Fakten über Kupfer

Glänzendes, rötliches Kupfer war das erste Metall, das von Menschen manipuliert wurde, und es ist bis heute ein wichtiges Metall in der Industrie. 

Das älteste im Nahen Osten gefundene Metallobjekt besteht aus Kupfer; Es war eine winzige Ahle, die bis 5100 v. Chr. zurückreicht. Und der US-Penny wurde ursprünglich aus reinem Kupfer hergestellt (obwohl er heutzutage zu 97,5 Prozent aus Zink mit einer dünnen Kupferhaut besteht)..

Kupfer ist nach dem US Geological Survey (USGS) nach Eisen und Aluminium das am dritthäufigsten konsumierte Industriemetall der Welt. Etwa drei Viertel dieses Kupfers werden für die Herstellung von elektrischen Drähten, Telekommunikationskabeln und Elektronik verwendet. 

Neben Gold ist Kupfer das einzige Metall im Periodensystem, dessen Farbe nicht von Natur aus Silber oder Grau ist.

Chemische Beschreibung

• Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 29
• Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): Cu
• Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 63,55
• Dichte: 8,92 Gramm pro Kubikzentimeter
• Phase bei Raumtemperatur: fest
• Schmelzpunkt: 1.098,62 Grad Celsius (1.984,32 Grad Fahrenheit)
• Siedepunkt: 2.927 ° C (5.301 ° F)
• Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 35; 2 stabil
• Häufigste Isotope: Cu-63 (69,15 Prozent natürliche Häufigkeit) und Cu-65 (30,85 Prozent natürliche Häufigkeit)

Geschichte und Eigenschaften

Das meiste Kupfer kommt in Erzen vor und muss zur Reinheit geschmolzen oder aus dem Erz extrahiert werden, bevor es verwendet werden kann. Natürliche chemische Reaktionen können jedoch manchmal natives Kupfer freisetzen, so die Chemiedatenbank Chemicool.

Menschen stellen seit mindestens 8.000 Jahren Dinge aus Kupfer her und haben herausgefunden, wie man das Metall um 4500 v. Chr. Schmelzen kann. Der nächste Technologiesprung war die Herstellung von Kupferlegierungen durch Zugabe von Zinn zu Kupfer, wodurch ein härteres Metall als seine Einzelteile entstand: Bronze. Die technologische Entwicklung leitete die Bronzezeit ein, eine Zeitspanne von etwa 3300 bis 1200 v. Chr., Die sich laut Geschichte durch den Einsatz von Bronzewerkzeugen und -waffen auszeichnet.

Kupferartefakte sind in der gesamten historischen Aufzeichnung verteilt. Archäologen entdeckten eine winzige Ahle oder ein spitzes Werkzeug aus dem Jahr 5100 v. Chr., Das mit einer Frau mittleren Alters in einem alten Dorf in Israel begraben wurde. Die Ahle ist das älteste Metallobjekt, das jemals im Nahen Osten gefunden wurde. Das Kupfer stammt wahrscheinlich aus dem Kaukasus, der sich in der Bergregion im Südosten Russlands, Armeniens, Aserbaidschans und Georgiens befindet, die mehr als 1.000 Kilometer entfernt ist. Dies geht aus dem 2014 in PLOS ONE veröffentlichten Artikel hervor. Im alten Ägypten verwendeten die Menschen Kupferlegierungen, um Schmuck herzustellen, einschließlich Zehenringe. Forscher haben auch massive Kupferminen aus dem 10. Jahrhundert vor Christus gefunden. in Israel.

Etwa zwei Drittel des Kupfers auf der Erde befinden sich laut USGS in magmatischen (vulkanischen) Gesteinen, und etwa ein Viertel kommt in Sedimentgesteinen vor. Das Metall ist duktil und formbar und leitet Wärme und Strom gut - Gründe, warum Kupfer in der Elektronik und Verkabelung weit verbreitet ist.

