(WT1-28) – Kupfer – Eigenschaften

In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker was Kupfer ist und wodurch es sich auszeichnet.

Für ein optimales Verständnis helfen dir eine Vielzahl von Beispielen zu dem Thema.

„Dieses Nichteisen-Metall ist ein vergleichsweise weiches Metall, welches eine besonders gute Wärme- und Stromleitfähigkeit besitzt.“

Grundlagen

Diese Metall ist ein Nichteisenmetall, welches im Periodensystem unter dem Elementsymbol Cu und der Ordnungszahl 29 zu finden ist.

Es steht in der 1. Nebengruppe, beziehungsweise Gruppe 11. Diese Gruppe wird auch als Kupfergruppe bezeichnet.

Der Name entstammt dem griechischen Begriff Cuprum abgeleitet von aes cyprium. Letzteres bedeutet in heutiger Sprache Erz von Zypern.

Weltweit existieren 3000 bekannte Lagerstätten für Kupfererz. Die größten Förderländer sind Chile, Peru und China. In Europa wird vorrangig in Polen, Schweden sowie Portugal gefördert.

Nicht gerade billig…

Es ist ein Metall, dass an den Weltmärkten mit einem Preis von ca. 6000 EUR/t gehandelt wird. Daher ist Kupferdiebstahl wie von Erdungskabel an Eisenbahnstrecken mittlerweile stark ausgeprägt und verursacht einen Schaden von mehr als 14 Mio. EUR pro Jahr in Deutschland.

Eigenschaften

Im Vergleich zu anderen Metallen ist es vergleichsweise weich und dadurch gut formbar. Zudem weist Kupfer eine erhöhte Zähigkeit auf.

Seine gute Leitfähigkeit hinsichtlich Wärme und elektrischem Strom macht es besonders beliebt als Werkstoff in der Elektroindustrie.

Die Reaktivität des Metalls ist schwach ausgeprägt, weshalb es zu den Halbedelmetallen gezählt wird.

Die Dichte von Kupfer beträgt $8920 \frac{kg}{m^3}$ . Somit zählt es zu den Schwermetallen.

sowie

Die Gitterstruktur ist kfz (kubischflächenzentriert)

sowie

Der Schmelzpunkt liegt bei 1083 °C

sowie

Die elektrische Leitfähigkeit beträgt $58 \cdot 10^6 \frac{S}{m}$ [S = Siemens, m = Leiterlänge]

sowie

Im Vergleich zu Gold ist die Leitfähigkeit wesentlich besser und nur leicht geringer als die Leitfähigkeit von Silber.

sowie

Die Ursache für die gute Leitfähigkeit erklärt sich mit der Weichheit dieses Metalls. Dadurch ist der elektrische Widerstand verhältnismäßig gering.

sowie

Bei einer Temperatur von knapp 800 °C lässt es sich auch gut Schmieden.

sowie

Direkt nach dem Erzeugen hat das Metall eine glatte Oberfläche mit hellroter Farbe, da es das grüne und blaue Spektrum unseres Lichts besser absorbiert.

sowie

Mit der Zeit bildet es jedoch eine Patina aus, weshalb dann aus der glatten hellroten Oberfläche eine stumpfe blaugrüne Oberfläche wird. Diese Veränderung der Färbe wird durch Verwitterung und Korrosion verursacht.

Herstellung

Damit dieses Metall seine volle Leistung ausschöpfen kann, muss es annähernd in Reinform vorliegen. Das über Kathoden gewonnene Metall (Kathodenkupfer KE-CU) besitzt eine Reinheit von 99,99 %.

Als Ausgangsmaterial dient Kupferkies auch bekannt unter dem Namen Chalkopyrit. Der chemische Ausdruck hierfür ist

$\boxed{ CuFeS_2 }$

Sulfidische und oxidische Kupfererze

Man unterscheidet bei der Herstellung reinem Kupfer zwischen zwei Herstellungsverfahren.

Metall aus sulfidischem Kupfererz wird mit Hilfe der Pyrometallurgie hergestellt

sowie

Metall aus oxidischem Kupfererz wird nach hydrometallurgischen Verfahren gewonnen.

Flotation

Der erste Schritt der Kupfergewinnung ist die Flotation. Hier wird ein Teil des Begleitmaterials und des Pyrits entfernt. Dieser Verfahrensschritt erhöht den nur zwei prozentigen Anteil des Metalls im Erz aber nur auf lediglich 25 %.

Rösten

Im zweiten Schritt der Kupfergewinnung gilt es den Kupferstein schmelzbar zu machen, indem man den Schwefelgehalt auf einen verwertbaren Anteil erhöht. Das nun sehr schwefelreiche Erz wird geröstet, wodurch die Hälfte des Eisensulfids zu Eisenoxid und Schwefeldioxid oxidiert.

