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Kupfer 12:05 min

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Transkript Kupfer

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Kupfer". Der Film gehört zur Reihe "Elemente". Als Vorkenntnisse solltest du die Naturwissenschaften des 10. Schuljahres beherrschen. Das Video enthält eine Übersicht über das Metall Kupfer und seine Bedeutung. Der Film besteht aus zehn Abschnitten:

  1. Zur Geschichte
  2. Stellung im Periodensystem der Elemente
  3. Eigenschaften
  4. Vorkommen
  5. Herstellung
  6. Das Metall
  7. Die Legierungen
  8. Oxide, Sulfat und Sulfid
  9. In Lebewesen und 10. Ausblick  
  10. Zur Geschichte: Kupfer ist ein Element des Altertums und hat somit keinen Entdecker. Schon die alten Ägypter kannten das Kupfer. Die Cheops-Pyramide vor etwa 5000 Jahren wurde mit Kupferwerkzeugen errichtet. Auch im antiken Griechenland wurde Kupfer hergestellt. Der Legende nach stellte Hephaistos, der Gott des Feuers, einen Schild für den unbezwingbaren Achilles her. Von den Griechen übernahmen die Römer die Kunst der Kupferverhüttung. Während die Waffen der Römer aus Eisen gefertigt waren, bestand ein Teil des Hausrates aus Kupfer. Die Römer stellten auch Legierungen des Kupfers her, wie man an dieser Bronze-Maske erkennen kann. Der lateinische Name für Kupfer, "cuprum", stammt übrigens von der Insel Zypern ab. Von daher erhielten die Römer einen großen Teil ihrer Kupfererze.  
  11. Stellung im Periodensystem der Elemente Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Kupfer an dieser Stelle. Kupfer steht in der ersten Nebengruppe. Als Nebengruppenelement ist Kupfer ein Metall. Kupfer hat das chemische Symbol "Cu". Die Oxidationszahlen in den Verbindungen sind +2 und +1.   
  12. Eigenschaften Kupfer ist ein lachsrosanes Metall. Kupfer ist weich, nach Mohs hat es einen Härtegrad von 3; es ist hämmerbar. Seine Dichte beträgt 8,9 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Dichten von Kupfer, Cobalt und Nickel fallen praktisch zusammen; sie sind höher als die Dichte von Eisen. Kupfer hat eine Schmelztemperatur von 1084 Grad Celsius. Es ist ein sehr guter elektrischer Leiter. Es ist auch ein sehr guter Wärmeleiter. Kupfer reagiert weder mit Säure, wie Salzsäure, noch mit Laugen wie Natriumhydroxid. Es ist chemisch edel. Bei hohen Temperaturen findet an der Luft eine Verbrennung statt. Es entsteht Kupfer(II)-oxid (CuO). Kupfer reagiert mit der oxidierenden Säure, Salpetersäure (HNO3).   
  13. Vorkommen Kupfer ist mit 0,01 Prozent in der Erdkruste enthalten. Selten trifft man Kupfer gediegen an. Man kennt inzwischen einige Hundert Kupferminerale: Chalkopyrit, Malachit, Bornit, Chalkosin und noch viele andere. Die Weltkupferförderung verzeichnete in den letzten Jahren eine ständig steigende Tendenz. Interessant ist auch, im Jahre 2006 auf die führenden Förderländer zu blicken. Die Angaben sind in 1000 Tonnen pro Jahr. Chile ist mit Abstand der größte Kupferförderer: 5360,8 Kilotonnen. Mit erheblichem Abstand folgen: die USA mit 1200 Kilotonnen und Peru 1048,9 Kilotonnen.  
  14. Herstellung Wir nehmen an, dass für die Herstellung von Kupfer Chalkopyrit zur Verfügung steht. Chemisch gesehen ist das ein Kupfereisensulfid (CuFeS2). Zunächst muss Röstarbeit verrichtet werden, wobei das Erz mit Sauerstoff reagiert. Es entstehen Kupfer(I)-sulfid, Eisen(III)-oxid und Schwefeldioxid wird frei. Im nächsten Schritt wird Schmelzarbeit verrichtet. Das Eisenoxid reagiert mit Kohlenstoff und Siliciumdioxid, das ist Sand. Im Ergebnis bildet sich Eisensilicat und es ensteht Kohlenstoffmonoxid. Das Eisensilicat geht in die Schlacke und kann vom Reaktionsgemisch abgetrennt werden. Der nächste Schritt ist das Schlackenblasen. Das Kupfer(I)-sulfid reagiert mit Sauerstoff zu Kupfer(I)-oxid und Schwefeldioxid. Der letzte Schritt ist das Garblasen. Kupfer(I)-sulfid reagiert mit Kupfer(I)-oxid zu Kupfer und Schwefeldioxid. Für die Aufreinigung des Kupfers wird die elektrolytische Raffination verwendet. An der Anode gehen die metallischen Kupfer, Eisen und Zink als entsprechende Ionen in Lösung. An der Kathode wird metallisches Kupfer abgeschieden. Man erhält Elektrolytkupfer von hoher Reinheit.  