Kupfer wird aufgrund einer Oxidationsreaktion grün; Das heißt, es verliert Elektronen, wenn es Wasser und Luft ausgesetzt ist. Das resultierende Kupferoxid ist ein mattes Grün. Diese Oxidationsreaktion ist der Grund dafür, dass die verkupferte Freiheitsstatue eher grün als orangerot ist. Laut der Copper Development Association überzieht eine verwitterte Kupferoxidschicht nur 0,127 Millimeter dicke Schichten Lady Liberty, und die Abdeckung wiegt etwa 80 Tonnen (73 Tonnen). Der Wechsel von kupferfarben zu grün erfolgte schrittweise und war 1920 abgeschlossen, 34 Jahre nachdem die Statue nach Angaben der New York Historical Society eingeweiht und enthüllt worden war. 

Wer wusste? 

Hier einige interessante Fakten zu Kupfer:

• Laut Peter van der Krogt, einem niederländischen Historiker, hat das Wort "Kupfer" mehrere Wurzeln, von denen viele vom lateinischen Wort stammen Cuprum das wurde von der Phrase abgeleitet Cyprium aes, was "ein Metall aus Zypern" bedeutet, da ein Großteil des damals verwendeten Kupfers in Zypern abgebaut wurde.
• Wenn die gesamte Kupferverkabelung eines durchschnittlichen Autos verlegt wäre, würde sie sich laut USGS über 1,5 km erstrecken. 
• Die elektrische Leitfähigkeit (wie leicht ein Strom durch das Metall fließen kann) von Kupfer ist nach Angaben des Jefferson Laboratory nach der von Silber an zweiter Stelle.
• Pennys wurden nur von 1783 bis 1837 aus reinem Kupfer hergestellt. Von 1837 bis 1857 bestanden Pennies aus Bronze (95 Prozent Kupfer, die restlichen 5 Prozent aus Zinn und Zink). 1857 sank die Kupfermenge in Pennys auf 88 Prozent (die restlichen 12 Prozent waren Nickel) und kehrte 1864 zu ihrem vorherigen Rezept zurück. 1962 änderte sich der Gehalt eines Pennys auf 95 Prozent Kupfer und 5 Prozent Zink. Von 1982 bis heute sind Pennys 97,5 Prozent Zink und 2,5 Prozent Kupfer. 
• Menschen brauchen Kupfer in ihrer Ernährung. Das Metall ist ein essentielles Spurenelement, das laut der US-amerikanischen National Library of Medicine für die Bildung roter Blutkörperchen entscheidend ist. Glücklicherweise ist Kupfer in einer Vielzahl von Lebensmitteln enthalten, darunter Getreide, Bohnen, Kartoffeln und Blattgemüse.
• Zu viel Kupfer ist jedoch eine schlechte Sache. Die Einnahme hoher Metallkonzentrationen kann kurzfristig zu Bauchschmerzen, Erbrechen und Gelbsucht führen (ein gelblicher Schimmer auf der Haut und ein Weiß der Augen, der möglicherweise darauf hinweist, dass die Leber nicht richtig funktioniert). Langfristige Exposition kann zu Symptomen wie Anämie, Krämpfen und Durchfall führen, die oft blutig sind und blau sein können.
• Gelegentlich kommt es aufgrund alter Kupferrohre zu einem erhöhten Kupfergehalt in der Wasserversorgung. Beispielsweise hat das öffentliche Schulsystem in Detroit im August 2018 vorsichtshalber das gesamte Trinkwasser in öffentlichen Schulen abgeschaltet, da laut der Seattle Times viel Kupfer und Eisen im Wasser enthalten sind.
• Kupfer hat antimikrobielle Eigenschaften und tötet Bakterien, Viren und Hefen bei Kontakt ab. Dies geht aus einem Artikel aus dem Jahr 2011 in der Zeitschrift Applied and Environmental Microbiology hervor. Infolgedessen kann Kupfer sogar zu Stoffen gewebt werden, um antimikrobielle Kleidungsstücke wie Socken gegen Fußpilz herzustellen.
• Laut der Mayo-Klinik ist Kupfer auch in bestimmten Arten von Intrauterinpessaren (IUPs) enthalten, die zur Empfängnisverhütung verwendet werden. Die Kupferverkabelung erzeugt eine Entzündungsreaktion, die sowohl für Spermien als auch für Eier toxisch ist, um eine Schwangerschaft zu verhindern. Bei jedem medizinischen Eingriff besteht das Risiko von Nebenwirkungen. Laut einem im Medical Science Monitor veröffentlichten Artikel aus dem Jahr 2017 scheint die Kupfertoxizität jedoch keine zu sein.

