Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 09.03.16


Kupfer - Industrielle Reindarstellung, Eigenschaften und Verwendung

Vortrag von Sibylle Scherer und Florian Pröbstl im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 07/08 und WS 14/15


Gliederung:

1. Verwendung

2. Industrielle Reindarstellung aus Erzen
     2.1. Ausgangsmaterialien für die Kupfergewinnung
     2.2. Technische Gewinnung aus eisenhaltigen Kupfersulfiderzen und
            die Überführung in Reinkupfer

3. Literatur


Einführung: Der Weltmarktpreis für Kupfer steigt in jüngster Zeit immer weiter an und hat sich in den letzen 10 Jahren mehr als verfünffacht. Deshalb sind auch Kupferdiebe auf dem Vormarsch und füllen immer mehr die Schlagzeilen in den Zeitungen:

Vilseck 31.10.2007: Kupferdiebe haben in der Oberpfalz bei Vilseck zugeschlagen und einen Schaden in Höhe von insgesamt rund 26.000 € verursacht. Die unbekannten Täter bauten ein etwa 300 m2 großes Kupferblech vom Dach der Kläranlage ab. Zuvor hebelten sie das Zufahrtstor auf, um das Blech und zwei kupferne Regenfallrohre auf einen LKW aufzuladen und zu entwenden. [2]

Bayreuth: 30.09.2012: Im Logistikpark in Bayreuth haben Unbekannte eine Kabeltrommel mit 90 Meter Kupferkabel im Wert von 15.000 € entwendet. Es ist noch unklar wie die 400 Kilogramm schwere Trommel unbemerkt abtransportiert werden konnte. [3]

Immer häufiger schlagen die Diebe zu. Das Kupfer ist dabei in allen Varianten begehrt, ob Kabel oder Bleche. Bei ihrem Vorgehen werden die Diebe dabei immer dreister und verursachen immer größere Schäden. Doch warum das Metall eigentlich so begehrt?


1 Verwendung [1]

Die Jahresproduktion von Kupfer belief sich im Jahr 2014 auf rund 18,7 Millionen Tonnen, wobei etwa 1/3 aus Altmetall zurück gewonnen werden können. [4]

Abb. 1: Kupferrohr

Demonstration: Kupferblech aus der Sammlung der Didaktik der Chemie

Nach Aluminium ist Kupfer das wichtigste Gebrauchsmetall und wird aufgrund seiner guten Polierfähigkeit für Kupferstiche verwendet. Das ist darauf zurückzuführen, dass es ein relativ weiches Metall ist, das gleichzeitig sehr zäh, schmiedbar und dehnbar ist. Dadurch ist es zu dünnen Drähte ausziehbar und zu grün durchscheinenden Blättchen ausschlagbar.

Kupfer hat nach Silber die beste elektrische Leitfähigkeit und dient daher zur Herstellung von elektrischen Leitungen.

Weiter besitzt es eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und kann so z.B. zu Kochgeschirr, Braupfannen und Kühlschlangen für Haushaltsgeräte verarbeitet werden. Es wird auch für Heizrohre eingesetzt. Dabei wird allerdings viel Wärme ableitet, was eine entsprechende Isolierung erforderlich macht.

Kupferrohre an der Universität Bayreuth: Etwa 80 % der an der Universität Bayreuth verarbeiteten Rohre bestehen aus Kupfer. Die meisten übrigen Leitungen sind aus Edelstahl, da die diese kostengünstiger sind. Ein kleiner Anteil besteht zudem aus dem Kunststoff PVC, welcher geklebt wird und so einem Druck von bis zu 16 bar stand hält. Diese Kunststoffrohre sind UV-Licht beständig und in den Labors und den Gängen zu finden.