  15. Das Metall Kupfer besitzt eine breite Verwendung. Viele Dinge können daraus gefertigt werden: Kupferrohre, Kupferdraht und Oberleitungen, chemische Apparate, Destillen und Armaturen.  
  16. Legierungen Eine der wichtigsten Kupferlegierungen ist Messing. Messing besteht aus Kupfer und Zink. Messing ist im Gegensatz zu Kupfer zäh und fest, aber genau wie Kupfer gut bearbeitbar. Blechblasinstrumente wie diese Trompete werden aus Messing hergestellt. Auch dieser Krug besteht aus Messing. Muffen, Holzschrauben und Patronenhülsen werden aus Messing hergestellt und noch viele andere Dinge noch. Bronze ist eine berühmte Legierung, bestehend aus Kupfer und Zinn. Bronze für Skulpturen enthält etwa 5 Prozent Zinn. Bronze hat gegenüber Kupfer einen Vorteil: Sie ist härter. Inzwischen bezeichnet man auch viele Varianten der Kupferlegierungen als Bronze. Diese Legierungen können enthalten: Zink, Blei, Aluminium, Nickel, Silicium oder Beryllium. Bei allen diesen Legierungen handelt es sich um Bronzen. Eingesetzt werden sie für die Herstellung von Lagerschalen, Buchsen, Dichtungen, Ventilen, im Maschinenbau, für Flugzeugtriebwerke und für Turbinen.   
  17. Oxide, Sulfalt und Sulfid Beim roten Oxid des Kupfers handelt es sich um Kupfer(I)-sulfid (Cu2O). Das schwarze Kupferoxid ist Kupfer(II)-oxid (CuO). Man kann diese Oxide für die Übertragung von Sauerstoffen als milde Oxidationsmittel verwenden. Von besonderem Interesse ist ein Kupfersalz: Kupfersulfat. In der Abbildung sehen wir weißes Kupfersulfat; dieses Kupfersulfat ist wasserfrei. Bei der Aufnahme von Wasser wird es blau. Wasserfreies Kupfersulfat kann man für den Wassernachweis in organischen Lösungsmitteln verwenden. Kupfersulfat reagiert mit Schwefelwasserstoff (H2S) in Gegenwart von Sauerstoff. Schwefelwasserstoff wird von Eiern in geringen Mengen gebildet. Dabei entsteht Kupfersulfid - ein schwer lösliches Salz. Kupfersulfid ist von Bedeutung in der analytischen Chemie beim Kationentrennungsgang.  
  18. In Lebewesen Der Mensch braucht Kupfer zum Leben. In der Leber finden wir 0,00004 Milligramm pro 100 Gramm. Das Blut enthält 0,001 Milligramm pro Liter. Kupfer ist Bestandteil von Lactase und Glucoseoxidase. Bei beiden handelt es sich um Enzyme. Und das hier ist die Struktur der Glucoseoxidase. Auch niedere Lebewesen benötigen Kupfer. Mollusken und Krebstiere benötigen das Kupfer zum Aufbau des Hämocyanins, ihres Blutfarbstoffes. 0,15 bis 0,26 Prozent Kupfer sind dort enthalten. Sauerstofffrei ist Hämocyanin weiß. Eine blaue Farbe nimmt der Blutfarbstoff an, wenn er mit Sauerstoff gesättigt ist. Kupfer ist als Spurenelement für Pflanzen unabdinglich; sie benötigen das Kupfer für die Photosynthese und die Stickstoffassimilation. Ein Kupfermangel mindert den Ertrag und führt zu Unfruchtbarkeit. Ausreichend Kupfer ist für die Synthese von Eiweißen, Fetten und Vitaminen notwendig. Außerdem nimmt die Winterhärte zu. Als Dünger wird Kupfersulfat verwendet.  
  19. Ausblick Das chemische Element Kupfer ist heute untrennbarer Bestandteil des menschlichen und tierischen sowie pflanzlichen Lebens. Die Zivilisation ist und bleibt mit Kupfer eng verbunden.

Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen!

4 Kommentare
  1. Ein Beispiel. Viel mehr als HNO3 gibt es in der Schule nicht. H2SO4 hat eine geringere Oxidationskraft.
    Der Punkt ist aber nicht die Reaktion von CuO, sondern die Oxidation von Cu zu CuO durch HNO3. HCl, obwohl als Säure stärker, kann das nämlich nicht.
    In der Buntmetallfertigung werden Kupferrohre oder starke Kupferkabel in Bädern verdünnter Schwefelsäure gebeizt. Und das hat dann nichts mit Oxidation zu tun; die Kupferoxide reagieren mit der Schwefelsäure zum Kupfersulfat, Wasser wird frei und das reine Kupfer erscheint an der Oberfläche.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als einem Jahr
  2. CuO reagiert doch mit allen oxidierenden Säuren, oder ist die Salpetersäure nur als ein Beispiel für diese Säuren zu sehen?

    Von A Wag, vor mehr als einem Jahr
  3. Das Element Kupfer wird dir im Chemieunterricht immer wieder über den Weg laufen. Bereits in deinem ersten Chemie-Jahr wirst du Kupfer als Vertreter der Metalle kennen lernen und vielleicht betrachtest du die Entstehung von Kupferoxid auch als Beispiel für die chemische Reaktion. Auch die farbenfrohen Salze des Kupfers werden dir spätestens in Klasse 9 begegnen.
    Später wirst sicher auch bei Oxidation und Reduktion auf Beispiele mit Kupfer treffen.

    Wenn du also in diesem Video noch nicht alles verstehst, dann kannst du einige Kapitel auch einfach überspringen.

    Grüße aus der Redaktion!

    Von Bianca Blankschein, vor fast 2 Jahren
  4. Warum ist das Video unter der 8 klasse wenn man die naturwissenschaften des 10 schuljahres behersche soll?

    Von Fim Huebner, vor fast 2 Jahren

Kupfer Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kupfer kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Eigenschaften des Kupfers.

    Tipps

    Die Ägypter benutzten bereits Kupferwerkzeuge.

    Mögliche Kupferoxide sind ${ Cu }_{ 2 }O$ und $CuO$. An ihnen kann man die möglichen OZ erkennen.

    Kupfer ist wie Gold und Silber ein Edelmetall.

    Lösung

    Kupfer ist ein Element, das bereits im Altertum von vielen Hochkulturen genutzt wurde. So benutzten es die Ägypter bereits beim Bau der Pyramiden für Werkzeuge. Auch die Griechen und Römer benutzten das lachsrosane Metall, allerdings eher für Zierrat als für Waffen. Hier benutzte man das häufigere und stabilere Metall Eisen. Kupfer hat keinen festen Entdecker, da es nicht überliefert ist, wer das Metall zuerst nutzte und entdeckte.

