Kupfer(lat. cuprum), cu, chemisches Element der Gruppe I des Periodensystems von Mendelejew; Ordnungszahl 29, Atommasse 63,546; weiches, formbares rotes Metall. Natürliches Metall besteht aus einer Mischung zweier stabiler Isotope – 63 cu (69,1 %) und 65 cu (30,9 %).
Historische Referenz. M. ist eines der seit der Antike bekannten Metalle. Die frühe Bekanntschaft des Menschen mit M. wurde durch die Tatsache erleichtert, dass es in der Natur in freiem Zustand in Form von Nuggets vorkommt, die manchmal beträchtliche Größen erreichen. Metall und seine Legierungen spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der materiellen Kultur. Aufgrund der leichten Reduzierbarkeit von Oxiden und Carbonaten war Metall offenbar das erste Metall, das der Mensch lernte, aus in Erzen enthaltenen Sauerstoffverbindungen zu reduzieren. Der lateinische Name M. leitet sich vom Namen der Insel Zypern ab, auf der die alten Griechen Kupfererz abbauten. In der Antike wurde Gestein zur Verarbeitung über einem Feuer erhitzt und schnell abgekühlt, wodurch das Gestein Risse bekam. Bereits unter diesen Bedingungen waren Restaurierungsprozesse möglich. Anschließend erfolgte die Restaurierung in Bränden mit viel Kohle und unter Einblasen von Luft durch Rohre und Blasebälge. Die Feuer waren von Mauern umgeben, die nach und nach erhöht wurden, wodurch ein Schachtofen entstand. Später wichen Reduktionsmethoden dem oxidativen Schmelzen von Sulfidkupfererzen, um Zwischenprodukte zu erzeugen: Stein (eine Legierung aus Sulfiden), in dem das Metall konzentriert ist, und Schlacke (eine Legierung aus Oxiden).
Verbreitung in der Natur. Der durchschnittliche Metallgehalt in der Erdkruste (Clarke) beträgt 4,7 · 10 -3 % (Massenanteil), im unteren Teil der Erdkruste, der aus Grundgesteinen besteht, ist davon mehr (1 · 10 -2 %) vorhanden im oberen Bereich (2 10 -3 %), wo Granite und andere saure magmatische Gesteine vorherrschen. M. wandert sowohl im heißen Wasser der Tiefe als auch in den kalten Lösungen der Biosphäre kräftig; Schwefelwasserstoff fällt aus natürlichen Wässern verschiedene mineralische Sulfide aus, die von großer industrieller Bedeutung sind. Unter den zahlreichen Mineralien überwiegen Sulfide, Phosphate, Sulfate und Chloride; auch heimische Mineralien, Carbonate und Oxide sind bekannt.
M. ist ein wichtiges Element des Lebens, es ist an vielen physiologischen Prozessen beteiligt. Der durchschnittliche Gehalt an M in lebender Materie beträgt 2 × 10 -4 %, wobei Organismen bekanntermaßen M-Konzentratoren sind. In der Taiga und anderen feuchten Klimalandschaften wird M relativ leicht aus sauren Böden ausgelaugt; hier besteht mancherorts ein Mangel an M M und damit verbundene Krankheiten von Pflanzen und Tieren (insbesondere auf Sand- und Torfmooren). In Steppen und Wüsten (mit den für sie charakteristischen schwach alkalischen Lösungen) ist M. inaktiv; In Gebieten mit Mineralvorkommen kommt es in Böden und Pflanzen zu einem Überschuss davon, was zu Krankheiten bei Haustieren führt.
Es gibt sehr wenig M im Flusswasser, 1·10 -7 %. Das durch den Abfluss ins Meer gelangte Moos verwandelt sich relativ schnell in Meeresschlamm. Daher sind Tone und Schiefer etwas angereichert mit M (5,7 × 10 –3 %) und Meerwasser ist mit M stark untersättigt (3 × 10 –7 %).
In den Meeren vergangener geologischer Epochen kam es stellenweise zu einer erheblichen Anreicherung von Mineralien in Schlicken, die zur Bildung von Ablagerungen führten (z. B. Mansfeld in der Deutschen Demokratischen Republik). Migriert stark im Grundwasser der Biosphäre; mit diesen Prozessen ist die Anreicherung von M-Erzen in Sandsteinen verbunden.
Physikalische und chemische Eigenschaften. Die Farbe von M. ist rot, rosa, wenn es gebrochen ist, und grünlich-blau, wenn es in dünnen Schichten durchscheinend ist. Das Metall hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter mit dem Parameter A= 3,6074 å; Dichte 8,96 g/cm3(20 °C). Atomradius 1,28 å; Ionenradien cu + 0,98 å; cu 2+ 0,80 å; T pl. 1083 °C; T pennen. 2600 °C; spezifische Wärmekapazität (bei 20 °C) 385,48 J/(kg K) , das sind 0,092 Kot/(G ·°C). Die wichtigsten und am weitesten verbreiteten Eigenschaften von M.: hohe Wärmeleitfähigkeit – bei 20 °C 394.279 Di/(m K) , das sind 0,941 Kot/(cm · Sek ·°C); geringer elektrischer Widerstand – bei 20 °C 1,68 · 10 -8 ohm m. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient beträgt 17,0 · 10 -6. Der Dampfdruck über M. ist vernachlässigbar, Druck 133,322 n/m 2(das ist 1 mmHg Kunst.) wird erst bei 1628 °C erreicht. M. ist diamagnetisch; atomare magnetische Suszeptibilität 5,27 · 10 -6. Brinellhärte 350 Mn/m 2(das sind 35 kgf/mm 2); Zugfestigkeit 220 Mn/m 2(das ist 22 kgf/mm 2); relative Dehnung 60 %, Elastizitätsmodul 132 10 3 Mn/m 2(das heißt 13,2 10 3 kgf/mm 2). Durch das Härten kann die Zugfestigkeit auf 400-450 erhöht werden Mn/m 2, während die Dehnung auf 2 % abnimmt und die elektrische Leitfähigkeit um 1-3 % abnimmt. Das Glühen von gehärtetem Metall sollte bei 600–700 °C erfolgen. Kleine Verunreinigungen Bi (Tausendstel %) und Pb (Hundertstel %) machen M. rot-spröde, und die s-Verunreinigung verursacht Sprödigkeit in der Kälte.