Demonstration: Kupfer-, Stahl- und PVC- Rohr

Kupferrohre werden sehr häufig verwendet, was mit einer weiteren Eigenschaft, der Oxidationsbeständigkeit zu begründen ist. Kupfer oxidiert an der Luft oberflächlich und langsam zu rotem Kupfer(I)-oxid Cu2O. Das Oxid haftet gut an Oberflächen und verleit dem Kupfer die bekannte Kupferfarbe, die aber eigentlich nicht die hellrote Farbe des Metalls darstellt. In Industrienähe oder in Städten wird oft ein grüner Überzug aus basischen Carbonaten, Sulfaten oder Chloriden auf dem Metall gebildet. Dies wird als "Patina" bezeichnet und schützt das Metall vor weiterer Zerstörung.

Des Weiteren kommt Kupfer in ausgedehntem Maße bei der Herstellung von Legierungen zum Einsatz. Ein Beispiel für eine Kupferlegierung ist Messing, welche aus Kupfer und Zink besteht. Die Unterteilung erfolgt dabei je nach Zinkgehalt. Rotmessing besitzt bis zu 20 % Zink und ist sehr dehnbar. Daher wird mit dieser Legierung unechtes Blattgold hergestellt. Gelbmessing hat 20-40 % Zink, weshalb es für Maschinenteile eingesetzt wird. Weißmessing besitzt bis zu 80 % Zink. Es ist sehr spröde und kann daher nur gegossen werden. Bronzen: Sie bestehen aus einer Mischung von Kupfer mit weniger als 40 % Zinn und anderen Metallen wie Blei, Aluminium, Nickel. Der Name entsteht je nach beigemischten Metall. Legierungen finden z. B. bei der Herstellung von Blechblasinstrumenten und Münzgeld Anwendung.

Versuch: Vergolden einer Kupfermünze 1

Alle diese Eigenschaften, der begrenzte Vorrat und die teils aufwendige Herstellung machen Kupfer zu einem begehrtem Rohstoff der immer höhere Preise auf dem Weltmarkt erzielt. Dies stellt wiederum das wesentliche Motiv für die Kupferdiebe dar.


2 Industrielle Reindarstellung aus Erzen [1]

2.1 Wichtige Ausgangsmaterialien für die Kupfergewinnung

In der Natur kommt Kupfer nur in sehr geringen Mengen gediegen, d.h. in elementarer Form vor. Meist liegt es gebunden in kationischer Form als Oxid, Carbonat oder Sulfid vor. Die größten Kupferlagerstätten befinden sich in den USA, in Kanada und in Chile, wobei in erster Linie die Sulfide die Rohstoffe zur industriellen Kupfergewinnung darstellen. Dazu zählen Chalkopyrit: Kupferkies CuFeS2, der weit verbreitet ist, Bornit: Buntkupferkies Cu5FeS4 und Chalkosin: Kupferglanz Cu2S.

Abb. 2: gediegenes Kupfer Abb. 3: Chalkopyrit: Kupferkies

2.2 Technische Gewinnung aus eisenhaltigen Kupfersulfiderzen und die Überführung in Reinkupfer

Etwa 80 % der Kupfergewinnung erfolgt auf „trockenem Weg“ durch das schmelzmetallurgische Verfahren aus Kupferkies, Buntkupferkies oder Kupferglanz.

Im Folgenden wird der Verlauf der industriellen Kupfergewinnung aus Kupferkies durch das schmelzmetallurgische Verfahren genauer beschrieben.


Abb. 4: Verlauf der Kupfergewinnung

Es wird zuerst die Flotation (= Schwimmaufbereitung) durchgeführt, da die Erze aufgrund des vielen Begleitgestein im Erz oft nur einen sehr geringen Anteil an Kupfergehalt von 0,4-2 % aufweisen. Dabei wird das Ausgangsmaterial zuerst stark zerkleinert. Anschließend wird Wasser und Holzteeröl zugegeben, wodurch das Kupfererz mit Öl benetzt wird. Dadurch wird es nach oben geschwemmt und kann so vom übrigen Gestein abgetrennt werden. Danach wird das Öl abgepresst und man erhält ein angereichertes Erz mit einem Kupferanteil von 20-30 %.

