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Kupfer

Lerne alles über das Element Kupfer: von seiner Geschichte im Altertum über seine Eigenschaften und Vorkommen bis hin zur Gewinnung, Verwendung und Bedeutung in Lebewesen. Kupfer ist ein lebenswichtiges Spurenelement, das in verschiedenen biologischen Prozessen eine entscheidende Rolle spielt, wie zum Beispiel bei der Bildung von Hämoglobin, dem sauerstofftransportierenden Molekül im Blut.

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Die Autor*innen
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André Otto
Kupfer
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

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.

  • 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 Schlackenblasen, wird das Kupfersulfid aus dem ersten Schritt mit Sauerstoff umgesetzt, bis Kupfer(I)oxid und Schwefeldioxid entstehen.
    Im letzten Schritt, dem Garblasen, 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.

  • 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.

  • 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.

  • Bestimme die elektrische Leitfähigkeit folgender Stoffe.

    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.