Hinsichtlich der chemischen Eigenschaften nimmt M. eine Zwischenstellung zwischen den Elementen der ersten Triade der Gruppe VIII und den Alkalielementen der Gruppe I des Periodensystems ein. M neigt wie Fe, Co, Ni zur Komplexbildung, ergibt farbige Verbindungen, unlösliche Sulfide usw. Die Ähnlichkeit mit Alkalimetallen ist unbedeutend. Somit bildet M eine Reihe einwertiger Verbindungen, typischer ist jedoch der zweiwertige Zustand. Salze von einwertigem Magnesium sind in Wasser praktisch unlöslich und werden leicht zu Verbindungen von 2-wertigem Magnesium oxidiert; Zweiwertige Salze hingegen sind gut wasserlöslich und dissoziieren in verdünnten Lösungen vollständig. Hydratisierte Cu 2+ -Ionen sind blau. Es sind auch Verbindungen bekannt, in denen M 3-wertig ist. So entsteht durch Einwirkung von Natriumperoxid auf eine Lösung von Natriumcuprit na 2 cuo 2 das Oxid cu 2 o 3 – ein rotes Pulver, das bereits bei 100 °C beginnt, Sauerstoff freizusetzen. cu 2 o 3 ist ein starkes Oxidationsmittel (z. B. setzt es Chlor aus Salzsäure frei).
Die chemische Aktivität von M. ist gering. Das kompakte Metall reagiert bei Temperaturen unter 185 °C nicht mit trockener Luft und Sauerstoff. In Gegenwart von Feuchtigkeit und CO2 bildet sich auf der Metalloberfläche ein grüner Film aus basischem Carbonat. Wenn Metall an der Luft erhitzt wird, kommt es zu einer Oberflächenoxidation; Unter 375 °C entsteht Cuo, und im Bereich von 375–1100 °C bildet sich bei unvollständiger Oxidation des Metalls ein zweischichtiger Kesselstein, in dessen Oberflächenschicht sich Cuo befindet und in der inneren Schicht – cu 2 o. Nasses Chlor interagiert bereits bei normaler Temperatur mit M. und bildet Chlorid cucl 2, das in Wasser gut löslich ist. M lässt sich leicht mit anderen Halogenen kombinieren. M. zeigt eine besondere Affinität zu Schwefel und Selen; es verbrennt also in Schwefeldampf. M. reagiert auch bei hohen Temperaturen nicht mit Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Metall ist unbedeutend und beträgt bei 400 °C 0,06 mg bei 100 G M. Wasserstoff und andere brennbare Gase (CO, CH 4), die bei hohen Temperaturen auf Metallbarren mit Cu 2 O einwirken, reduzieren diese zu Metall unter Bildung von CO 2 und Wasserdampf. Diese im Metall unlöslichen Produkte werden aus dem Metall freigesetzt und verursachen Risse, die die mechanischen Eigenschaften des Metalls stark verschlechtern.
Wenn nh 3 über heißes Metall geleitet wird, entsteht cu 3 n. Bereits bei heißer Temperatur ist M. den Stickoxiden No, N 2 O (unter Bildung von Cu 2 O) und No 2 (unter Bildung von Cuo) ausgesetzt. Die Karbide cu 2 c 2 und cuc 2 können durch Einwirkung von Acetylen auf Ammoniaklösungen von M-Salzen erhalten werden. Das normale Elektrodenpotential von M für die Reaktion cu 2+ + 2e ® Cu beträgt +0,337 V und für die Reaktion cu2+ + e -> Cu beträgt +0,52 V. Daher wird Eisen aus seinen Salzen durch elektronegativere Elemente verdrängt (Eisen wird in der Industrie verwendet) und löst sich nicht in nicht oxidierenden Säuren. In Salpetersäure löst sich M. unter Bildung von Cu(no 3) 2 und Stickoxiden, in einer heißen Konzentration von h 2 so 4 - unter Bildung von cuso 4 und so 2, in erhitztem verdünntem h 2 so 4 - wenn Luft wird durch die Lösung geblasen. Alle Salze von M. sind giftig.
M. bildet im zwei- und einwertigen Zustand zahlreiche sehr stabile Komplexverbindungen. Beispiele für komplexe Verbindungen von einwertigem M.: (nh 4) 2 cubr 3; k 3 cu(cn) 4 – Komplexe vom Doppelsalztyp; [Сu (sc (nh 2)) 2 ]ci und andere. Beispiele für komplexe Verbindungen von 2-wertigem M.: cscuci 3, k 2 cucl 4 – eine Art Doppelsalze. Von großer industrieller Bedeutung sind Ammoniumkomplexverbindungen von M.: [Cu (nh 3) 4] so 4, [Cu (nh 3) 2] so 4.
Quittung. Kupfererze zeichnen sich durch einen niedrigen M-Gehalt aus. Daher wird fein gemahlenes Erz vor dem Schmelzen einer mechanischen Anreicherung unterzogen; in diesem Fall werden wertvolle Mineralien von der Masse des Abfallgesteins getrennt; Dadurch werden eine Reihe kommerzieller Konzentrate (z. B. Kupfer, Zink, Pyrit) und Rückstände gewonnen.
In der weltweiten Praxis werden 80 % der Metalle aus Konzentraten mithilfe pyrometallurgischer Methoden gewonnen, die auf dem Schmelzen der gesamten Materialmasse basieren. Während des Schmelzprozesses wird Magnesium aufgrund der größeren Affinität von Magnesium zu Schwefel und der größeren Affinität von Gesteinsabfällen und Eisenbestandteilen zu Sauerstoff in der Sulfidschmelze (Stein) konzentriert und die Oxide bilden Schlacke. Der Stein wird durch Absetzen von der Schlacke getrennt.