Die Reaktionsgleichung ist dann folgende:

$\boxed{ 2 FeS_2 + 3 O_2 \rightarrow 2 FeO + 2 SO_2 }$

Nach diesem Röstvorgang erzeugt man eine Schlacke mit besonders hoher Kupferunlöslichkeit, wodurch weitere Bestandteile der Gangart entfernt werden können.

Blaskonverter

Im Schmelzprozess wird dann das restliche Eisenoxid zu Kupferstein geschmolzen und einem Blaskonverter zugeführt. Der eingeblasene Sauerstoff im Konverter bewirkt dann eine Oxidation der Schmelze.

Der gesamte Vorgang der Oxidation verläuft zweiteilig.

Konverterphase 1

Nachdem das oxidierte Eisen in die Schlacke überführt wurde, muss letztere entfernt werden.

Die Reaktionsgleichungen sind folgende:

$\boxed{2 FeS_2 + 3 O \rightarrow 2 FeO + 2SO_2 }$

$\boxed{ 2 FeO + SiO2 \rightarrow Fe_2SiO4 }$

Konverterphase 2

Nach Abschluss dieser Phase liegt das ursprünglich gebundene Metall als Rohkupfer vor.

Hier sieht die Reaktionsgleichung wie folgt aus:

$\boxed{Cu_2S + O_2 \rightarrow 2 Cu + SO_2}$

Noch immer nicht genug?…

Die Kupferschmelze besitzt nun eine Reinheit von ca. 97 %. Um diese Reinheit auf die oben erwähnten 99,99 % zu erhöhen, folgt zumeist eine Nachbearbeitung in Form einer elektrolytischen sowie pyrometallischen Raffination.

Übersicht der Verfahrensschritte – Kupferherstellung

In der nachfolgenden Abbildung siehst noch mal alle Verfahrensabläufe zusammengefasst:

Kupferherstellung - Übersicht — Herstellung – Übersicht

Verwendung

Die Verwendung diese NE-Metall ist sehr vielfältig. Es findet Gebrauch in der Elektroindustrie, der Bauwirtschaft, der Münzherstellung oder der Herstellung von Musikinstrumenten.

Elektroindustrie

Das NE-Metall wird hier in Reinform oder als Legierung für Elektroinstallationen verwendet.

Beispiel: Verwendung in der Elektroindustrie

Da es nach Silber die zweithöchste Leitfähigkeit aller Metalle aufweist verwendet man es für

Stromkabel
Oberleitungen (Legierung aus Kupfer und Magnesium – Zur Steigerung der Zugfestigkeit)
Schaltdrähte
Leiterbahnen auf Leiterplatten
Spulen in Transformatoren und Elektromotoren
Klemmen und Kontaktträger für elektrische Bauteile (Wärmetauscher und Kühlkörper)

Metall in der Elektro- und Computerindustrie

Merk’s dir!

Obwohl Aluminium sogar besser über lange Strecken elektrischen Strom leitet und dazu noch günstiger ist, verwendet man bevorzugt dieses Metall. Denn es lässt sich besser kontaktieren und hat die für Stromkabel wichtige, höhere Biegewechselfestigkeit.

Bauwirtschaft

In der Bauwirtschaft setzt man auch auf diese Metall als Baumaterial. Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, da sich auf diesem mit der Zeit eine beständige blaugrüne Patina bildet.

Die Patina schützt das darunter liegende Metall vor einer weiteren Korrosion.

Merk’s dir!

Warum das Kupferblech so beliebt ist, zeigt sich daran, dass es komplette Dächer aus diesem Material gibt, die bereits seit Jahrhunderten solide ihren Dienst leisten.

Auch Dachrinnen und Fallrohre werden nicht selten aus diesem Metall hergestellt, da auch sie für eine lange Haltbarkeit stehen.

Nägel aus diesem Material hingegen werden für die Fixierung von Schieferplatten auf Schieferdächern verwendet.

Auch im Sanitärbereich werden gerne Rohre aus diesem Metall hergestellt und für Wasserleitungen genutzt, da diese sich gut weiterverarbeiten lassen.

Münzen und Musikinstrumente

Viele Münzwerkstoffe sowie Werkstoffe für Musikinstrumente werden als Legierung auf Kupferbasis hergestellt.

Beispiel: Legierungen

Zumeist zusammen mit

Zinn als Bronze
Zink und Nickel als Neusilber
Zink als Messing

Bei einem erhöhten Nickelanteil verschwindet die eigentliche, rötliche Farbe des Metalls. Denn durch das Nickel erhält man eine gelbliche, korrosionsfeste Legierung in Form von Kupfernickel.

Taler, Taler, du musst….legieren

Teile unserer Euromünzen bestehen aus einer Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung.

Nachdem du nun einen guten Überblick hast, stellen wir dir im kommenden Kurstext ausführlich das Nichteisenmetall Aluminium vor.

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