Aktuelle Forschung

Medizin: Die antimikrobiellen Eigenschaften von Kupfer haben es zu einem beliebten Metall im medizinischen Bereich gemacht. Mehrere Krankenhäuser haben versucht, häufig berührte Oberflächen wie Bettgitter und Ruftasten mit Kupfer oder Kupferlegierungen zu bedecken, um die Ausbreitung von im Krankenhaus erworbenen Infektionen zu verlangsamen. Kupfer tötet Mikroben ab, indem es die elektrische Ladung der Zellmembranen der Organismen stört, sagte Cassandra Salgado, Professorin für Infektionskrankheiten und Krankenhausepidemiologin an der Medizinischen Universität von South Carolina.

2013 testete ein Forscherteam unter der Leitung von Salgado Oberflächen auf Intensivstationen in drei Krankenhäusern und verglich Räume, die mit Kupferoberflächen modifiziert waren, die an sechs gemeinsamen Objekten befestigt waren, die vielen Händen ausgesetzt waren, mit Räumen, die nicht mit Kupfer modifiziert waren. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass in den traditionellen Krankenzimmern (ohne Kupferoberfläche) 12,3 Prozent der Patienten antibiotikaresistente Infektionen wie Methicillin-resistente entwickelten Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistent Enterococcus (VRE). Im Vergleich dazu erkrankten in den kupfermodifizierten Räumen nur 7,1 Prozent der Patienten an einer dieser potenziell verheerenden Infektionen.

"Wir wissen, dass Sie die mikrobielle Belastung verringern, wenn Sie Kupfer in das Zimmer eines Patienten geben", sagte Salgado. "Ich denke, das wurde immer wieder gezeigt. Unsere Studie hat als erste gezeigt, dass dies einen klinischen Nutzen haben könnte."

Die Forscher änderten nichts anderes an den Bedingungen auf der Intensivstation als Kupfer. Ärzte und Krankenschwestern wuschen sich immer noch die Hände, und die Reinigung wurde wie gewohnt fortgesetzt. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse 2013 in der Zeitschrift Infection Control and Hospital Epidemiology.

Salgado und ihr Team haben laut einem im American Journal of Infection Control veröffentlichten Artikel aus dem Jahr 2017 auch die Kupferauskleidung an Stethoskopen getestet. Die Forscher stellten fest, dass kupferbeschichtete Stethoskope signifikant weniger Bakterien enthielten und 66 Prozent der Stethoskope völlig frei waren von Bakterien. Weitere Forschungen testen weiterhin die Idee der Verkupferung auf anderen medizinischen Stationen, insbesondere in Bereichen, in denen Patienten mobiler sind als auf der Intensivstation. Es muss auch eine Kosten-Nutzen-Analyse geben, bei der die Kosten für die Kupferinstallation gegen die Einsparungen abgewogen werden, die durch die Verhinderung kostspieliger Infektionen erzielt werden, sagte sie. 

Elektronik: Kupfer spielt auch in der Elektronik eine große Rolle. Aufgrund seiner Fülle und seines niedrigen Preises arbeiten Forscher daran, das Metall in eine zunehmende Anzahl modernster Geräte zu integrieren. 

Tatsächlich könnte Kupfer dazu beitragen, futuristisches elektronisches Papier, tragbare Biosensoren und andere "weiche" Elektronik zu produzieren, sagte Wenlong Cheng, Professor für Chemieingenieurwesen an der Monash University in Australien. Cheng und seine Kollegen haben Kupfer-Nanodrähte verwendet, um einen "Aerogel-Monolithen" herzustellen, ein Material, das hochporös, sehr leicht und stark genug ist, um für sich allein zu stehen, ähnlich einem trockenen Küchenschwamm. In der Vergangenheit wurden diese Aerogelmonolithe aus Gold oder Silber hergestellt, aber Kupfer ist eine wirtschaftlichere Option. 