In den meisten modernen Anlagen erfolgt das Schmelzen in Flamm- oder Elektroöfen. Bei Flammöfen ist der Arbeitsraum in horizontaler Richtung verlängert; Herdfläche 300 m 2 und mehr (30 M? 10 M) wird die zum Schmelzen notwendige Wärme durch die Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff (Erdgas, Heizöl, Kohlenstaub) im Gasraum über der Badoberfläche gewonnen. In Elektroöfen wird Wärme gewonnen, indem ein elektrischer Strom durch geschmolzene Schlacke geleitet wird (der Strom wird der Schlacke über darin eingetauchte Graphitelektroden zugeführt).
Allerdings sind sowohl das reflektierende als auch das elektrische Schmelzen, die auf externen Wärmequellen basieren, unvollkommene Prozesse. Sulfide, die den Großteil der Kupferkonzentrate ausmachen, haben einen hohen Heizwert. Daher werden zunehmend Schmelzverfahren eingeführt, die die Verbrennungswärme von Sulfiden nutzen (Oxidationsmittel – erhitzte Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technischer Sauerstoff). Feine, vorgetrocknete Sulfidkonzentrate werden mit einem Sauerstoff- oder Luftstrom in einen auf hohe Temperatur erhitzten Ofen geblasen. Partikel verbrennen in der Schwebe (Sauerstoff-Flash-Schmelzen). Sulfide können auch im flüssigen Zustand oxidiert werden; Diese Prozesse werden in der UdSSR und im Ausland (Japan, Australien, Kanada) intensiv untersucht und werden zur Hauptrichtung in der Entwicklung der Pyrometallurgie von Sulfidkupfererzen.
Reichhaltige stückige Sulfiderze (2–3 % Cu) mit hohem Schwefelgehalt (35–42 % S) werden teilweise direkt zur Verhüttung in Schachtöfen (Öfen mit vertikalem Arbeitsraum) geschickt. Bei einer Variante der Schachtverhüttung (Kupfer-Schwefel-Verhüttung) wird der Charge feiner Koks zugesetzt, der in den oberen Horizonten des Ofens so 2 zu elementarem Schwefel reduziert. Bei diesem Verfahren wird auch Kupfer im Stein angereichert.
Der resultierende flüssige Stein (hauptsächlich cu 2 s, fes) wird in einen Konverter gegossen – einen zylindrischen Tank aus Stahlblech, der innen mit Magnesitsteinen ausgekleidet ist und mit einer seitlichen Reihe von Düsen zur Luftinjektion und einer Vorrichtung zum Drehen ausgestattet ist eine Achse. Durch die Mattschicht wird Druckluft geblasen. Die Konvertierung von Matten erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird Eisensulfid oxidiert und dem Konverter Quarz zugesetzt, um die Eisenoxide zu binden; Es entsteht Konverterschlacke. Dann wird Kupfersulfid oxidiert, um metallisches Metall usw. zu bilden. Dieses grobe M. wird in Formen gegossen. Barren (und manchmal auch direkt geschmolzenes Rohmetall) werden zur Feuerraffinierung geschickt, um wertvolle Satelliten (Au, Ag, Se, Fe, Bi und andere) zu extrahieren und schädliche Verunreinigungen zu entfernen. Es basiert auf der größeren Affinität von Verunreinigungsmetallen zu Sauerstoff als Kupfer: Fe, Zn, Co und teilweise Ni und andere gehen in Form von Oxiden in die Schlacke über, und Schwefel (in Form von SO 2) wird mit Gasen entfernt. Nach dem Entfernen der Schlacke wird das Metall „gelockert“, um das darin gelöste Cu 2 O wiederherzustellen, indem die Enden roher Birken- oder Kiefernstämme in flüssiges Metall getaucht und anschließend in flache Formen gegossen werden. Zur elektrolytischen Raffination werden diese Barren in einem Bad aus mit h 2 so 4 angesäuerter Cuso 4 -Lösung suspendiert. Sie dienen als Anoden. Beim Durchleiten von Strom lösen sich die Anoden auf und auf den Kathoden – dünnen Kupferblechen, die ebenfalls durch Elektrolyse in speziellen Matrixbädern gewonnen werden – scheidet sich reines Metall ab. Um dichte, glatte Ablagerungen abzutrennen, werden dem Elektrolyten oberflächenaktive Zusätze (Holzleim, Thioharnstoff und andere) zugesetzt. Das resultierende Kathodenmetall wird mit Wasser gewaschen und geschmolzen. Edelmetalle, Se, Te und andere wertvolle Metallsatelliten werden im Anodenschlamm konzentriert, aus dem sie durch spezielle Verarbeitung extrahiert werden. Nickel konzentriert im Elektrolyten; Durch Entfernen eines Teils der Lösungen zum Eindampfen und Kristallisieren kann Ni in Form von Nickelsulfat gewonnen werden.
Neben pyrometallurgischen Verfahren werden auch hydrometallurgische Verfahren zur Gewinnung von Mineralien (hauptsächlich aus schlecht oxidierten und nativen Erzen) eingesetzt. Diese Methoden basieren auf der selektiven Auflösung kupferhaltiger Mineralien, üblicherweise in schwachen Lösungen von H 2 SO 4 oder Ammoniak. Aus einer Lösung wird Metall entweder mit Eisen ausgefällt oder durch Elektrolyse mit unlöslichen Anoden isoliert. Kombinierte Hydroflotationsverfahren, bei denen Sauerstoffverbindungen von Metallen in schwefelsauren Lösungen gelöst und Sulfide durch Flotation abgetrennt werden, sind für die Anwendung auf gemischte Erze vielversprechend. Auch hydrometallurgische Verfahren im Autoklaven, die bei erhöhten Temperaturen und Drücken ablaufen, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.