    Im PSE steht Kupfer in den Nebengruppen, der sogenannten Kupfergruppe (Cu, Ag, Au). Es teilt mit diesen Elementen den edlen Charakter. Kupfer ist ein guter Wärme-/Stromleiter. Die Dichte des Kupfers ist äquivalent zu der von Cobalt und Nickel, jedoch höher als die des Eisens. Das Element ist leicht hämmerbar und sehr weich. Die Schmelztemperatur liegt bei 1084°C.

  • Bestimme die Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen.

    Tipps

    Viele Skulpturen sind aus Bronze, da die Verbindung härter als reines Kupfer ist.

    Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung.

    Lösung

    Kupfer ist ein Nebengruppenmetall und dazu sehr weich und hämmerbar. Es ist als reines Element lachsrosa. Kupfer ist ein sehr guter Leiter des Stroms und der Wärme. Dennoch ist Kupfer aufgrund seiner Weichheit schwer zu benutzen. Daher gibt es verschiedene Kupferlegierungen, die allesamt unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

    Das Messing ist eine Verbindung von Kupfer und Zink. Es ist etwas härter als Kupfer, jedoch nicht so hart wie Bronze. Im Gegensatz zu Kupfer wird es durch magnetische Felder nicht beeinflußt. Es ist also amagnetisch. Wenn der Zinkgehalt über 36% steigt, ist die Verbindung weißgelb, sonst eher braun-rötlich.

    Die Bronze ist eine Verbindung, die eine ganze Epoche der Menschheit geprägt hat. Daher der Name Bronzezeit. Bronze ist Kupfer mit einem anderen Metall, außer Zink. Oftmals wird das weiche Zinn genommen, es können aber auch andere Metalle wie etwa Blei, Nickel, Silizium oder Aluminium genommen werden. Bronze ist härter als Kupfer und Messing und wird auch oftmals als Skulpturenmaterial genommen. In der heutigen Zeit werden Ventile und Flugzeugturbinen damit hergestellt. Die Eigenschaften der Bronze hängen maßgeblich mit den verwendeten Metallen zusammen.

  • Sortiere die Schritte der Kupferherstellung.

    Tipps

    Die Basis des ersten Schritts ist Chalkopyrit (${ CuFeS }_{ 2 }$), ein kupferhaltiges Mineral.

    Im zweiten Schritt wird viel Hitze benötigt, die mithilfe von Kohle erzeugt wird.

    Im dritten Schritt entsteht das Kupfer(I)oxid, welches im letzten Schritt mit dem Kupfer(I)sulfid zu den fertigen Produkten reagiert.

    Lösung

    Die Herstellung von Kupfer verläuft über verschiedene Arbeitsschritte.
    Ausgangsstoff ist das Mineral Chalkopyrit (${ CuFeS }_{ 2 }$). Dieses wird in der sogenannten Röstarbeit gemeinsam mit Sauerstoff umgesetzt, bis sich Eisenoxid, Schwefeldioxid, Eisensulfid und Kupfer(I)sulfid bilden.
    Im nächsten Schritt muss das Eisenoxid entfernt werden. Dies geschieht mittels der Umsetzung mit Sand und Kohlenstoff. Es reagiert zu $Fe_2SiO_4$ und Kohlenstoffmonoxid. Das Gas CO kann einfach entfernt werden, gemeinsam mit der festen Schlacke.
    Im dritten Schritt, dem Schlackeblasen, wird das Kupfersulfid aus dem ersten Schritt mit Sauerstoff umgesetzt, bis Kupfer(I)oxid und Schwefeldioxid entstehen.
    Im letzten Schritt, dem Gasblasen, werden die beiden Kupfer(I)verbindungen, das Sulfid und das Oxid, gemeinsam umgesetzt. Es entstehen auch hier wieder das thermodynamisch stabile Schwefeldioxid und reines Kupfer.