Durch Mischen von Kupfernanodrähten mit kleinen Mengen Polyvinylalkohol schufen die Forscher Aerogelmonolithe, die sich in eine Art schneidbaren, formbaren Kautschuk verwandeln konnten, der Elektrizität leitet. Die Forscher berichteten 2014 über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift ACS Nano. Das ultimative Ergebnis könnte ein Roboter mit weichem Körper oder ein medizinischer Sensor sein, der sich perfekt in die gekrümmte Haut einfügt, sagte Cheng. Derzeit arbeiten er und sein Team daran, Blutdruck- und Körpertemperatursensoren aus Kupfer-Aerogel-Monolithen herzustellen - eine weitere Möglichkeit, wie Kupfer zur Überwachung der menschlichen Gesundheit beitragen kann.

Physik: In einem Experiment von 2014 wurde ein Stück Kupfer zum kältesten Kubikmeter (35,3 Kubikfuß) der Erde, als die Forscher es auf 6 Millikelvin oder sechstausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) abkühlten. Dies ist die nächste Substanz dieser Masse und dieses Volumens, die jemals auf den absoluten Nullpunkt gekommen ist.

Forscher des italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik stellten das 880-lb. (400 Kilogramm) Kupferwürfel in einem Behälter, der als Kryostat bezeichnet wird und speziell dafür ausgelegt ist, Gegenstände extrem kalt zu halten. Dies ist der erste Kryostat oder das erste Gerät, um Dinge bei niedrigen Temperaturen zu halten, das Substanzen so nahe am absoluten Nullpunkt halten kann.

Der Aufbau des Kryostaten für extreme Temperaturen ist nur der erste Schritt in einem neuen Experiment, bei dem der Kryostat als Partikeldetektor fungiert. Die Forscher hoffen, dass der Detektor, der derzeit gemäß einer Statusaktualisierung von 2018 in Betrieb genommen wird, mehr über die als Neutrinos bezeichneten subatomaren Partikel preisgibt und warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Landwirtschaft: Forscher der Cornell University haben die Auswirkungen von Kupfermängeln in Kulturpflanzen, insbesondere Weizen, untersucht. Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Welt, und Kupfermängel können sowohl zu einem geringeren Ernteertrag als auch zu einer geringeren Fruchtbarkeit führen.

Die Forscher haben untersucht, wie Pflanzen Kupfer aufnehmen und verarbeiten. Sie haben zwei Proteine ​​im Weizen gefunden, AtCITF1 und AtSPL7, die nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums für die Aufnahme und Abgabe des Kupfers an die Fortpflanzungsorgane des Weizens von entscheidender Bedeutung sind.

Frühe Tests haben gezeigt, dass die Ernteerträge um das Siebenfache steigen, wenn Kupfer und andere Nährstoffe im Boden angereichert und dann vom Weizen aufgenommen werden. Während bekannt ist, dass das Wissen über Kupfer und andere Mineralien für die Gesundheit und Fruchtbarkeit von Pflanzen von Vorteil ist, ist das Wie und Warum der Tatsache nicht genau bekannt. Das Wissen darüber, warum Kupfer vorteilhaft ist und wie es für das Wachstum und die Vermehrung einer Pflanze funktioniert, kann weiterhin für Kulturen wie Reis, Gerste und Hafer verwendet werden und kann diese Kulturen mit einem mineralstoffreichen Dünger, der Kupfer enthält, in den Boden einbringen war einst für die Landwirtschaft ungeeignet.

Zusätzliche Ressourcen

• Die American Cancer Society untersucht die Forschung zu Kupfer und behauptet, dass es eine Rolle bei der Prävention oder Behandlung von Krebs spielen könnte.
• Die Environmental Protection Agency informiert über die Exposition gegenüber hohen Kupfergehalten und die Auswirkungen von Kupferkorrosion in Haushaltsrohren.
• Die Thomas Jefferson National Accelerator-Anlage (Jefferson Lab) untersucht die Geschichte und Verwendung von Kupfer.

Dieser Artikel wurde am 12. September 2018 von Rachel Ross aktualisiert.