Anwendung. Die große Rolle des Metalls in der Technik beruht auf einer Reihe seiner wertvollen Eigenschaften und vor allem auf seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, Plastizität und Wärmeleitfähigkeit. Dank dieser Eigenschaften ist M. das Hauptmaterial für Drähte; Über 50 % des geförderten Metalls werden in der Elektroindustrie verwendet. Alle Verunreinigungen verringern die elektrische Leitfähigkeit des Metalls, daher wird in der Elektrotechnik das hochwertigste Metall verwendet, das mindestens 99,9 % Cu enthält. Hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ermöglichen die Herstellung kritischer Teile von Wärmetauschern, Kühlschränken, Vakuumgeräten usw. aus Metall. Etwa 30–40 % des Metalls werden in Form verschiedener Legierungen verwendet, darunter die wichtigsten Messing(von 0 bis 50 % Zn) und verschiedene Typen Bronze; Zinn, Aluminium, Blei, Beryllium usw. Zusätzlich zum Bedarf der Schwerindustrie, der Kommunikation und des Transportwesens wird eine bestimmte Menge Metall (hauptsächlich in Form von Salzen) für die Herstellung von Mineralpigmenten, die Schädlingsbekämpfung usw. verbraucht Pflanzenkrankheiten, als Mikrodünger und Katalysatoren oxidativer Prozesse sowie in der Leder- und Pelzindustrie und bei der Herstellung von Kunstseide.
L. V. Vanyukov.
Kupfer wird als künstlerisches Material verwendet Kupferzeitalter(Schmuck, Skulpturen, Utensilien, Geschirr). Geschmiedete und gegossene Produkte aus Metall und Legierungen werden mit Ziselierungen, Gravuren und Prägungen verziert. Die einfache Verarbeitung von Metall (aufgrund seiner Weichheit) ermöglicht es Handwerkern, vielfältige Texturen, eine sorgfältige Ausarbeitung von Details und eine feine Modellierung der Form zu erzielen. Produkte aus Metall zeichnen sich durch die Schönheit ihrer goldenen oder rötlichen Töne sowie durch die Fähigkeit aus, beim Polieren Glanz zu erlangen. M. ist oft vergoldet, patiniert, getönt und mit Emaille verziert. Seit dem 15. Jahrhundert wird Metall auch zur Herstellung von Druckplatten verwendet.
Kupfer im Körper. M. - notwendig für Pflanzen und Tiere Spurenelement. Die wichtigste biochemische Funktion von M. ist die Teilnahme an enzymatischen Reaktionen als Aktivator oder als Teil kupferhaltiger Enzyme. Der M-Gehalt in Pflanzen liegt zwischen 0,0001 und 0,05 % (pro Trockenmasse) und hängt von der Pflanzenart und dem M-Gehalt im Boden ab. In Pflanzen ist M. Bestandteil von Enzymoxidasen und dem Protein Plastocyanin. In optimalen Konzentrationen erhöht M. die Kälteresistenz von Pflanzen und fördert deren Wachstum und Entwicklung. Unter den Tieren sind einige Wirbellose (Weichtiere und Krebstiere) am reichsten an M. Hämocyanin enthält 0,15-0,26 % M.). Bei Einnahme mit der Nahrung wird M. im Darm absorbiert, bindet sich an das Blutserumprotein Albumin, wird dann von der Leber absorbiert, von wo aus es als Teil des Proteins Coeruloplasmin ins Blut zurückkehrt und an Organe und Gewebe abgegeben wird.
Der M.-Gehalt beim Menschen variiert (pro 100). G Trockengewicht) ab 5 mg in der Leber bis zu 0,7 mg in Knochen, in Körperflüssigkeiten - ab 100 mcg(pro 100 ml) im Blut bis zu 10 mcg in der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit; Gesamt-M. im erwachsenen menschlichen Körper beträgt etwa 100 mg. M. ist Teil einer Reihe von Enzymen (z. B. Tyrosinase, Cytochromoxidase) und stimuliert die hämatopoetische Funktion des Knochenmarks. Geringe Dosen von M. beeinflussen den Stoffwechsel von Kohlenhydraten (Abnahme des Blutzuckers), Mineralien (verringerte Menge an Phosphor im Blut) usw. Ein Anstieg von M. im Blut führt zur Umwandlung mineralischer Eisenverbindungen in organische. stimuliert die Verwendung von Eisen, das sich während der Synthese in der Leber ansammelt Hämoglobin.
Bei einem Mangel an M. sind Getreidepflanzen von der sogenannten Verarbeitungskrankheit und Obstpflanzen von Exanthemen betroffen; Bei Tieren nimmt die Aufnahme und Nutzung von Eisen ab, was dazu führt Anämie begleitet von Durchfall und Erschöpfung. Es werden Kupfer-Mikrodünger verwendet und die Tiere mit M-Salzen gefüttert. Eine M.-Vergiftung führt zu Anämie, Lebererkrankungen und Morbus Wilson. Beim Menschen kommt es aufgrund der subtilen Mechanismen der Aufnahme und Ausscheidung von M. selten zu Vergiftungen. In großen Dosen verursacht M. jedoch Erbrechen; Bei Aufnahme von M. kann es zu allgemeinen Vergiftungen kommen (Durchfall, Schwächung der Atmung und Herztätigkeit, Erstickung, Koma).
I. F. Gribovskaya.
In der Medizin wird M. Sulfat als Antiseptikum und Adstringens in Form von Augentropfen bei Bindehautentzündung und Augenstiften zur Behandlung von Trachom eingesetzt. Eine Lösung von M. Sulfat wird auch bei Hautverbrennungen mit Phosphor verwendet. Manchmal wird M. Sulfat als Brechmittel verwendet. M. Nitrat wird als Augensalbe bei Trachom und Konjunktivitis eingesetzt.