Die Gewinnung von Kupferstein besteht aus zwei Schritten. Beim Rösten wird ein Teil des eisengebundenen Schwefels beseitigt. Dazu nimmt man das Ausgangsmaterial Kupferkies.

6 CuFeS2 + 13 O2  →  3 Cu2S + 2 Fe3O4 + 9 SO2

Diese Reaktion verläuft in Röstöfen, die1,5 m tief, 3-10 m breit und 9 m hoch sind. Der Prozess verläuft bei einer Temperatur von 700-800 °C und unter Anwesenheit von Sauerstoff. Nun erfolgt das Schmelzen des Röstguts und damit die Beseitigung des Eisenoxids mithilfe von Koks, kieselsäurehaltigen Zuschlägen und bei Anwesenheit von Sauerstoff bei 1200-1500 °C.

2 Fe3O4 + 2 CO + 3 SiO2  →  3 Fe2SiO4 + 2 CO2

Das Koks wird aus zwei Gründen im Schmelzprozess benötigt. Es liefert die Wärme, indem es mit Sauerstoff verbrannt wird. Weiter liefert es das benötigte CO, wodurch das Fe3O4 in verschlackbares FeO überführt werden kann. Anschließend wird das flüssiges Reaktionsgemisch aus dem Röstofen in Vorherde abgeleitet, wo sich das Gemisch in leichtere Eisensilikatschlacke und schwereren Kupferstein (Cu2S und variable Mengen an FeS, 30-70 % Cu) auftrennt. 

Der so gewonnene Kupferstein wird nun in flüssigem Zustand in einen mit Magnesiasteinchen gefüllten Konverter (9 m lang und 4 m breit) eingeleitet. In diesem wird seitlich Luft in die 1150-1250 °C heiße Schmelze eingeleitet. Dies dient zur Entfernung des Eisensulfids und zur Entschwefelung des Kupfersulfids und wird Verblaserösten genannt. Das Verblaserösten erfolgt wiederum in zwei Schritten:

  1. Beim Schlackenblasen wird das FeS des Kupfersteins zum Oxid FeO abgeröstet. Dieses entstandene Oxid verschlackt mit dem zugeschlagenen Quarz SiO2. Dieser Prozess dauert etwa 40-60 Minuten.

2 FeS + 3 O2  →  2 FeO + 2 SO2      ΔRH= -468,5 kJ

2 FeO + SiO2  →  Fe2SiO4

  1. Nachdem die Schlacke abgegossen wurde und wieder in der Phase der Kupfersteingewinnung eingesetzt wurde, da noch geringe Mengen an Kupfer in der Schlacke vorhanden sind, erfolgt der zweite Schritt. Beim Garblasen werden 2/3 des gebildeten Cu2S in Cu2O umgewandelt.

2 Cu2S + 3 O→  2 Cu2O + 2 SO2      ΔRH= -768,3 kJ

Das erhaltene Cu2O reagiert nun mit dem restlichen Drittel des Cu2S zu metallischem Kupfer.

116,0 kJ + 2 Cu2O + Cu2S  →  6 Cu + SO2

Das Rohkupfer muss anschließend gereinigt werden, da noch gewisse Beimengungen an Zinn, Blei, Arsen, Antimon, Bismut, Eisen, Cobalt, Nickel, Schwefel, Tellur und Edelmetallen enthalten sind.