    In einem letzten Schritt wird das Kupfer, welches immer noch nicht völlig rein ist, mittels elektrolytischer Raffination gereinigt.

  • Bestimme die elektrische Leitfähigkeit folgender Metalle.

    Tipps

    Im Meerwasser befinden sich Ionen, die den Strom geringfügig leiten.

    Die edlen Metalle leiten am stärksten, wobei Silber der stärkste Leiter ist.

    Kupferdrähte werden aufgrund ihres Preis-Leistungsverhältnisses beinahe überall verbaut.

    Lösung

    Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Größe, die angibt, wie gut oder schlecht ein Stoff den elektrischen Strom leitet. Die SI-Einheit der Leitfähigkeit ist Siemens/Meter. Metalle leiten von allen Elementen im PSE den elektrischen Strom am besten.

    Silber ist der beste elektrische Leiter, direkt gefolgt von Kupfer. Gold als drittes Metall der Kupfer-Gruppe folgt auf dem dritten Rang. Metalle wie Eisen oder Edelstahl leiten deutlich schlechter, aber immer noch deutlich besser als Meerwasser.

    Ionen sind ebenfalls elektrische Leiter. Eine Kupfersulfat-Lösung oder auch Salz in Wasser gelöst können somit den Strom leiten.

  • Ermittle die Oxidationszahlen des Kupfers.

    Tipps

    Die Formel für das rote Kupferoxid lautet $Cu_2O$. Die Formel des schwarzen ist $CuO$.

    Reine Elemente haben die Oxidationszahl +0.

    Kupfersulfat $CuSO_4$

    Kupferchlorid $CuCl_2$

    Lösung

    Kupfer kann die Oxidationszahlen 0 bis +4 annehmen. Die Stufe +4 ist sehr selten und wird meist in Komplexverbindungen erreicht. Die Stufen +1/+2 sind die stabilsten in wässriger Lösung.

    Das Besondere an Kupferverbindungen sind die vielen verschiedenen Farben, die bei anderen Metallverbindungen in dieser Form nicht immer auftreten. So ist das Kupfer(I)oxid rot-braun, während das Kupfer(II)oxid tiefschwarz ist. Kupfersulfat sollte ein Begriff sein, da es eine blaue Lösung ergibt. Hier liegt Kupfer aufgrund des zweiwertig negativen Sulfat-Ions in der Oxidationsstufe +2 vor.

    Ebenfalls bildet Kupfer Halogenide, wobei hier die Formel stets ${ Cu }{ X }_{ 2 }$ (X=F, Cl, Br, I) lautet. Auch diese haben verschiedene Farben.

  • Erkenne die Edelmetalle.

    Tipps

    Edelmetalle oxidieren nicht oder kaum an der Luft mit dem Luftsauerstoff.

    Edelmetalle haben eine hervorragende Wärme-/Stromleitfähigkeit.

    Aluminiumoxid ist eine der thermodynamisch stabilsten Verbindungen. Aluminium hat an normaler Luft immer eine passivierende Oxidschicht.

    Quecksilber ist ein sehr guter Stromleiter.

    Lösung

    Edelmetalle haben besondere Eigenschaften, die sie von anderen Metallen der Nebengruppen und auch der Hauptgruppen abgrenzen:

    Zu den Edelmetallen gehören Kupfer, Silber, Gold, Quecksilber und die Platingruppe. Eine Eigenschaft der Edelmetalle ist, dass sie selten Oxide bilden. Sie reagieren wenig bis gar nicht mit dem Luftsauerstoff. Das ist auch einer der Gründe, warum sie gediegen, also in elementarer Form, in der Natur vorkommen. Man kann reine Silbernuggets und Goldadern finden.

    Eine weitere Eigenschaft ist die hervorragende Wärme- und elektrische Stromleitung. Silber ist sogar der beste Leiter von elektrischem Strom, abgesehen von den Supraleitern. Auch Kupfer leitet sehr gut. Dies kann man an den zahlreichen Kupferdrähten sehen, die in der heutigen Technik verbaut sind.