Zündete.: Smirnov V.I., Metallurgie von Kupfer und Nickel, Swerdlowsk - M., 1950; Avetisyan Kh. K., Metallurgie von Blisterkupfer, M., 1954; Ghazaryan L. M., Pyrometallurgie von Kupfer, M., 1960; Metallurgist's Guide to Non-Ferrous Metals, herausgegeben von N. N. Murach, 2. Auflage, Bd. 1, M., 1953, Bd. 2, M., 1947; Levinson N. p., [Produkte aus Nichteisen- und Eisenmetallen], im Buch: Russische dekorative Kunst, Bd. 1-3, M., 1962-65; hadaway w. s., Illustrationen von Metallarbeiten aus Messing und Kupfer, überwiegend südindisch, Madras, 1913; Wainwright g. a., das Vorkommen von Zinn und Kupfer in der Nähe von Bybios, „Journal of Egyptian Archaeology“, 1934, V. 20, Punkt 1, S. 29-32; Berge? e p., Der Vergoldungsprozess und die Metallurgie von Kupfer und Blei bei den präkolumbianischen Indianern, kbh., 1938; Frieden E., Die Rolle von Kupferverbindungen in der Natur, im Buch: Horizons of Biochemistry, Übersetzung aus dem Englischen, M., 1964; ihn. Biochemie von Kupfer, im Buch: Molecules and Cells, Übersetzung aus dem Englischen, in. 4, M., 1969; Biologische Rolle von Kupfer, M., 1970.
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Kupfer ist ein Element der sekundären Untergruppe der ersten Gruppe, der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev, mit der Ordnungszahl 29. Es wird mit dem Symbol Cu (lat. Cuprum) bezeichnet.
Ordnungszahl - 29
Atommasse - 63,546
Dichte, kg/m³ – 8960
Schmelzpunkt, °C - 1083
Wärmekapazität, kJ/(kg °C) – 0,385
Elektronegativität - 1,9
Kovalenter Radius, Å - 1,17
1. Ionisierung Potenzial, eV - 7,73
Kupfer kommt in der Natur sowohl in Verbindungen als auch in nativer Form vor. Von industrieller Bedeutung sind Chalkopyrit CuFeS2, auch bekannt als Kupferpyrit, Chalkosin Cu2S und Bornit Cu5FeS4. Zusammen mit ihnen kommen auch andere Kupfermineralien vor: Covellit CuS, Cuprit Cu2O, Azurit Cu3(CO3)2(OH)2, Malachit Cu2CO3(OH)2. Manchmal kommt Kupfer in nativer Form vor; die Masse einzelner Cluster kann 400 Tonnen erreichen. Kupfersulfide werden hauptsächlich in hydrothermalen Adern mittlerer Temperatur gebildet. Kupfervorkommen finden sich häufig auch in Sedimentgesteinen – Kupfersandsteinen und -schiefern. Die bekanntesten Vorkommen dieser Art sind Udokan in der Region Tschita, Dzhezkazgan in Kasachstan, der Kupfergürtel Zentralafrikas und Mansfeld in Deutschland.
Das meiste Kupfererz wird im Tagebau abgebaut. Der Kupfergehalt im Erz liegt zwischen 0,4 und 1,0 %. Physikalische Eigenschaften von Kupfer
Kupfer ist ein goldrosa duktiles Metall; an der Luft überzieht es sich schnell mit einem Oxidfilm, der ihm einen charakteristischen intensiven gelblich-roten Farbton verleiht. Kupfer hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit (nach Silber steht es an zweiter Stelle in der elektrischen Leitfähigkeit). Es hat zwei stabile Isotope – 63Cu und 65Cu – und mehrere radioaktive Isotope. Das langlebigste davon, 64Cu, hat eine Halbwertszeit von 12,7 Stunden und zwei Zerfallsmodi mit unterschiedlichen Produkten.
Die Farbe von Kupfer ist rot, rosa, wenn es gebrochen ist, und grünblau, wenn es in dünnen Schichten durchscheinend ist. Das Metall hat ein kubisch flächenzentriertes Gitter mit dem Parameter a = 3,6074 Å; Dichte 8,96 g/cm3 (20 °C). Atomradius 1,28 Å; Ionenradien von Cu+ 0,98 Å; Сu2+ 0,80 Å; Schmelzpunkt 1083 °C; Siedepunkt 2600 °C; spezifische Wärmekapazität (bei 20 °C) 385,48 J/(kg K), d.h. 0,092 cal/(g °C). Die wichtigsten und am weitesten verbreiteten Eigenschaften von Kupfer: hohe Wärmeleitfähigkeit – bei 20 °C 394,279 W/(m·K), also 0,941 cal/(cm·s·°C); geringer elektrischer Widerstand - bei 20 °C 1,68·10-8 Ohm·m. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient beträgt 17,0·10-6. Der Dampfdruck über Kupfer ist vernachlässigbar; ein Druck von 133,322 n/m2 (also 1 mm Hg) wird erst bei 1628 °C erreicht. Kupfer ist diamagnetisch; atomare magnetische Suszeptibilität 5,27·10-6. Die Brinellhärte von Kupfer beträgt 350 Mn/m2 (d. h. 35 kgf/mm2); Zugfestigkeit 220 MN/m2 (d. h. 22 kgf/mm2); relative Dehnung 60 %, Elastizitätsmodul 132·103 MN/m2 (d. h. 13,2·103 kgf/mm2). Durch das Härten kann die Zugfestigkeit auf 400–450 Mn/m2 erhöht werden, während die Dehnung auf 2 % reduziert wird und die elektrische Leitfähigkeit um 1–3 reduziert wird.
Kupfer(lat. Cuprum), Cu, chemisches Element der Gruppe I des Periodensystems von Mendelejew; Ordnungszahl 29, Atommasse 63,546; weiches, formbares rotes Metall. Natürliches Metall besteht aus einer Mischung zweier stabiler Isotope – 63 Cu (69,1 %) und 65 Cu (30,9 %).