Zuerst erfolgt die schmelzmetallurgische Raffination, wobei das Garkupfer entsteht. Es kann in zwei Schritte geteilt werden. Im oxidierenden Schritt werden in kleinen Flammöfen bei 1200 °C zum geschmolzenen Rohkupfer schlackenbildende Zusätze gegeben und Luft eingeblasen. So bilden sich Oxide, die sich verflüchtigen oder mit anderen Oxiden verschlacken. Nach einigen Stunden entsteht Cu2O, welches wieder, wie beim 2. Schritt des Garblasens, mit Cu2S zu Cu und SO2 reagiert. Im reduzierenden Schritt werden die flüssige Schlacke und der gasförmige Überstand abgetrennt und mit Erdgas reduziert, damit das Cu2O wieder zu Cu reduziert und der überschüssige Sauerstoff entfernt wird. 

Um die Edelmetalle aus dem Garkupfer zu entfernen erfolgt die elektrolytische Raffination. Dazu wird das Garkupfer in die Form von 3 cm dicken Anodenplatten gegossen und in einer CuSO4-Lösung mit Kathodenplatten aus Feinkupferblech zusammengeschaltet. Der Strom wird eingeschaltet (wenige zehntel Spannung und eine Stromdichte von 150-240 A/m2) und das Kupfer geht an der Anode hauptsächlich in Cu2+ und z. T. in Cu+ in Lösung. An der Kathode scheidet sich aus der Kupfersulfatlösung reines Kupfer in Form eines hochroten, dichten Niederschlags ab.

Abb. 5: Elektrolyse

Cu Garkupfer  →  Cu2+ + 2 e-       (Anode)

   Cu2+ + 2e-  →  Cu Reinkupfer       (Kathode)

Cu Garkupfer  →  Cu Reinkupfer

Die unedleren Metalle als Kupfer, die noch im Garkupfer vorhanden sind, haben ein negativeres Potential und gehen in die Kupfersulfatlösung über, wo sie verbleiben. Sie können sich an der Kathode aufgrund ihres chemischen Standardpotentials nicht abscheiden. Die edleren Metalle als Kupfer (Silber, Gold und Platin) weisen ein positiveres Potential auf und fallen deshalb als Staub von der sich auflösenden Anode ab. Der Staub wird zusammen mit anderen festen Abfallstoffen als Anodenschlamm bezeichnet, der als Ausgangsmaterial für die Gewinnung von Edelmetallen verwendet wird. Es wurde eine Standardpotentialreihe zur Erklärung verwendet.


Zusammenfassung

Kupfer begegnet uns in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens (z. B. Küche, Hausabdeckungen, Heizungen, Münzgeld, Universität). Diese verschiedenen Begegnungen werden durch die vielen Einsatzmöglichkeiten von Kupfer hervorgerufen, was auf seine wichtigsten Eigenschaften (Oxidationsbeständig-keit, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit) zurückzuführen ist. Allerdings finden wir Kupfer nur in geringen Mengen in elementarer Form, was eine aufwendige Gewinnung aus Erzen erforderlich macht. Das Metall kann zu 100 % recycelt werden und stellt somit auch für die Zukunft, im Zuge der Endlichkeit von fossilen Brennstoffen, eine Möglichkeit zum nachhaltigen Sparen von Ressourcen und Energie dar.

Abschluss:

Kupfer ist und bleib ein begehrtes Metall und erzielt auf Grund seiner vielfältigen physikalischen und chemischen Eigenschaften, seiner aufwendigen Herstellungsweise und seiner Bedeutung für die Zukunft immer höhere Preise auf dem Weltmarkt. Gerade deshalb gehen wohl immer mehr Diebesbanden auf die Suche nach dem wertvollen Metall und versprechen sich davon auf dem Schwarzmarkt oder an den richtigen Stellen ein äußerst lukratives Geschäft.


3 Literatur

  1. Holleman, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 2007, de Gruyter.
  2. www.tvaktuell.com 13.02.2008. (verschollen)
  3. http://www.nordbayerischer-kurier.de/nachrichten/kupferdiebe_unterwegs 25.04.2015

  4. http://de.statista.com/statistik/daten/studie/37022/umfrage/produktion-von-kupfer-weltweit/ 25.04.2015


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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 09.03.16