 2,0 mg, aber ab dem 27. Mai 2016 Es wurde auf 0,9 mg überarbeitet, um es mit der RDA in Einklang zu bringen.[181][182] Eine Tabelle der alten und neuen erwachsenen täglichen Werte wird bei der Bereitstellung Referenztäglicher Einnahme.

Mangel

Wegen seiner Rolle bei der Erleichterung der Eisenaufnahme, Kupfermangel kann produzieren Anämie-ähnliche Symptome, Neutropenie, Knochenanomalien, Hypopigmentierung, Beeinträchtigung des Wachstums, erhöhte Inzidenz von Infektionen, Osteoporose, Hyperthyreose und Anomalien beim Glukose- und Cholesterinstoffwechsel. Umgekehrt, Wilson -Krankheit verursacht eine Ansammlung von Kupfer in Körpergeweben.

Ein schwerwiegender Mangel kann durch Tests auf niedrige Plasma- oder Serumkupferspiegel, niedriges Ceruloplasmin- und niedrig rote Blutkörperchen -Superoxiddismutasespiegel festgestellt werden; Diese sind nicht empfindlich gegenüber Grenzkupferstatus. Die "Cytochrom -C -Oxidaseaktivität von Leukozyten und Blutplättchen" wurde als ein weiterer Faktor für Mangel angegeben, die Ergebnisse wurden jedoch nicht durch Replikation bestätigt.[183]

Toxizität

Hauptartikel: Copper toxicity

Gramm Mengen verschiedener Kupfersalze wurden bei Selbstmordversuchen entnommen und erzeugt eine akute Kupfertoxizität beim Menschen, möglicherweise aufgrund von Redox -Radfahren und der Erzeugung von reaktive Sauerstoffspezies dieser Schaden DNA.[184][185] Entsprechende Mengen von Kupfersalzen (30 mg/kg) sind bei Tieren giftig.[186] Es wurde berichtet ppm in der Diät.[187] Höhere Kupferkonzentrationen (100 ppm, 200 ppm oder 500 ppm) in der Diät von Kaninchen können jedoch positiv beeinflussen Effizienz der Futterumwandlung, Wachstumsraten und Kadaver -Dressing -Prozentsätze.[188]

Eine chronische Kupfertoxizität tritt normalerweise bei Menschen aufgrund von Transportsystemen, die die Absorption und Ausscheidung regulieren, normalerweise nicht auf. Autosomal rezessive Mutationen in Kupfertransportproteinen können diese Systeme deaktivieren und führen zu Wilson -Krankheit mit Kupferakkumulation und Zirrhose der Leber bei Personen, die zwei defekte Gene geerbt haben.[172]

Erhöhte Kupferspiegel wurden ebenfalls mit verschlechternden Symptomen von voneinander verbunden Alzheimer-Krankheit.[189][190]

Menschliche Exposition

In den USA die Arbeitssicherheit-und Gesundheitsbehörde (OSHA) hat a zulässige Expositionsgrenze (PEL) für Kupferstaub und Dämpfe am Arbeitsplatz als zeitgewichtiger Durchschnitt (TWA) von 1 mg/m3.[191] Das Nationales Institut für Arbeitssicherheit und Gesundheit (NIOSH) hat a gesetzt Empfohlene Expositionsgrenze (Rel) von 1 mg/m3, Zeit-gewichteter Mittelwert. Das Idlh (Sofort gefährlich für Leben und Gesundheit) Wert beträgt 100 mg/m3.[192]

Kupfer ist ein Bestandteil von Tabakrauch.[193][194] Das Tabakpflanze leicht absorbiert und akkumuliert Schwermetalle, wie Kupfer aus dem umgebenden Boden in seine Blätter. Diese werden nach dem Einatmen des Rauches leicht in den Körper des Benutzers aufgenommen.[195] Die gesundheitlichen Implikationen sind nicht klar.[196]

Siehe auch

Spitzenkupfer

Verweise

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Anmerkungen

Pourbaix -Diagramme für Kupfer
Copper in water pourbiax diagram.png
Copper in sulphide media pourbiax diagram.png
Copper in 10M ammonia pourbiax diagram.png
Copper in chloride media more copper pourbiax.png
in reinem Wasser oder sauren oder alkalischen Bedingungen. Kupfer in neutralem Wasser ist edeler als Wasserstoff. In Wasser, das Sulfid enthält In 10 m Ammoniaklösung in einer Chloridlösung

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