Historische Referenz. M. ist eines der seit der Antike bekannten Metalle. Die frühe Bekanntschaft des Menschen mit M. wurde dadurch erleichtert, dass es in der Natur in freiem Zustand in Form von Nuggets vorkommt (vgl. Natives Kupfer), die teilweise erhebliche Größen erreichen. Metall und seine Legierungen spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der materiellen Kultur (siehe. Bronzezeit). Aufgrund der leichten Reduzierbarkeit von Oxiden und Carbonaten war Metall offenbar das erste Metall, das der Mensch lernte, aus in Erzen enthaltenen Sauerstoffverbindungen zu reduzieren. Der lateinische Name M. leitet sich vom Namen der Insel Zypern ab, auf der die alten Griechen Kupfererz abbauten. In der Antike wurde Gestein zur Verarbeitung über einem Feuer erhitzt und schnell abgekühlt, wodurch das Gestein Risse bekam. Bereits unter diesen Bedingungen waren Restaurierungsprozesse möglich. Anschließend erfolgte die Restaurierung in Bränden mit viel Kohle und unter Einblasen von Luft durch Rohre und Blasebälge. Die Feuer waren von Mauern umgeben, die nach und nach erhöht wurden, wodurch ein Schachtofen entstand. Später wichen Reduktionsmethoden dem oxidativen Schmelzen von Sulfidkupfererzen, um Zwischenprodukte zu erzeugen: Stein (eine Legierung aus Sulfiden), in dem das Metall konzentriert ist, und Schlacke (eine Legierung aus Oxiden).
Verbreitung in der Natur. Der durchschnittliche Metallgehalt in der Erdkruste (Clarke) beträgt 4,7 · 10 -3 % (Massenanteil), im unteren Teil der Erdkruste, der aus Grundgesteinen besteht, ist davon mehr (1 · 10 -2 %) vorhanden im oberen Teil (2 %). 10 -3 %, wo Granite und andere saure magmatische Gesteine vorherrschen. M. wandert sowohl im heißen Wasser der Tiefe als auch in den kalten Lösungen der Biosphäre kräftig; Schwefelwasserstoff fällt aus natürlichen Wässern verschiedene mineralische Sulfide aus, die von großer industrieller Bedeutung sind. Unter den zahlreichen Mineralien überwiegen Sulfide, Phosphate, Sulfate und Chloride; auch heimische Mineralien, Carbonate und Oxide sind bekannt.
M. ist ein wichtiges Element des Lebens, es ist an vielen physiologischen Prozessen beteiligt. Der durchschnittliche M-Gehalt in lebender Materie beträgt 2·10 -4 %; es ist bekannt, dass Organismen M-Konzentratoren sind. In der Taiga und anderen Landschaften mit feuchtem Klima wird M relativ leicht aus sauren Böden ausgelaugt; hier gibt es an einigen Stellen eine Mangel an M und damit verbundene Krankheiten von Pflanzen und Tieren (insbesondere auf Sand- und Torfmooren). In Steppen und Wüsten (mit den für sie charakteristischen schwach alkalischen Lösungen) ist M. inaktiv; In Gebieten mit Mineralvorkommen kommt es in Böden und Pflanzen zu einem Überschuss davon, was zu Krankheiten bei Haustieren führt.
Es gibt sehr wenig M im Flusswasser, 1·10 -7 %. Das durch den Abfluss ins Meer gelangte Moos verwandelt sich relativ schnell in Meeresschlamm. Daher sind Tone und Schiefer etwas angereichert mit M (5,7·10 -3 %), und Meerwasser ist mit M (3·10 -7 %) stark untersättigt.
In den Meeren vergangener geologischer Epochen kam es stellenweise zu einer erheblichen Anreicherung von Mineralien in Schlicken, die zur Bildung von Ablagerungen führten (z. B. Mansfeld in der Deutschen Demokratischen Republik). Migriert stark im Grundwasser der Biosphäre; mit diesen Prozessen ist die Anreicherung von M-Erzen in Sandsteinen verbunden.
Physikalische und chemische Eigenschaften. Die Farbe von M. ist rot, rosa, wenn es gebrochen ist, und grünlich-blau, wenn es in dünnen Schichten durchscheinend ist. Das Metall hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter mit dem Parameter A= 3,6074 ; Dichte 8,96 g/cm3(20°C). Atomradius 1,28; Ionenradien Cu + 0,98; Cu 2+ 0,80; T pl. 1083 °C; T pennen. 2600 °C; spezifische Wärmekapazität (bei 20 °C) 385,48 J/(kg K), das sind 0,092 Kot/(G·°C). Die wichtigsten und am weitesten verbreiteten Eigenschaften von M.: hohe Wärmeleitfähigkeit – bei 20 °C 394.279 Di/(m K), das sind 0,941 Kot/(cm·s·°C); geringer elektrischer Widerstand – bei 20 °C 1,68 · 10 -8 ohm m. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient beträgt 17,0·10 -6. Der Dampfdruck über M. ist vernachlässigbar, Druck 133,322 n/m 2(das ist 1 mmHg Kunst.) wird erst bei 1628 °C erreicht. M. ist diamagnetisch; atomare magnetische Suszeptibilität 5,27·10 -6. Brinellhärte 350 Mn/m 2(das sind 35 kgf/mm 2); Zugfestigkeit 220 Mn/m 2(das ist 22 kgf/mm 2); relative Dehnung 60 %, Elastizitätsmodul 132 10 3 Mn/m 2(das heißt 13,2 10 3 kgf/mm 2). Durch das Härten kann die Zugfestigkeit auf 400-450 erhöht werden Mn/m 2, während die Dehnung auf 2 % abnimmt und die elektrische Leitfähigkeit um 1-3 % abnimmt. Das Glühen von kaltverformtem Metall sollte bei 600–700 °C erfolgen. Kleine Verunreinigungen von Bi (Tausendstel %) und Pb (Hundertstel %) machen M. rot-spröde, und die Beimischung von S führt zu Sprödigkeit in der Kälte.
In Bezug auf die chemischen Eigenschaften nimmt das Metall eine Zwischenstellung zwischen den Elementen der ersten Triade der Gruppe VIII und den Alkalielementen der Gruppe I des Periodensystems ein. M neigt wie Fe, Co und Ni zur Komplexbildung und erzeugt farbige Verbindungen, unlösliche Sulfide usw. Die Ähnlichkeit mit Alkalimetallen ist unbedeutend. Somit bildet M eine Reihe einwertiger Verbindungen, typischer ist jedoch der zweiwertige Zustand. Salze von einwertigem Magnesium sind in Wasser praktisch unlöslich und werden leicht zu Verbindungen von 2-wertigem Magnesium oxidiert; Zweiwertige Salze hingegen sind gut wasserlöslich und dissoziieren in verdünnten Lösungen vollständig. Hydratisierte Cu 2+ -Ionen sind blau. Es sind auch Verbindungen bekannt, in denen M 3-wertig ist. So entsteht durch Einwirkung von Natriumperoxid auf eine Lösung von Natriumcuprit Na 2 CuO 2 das Oxid Cu 2 O 3 – ein rotes Pulver, das bereits bei 100 °C beginnt, Sauerstoff freizusetzen. Cu 2 O 3 ist ein starkes Oxidationsmittel (es setzt beispielsweise Chlor aus Salzsäure frei).
Die chemische Aktivität von M. ist gering. Kompaktes Metall reagiert bei Temperaturen unter 185 °C nicht mit trockener Luft und Sauerstoff. In Gegenwart von Feuchtigkeit und CO 2 bildet sich auf der Metalloberfläche ein grüner Film aus basischem Carbonat. Wenn Metall an der Luft erhitzt wird, kommt es zu einer Oberflächenoxidation; Unter 375 °C entsteht CuO, und im Bereich von 375–1100 °C bildet sich bei unvollständiger Oxidation des Metalls ein zweischichtiger Zunder, in dessen Oberflächenschicht sich CuO und in der inneren Schicht Cu befindet 2 O (vgl. Kupferoxide). Nasses Chlor interagiert bereits bei normalen Temperaturen mit Mineralien und bildet CuCl 2 -Chlorid, das in Wasser gut löslich ist. M verbindet sich leicht mit anderen Halogenen (siehe. Kupferhalogenide). M. zeigt eine besondere Affinität zu Schwefel und Selen; es brennt also in Schwefeldampf (siehe. Kupfersulfide). M. reagiert auch bei hohen Temperaturen nicht mit Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Metall ist unbedeutend und beträgt bei 400 °C 0,06 mg bei 100 G M. Wasserstoff und andere brennbare Gase (CO, CH 4), die bei hohen Temperaturen auf Metallbarren mit Cu 2 O einwirken, reduzieren diese unter Bildung von CO 2 und Wasserdampf zu Metall. Diese im Metall unlöslichen Produkte werden aus dem Metall freigesetzt und verursachen Risse, die die mechanischen Eigenschaften des Metalls stark verschlechtern.
Wenn NH 3 über heißes Metall geleitet wird, entsteht Cu 3 N. Bereits bei heißer Temperatur ist das Metall Stickoxiden ausgesetzt, nämlich NO, N 2 O (unter Bildung von Cu 2 O) und NO 2 (unter Bildung). von CuO). Die Carbide Cu 2 C 2 und CuC 2 können durch Einwirkung von Acetylen auf Ammoniaklösungen von M-Salzen erhalten werden. Das normale Elektrodenpotential von M für die Reaktion Cu 2+ + 2e Cu beträgt +0,337 V, und für die Reaktion beträgt Cu + + e Cu +0,52 V. Daher wird Eisen aus seinen Salzen durch elektronegativere Elemente verdrängt (Eisen wird in der Industrie verwendet) und löst sich nicht in nicht oxidierenden Säuren. In Salpetersäure löst sich M. unter Bildung von Cu(NO 3) 2 und Stickoxiden, in einer heißen Konzentration von H 2 SO 4 – unter Bildung von CuSO 4 und SO 2, in erhitztem verdünntem H 2 SO 4 – wenn Luft wird durch die Lösung geblasen. Alle Salze von M. sind giftig (siehe. Kupfercarbonate, Kupfernitrat, Kupfersulfat).
M. bildet im zwei- und einwertigen Zustand zahlreiche sehr stabile Komplexverbindungen. Beispiele für komplexe Verbindungen einwertiger Metalle: (NH 4) 2 CuBr 3; K 3 Cu(CN) 4 – Komplexe vom Doppelsalztyp; [Cu (SC (NH 2)) 2 ]CI und andere. Beispiele für komplexe Verbindungen zweiwertiger Metalle: CsCuCI 3, K 2 CuCl 4 – eine Art Doppelsalze. Von großer industrieller Bedeutung sind Ammoniakkomplexverbindungen von M: [Cu (NH 3) 4 ] SO 4 , [Cu (NH 3) 2 ] SO 4 .
Quittung. Kupfererze zeichnen sich durch einen niedrigen M-Gehalt aus. Daher wird fein gemahlenes Erz vor dem Schmelzen einer mechanischen Anreicherung unterzogen; in diesem Fall werden wertvolle Mineralien von der Masse des Abfallgesteins getrennt; Dadurch werden eine Reihe kommerzieller Konzentrate (z. B. Kupfer, Zink, Pyrit) und Rückstände gewonnen.
In der weltweiten Praxis werden 80 % der Metalle aus Konzentraten mithilfe pyrometallurgischer Methoden gewonnen, die auf dem Schmelzen der gesamten Materialmasse basieren. Während des Schmelzprozesses wird Magnesium aufgrund der größeren Affinität von Magnesium zu Schwefel und der größeren Affinität von Gesteinsabfällen und Eisenbestandteilen zu Sauerstoff in der Sulfidschmelze (Stein) konzentriert und die Oxide bilden Schlacke. Der Stein wird durch Absetzen von der Schlacke getrennt.
In den meisten modernen Anlagen erfolgt das Schmelzen in Flamm- oder Elektroöfen. Bei Flammöfen ist der Arbeitsraum in horizontaler Richtung verlängert; Herdfläche 300 m 2 und mehr (30 M 10 M) wird die zum Schmelzen notwendige Wärme durch die Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff (Erdgas, Heizöl, Kohlenstaub) im Gasraum über der Badoberfläche gewonnen. In Elektroöfen wird Wärme gewonnen, indem ein elektrischer Strom durch geschmolzene Schlacke geleitet wird (der Strom wird der Schlacke über darin eingetauchte Graphitelektroden zugeführt).
Allerdings sind sowohl das reflektierende als auch das elektrische Schmelzen, die auf externen Wärmequellen basieren, unvollkommene Prozesse. Sulfide, die den Großteil der Kupferkonzentrate ausmachen, haben einen hohen Heizwert. Daher werden zunehmend Schmelzverfahren eingeführt, die die Verbrennungswärme von Sulfiden nutzen (Oxidationsmittel – erhitzte Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technischer Sauerstoff). Feine, vorgetrocknete Sulfidkonzentrate werden mit einem Sauerstoff- oder Luftstrom in einen auf hohe Temperatur erhitzten Ofen geblasen. Partikel verbrennen in der Schwebe (Sauerstoff-Flash-Schmelzen). Sulfide können auch im flüssigen Zustand oxidiert werden; Diese Prozesse werden in der UdSSR und im Ausland (Japan, Australien, Kanada) intensiv untersucht und werden zur Hauptrichtung in der Entwicklung der Pyrometallurgie von Sulfidkupfererzen.
Reichhaltige stückige Sulfiderze (2-3 % Cu) mit hohem Schwefelgehalt (35-42 % S) werden teilweise direkt zur Verhüttung in Schachtöfen (Öfen mit vertikalem Arbeitsraum) geschickt. Bei einer Variante der Schachtverhüttung (Kupfer-Schwefel-Verhüttung) wird der Charge feiner Koks zugesetzt, der in den oberen Horizonten des Ofens SO 2 zu elementarem Schwefel reduziert. Bei diesem Verfahren wird auch Kupfer im Stein angereichert.
Der resultierende flüssige Stein (hauptsächlich Cu 2 S, FeS) wird in einen Konverter gegossen – einen zylindrischen Tank aus Stahlblech, der innen mit Magnesitsteinen ausgekleidet ist und mit einer seitlichen Reihe von Düsen zur Luftinjektion und einer Vorrichtung zum Drehen ausgestattet ist eine Achse. Durch die Mattschicht wird Druckluft geblasen. Die Konvertierung von Matten erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird Eisensulfid oxidiert und dem Konverter Quarz zugesetzt, um die Eisenoxide zu binden; Es entsteht Konverterschlacke. Dann wird Kupfersulfid oxidiert, um metallisches Metall und SO 2 zu bilden. Dieses grobe M. wird in Formen gegossen. Barren (und manchmal auch direkt geschmolzenes Rohmetall) werden zur Feuerraffinierung geschickt, um wertvolle Satelliten (Au, Ag, Se, Fe, Bi und andere) zu extrahieren und schädliche Verunreinigungen zu entfernen. Es basiert auf der größeren Affinität von Verunreinigungsmetallen zu Sauerstoff als Kupfer: Fe, Zn, Co und teilweise Ni und andere gehen in Form von Oxiden in die Schlacke über, und Schwefel (in Form von SO 2) wird mit Gasen entfernt. Nach dem Entfernen der Schlacke wird das Metall „gelockert“, um das darin gelöste Cu 2 O wiederherzustellen, indem die Enden roher Birken- oder Kiefernstämme in flüssiges Metall getaucht und anschließend in flache Formen gegossen werden. Zur elektrolytischen Raffination werden diese Barren in einem Bad aus mit H 2 SO 4 angesäuerter CuSO 4 -Lösung suspendiert. Sie dienen als Anoden. Beim Durchleiten von Strom lösen sich die Anoden auf und auf den Kathoden – dünnen Kupferblechen, die ebenfalls durch Elektrolyse in speziellen Matrixbädern gewonnen werden – scheidet sich reines Metall ab. Um dichte, glatte Ablagerungen abzutrennen, werden dem Elektrolyten oberflächenaktive Zusätze (Holzleim, Thioharnstoff und andere) zugesetzt. Das resultierende Kathodenmetall wird mit Wasser gewaschen und geschmolzen. Edelmetalle, Se, Te und andere wertvolle Metallsatelliten werden im Anodenschlamm konzentriert, aus dem sie durch spezielle Verarbeitung extrahiert werden. Nickel konzentriert im Elektrolyten; Durch Entfernen eines Teils der Lösungen zum Eindampfen und Kristallisieren kann Ni in Form von Nickelsulfat gewonnen werden.
Neben pyrometallurgischen Verfahren werden auch hydrometallurgische Verfahren zur Gewinnung von Mineralien (hauptsächlich aus schlecht oxidierten und nativen Erzen) eingesetzt. Diese Methoden basieren auf der selektiven Auflösung kupferhaltiger Mineralien, meist in schwachen Lösungen von H 2 SO 4 oder Ammoniak. Aus einer Lösung wird Metall entweder mit Eisen ausgefällt oder durch Elektrolyse mit unlöslichen Anoden isoliert. Kombinierte Hydroflotationsverfahren, bei denen Sauerstoffverbindungen von Metallen in schwefelsauren Lösungen gelöst und Sulfide durch Flotation abgetrennt werden, sind für die Anwendung auf gemischte Erze vielversprechend. Auch hydrometallurgische Verfahren im Autoklaven, die bei erhöhten Temperaturen und Drücken ablaufen, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.
Anwendung. Die große Rolle des Metalls in der Technik beruht auf einer Reihe seiner wertvollen Eigenschaften und vor allem auf seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, Plastizität und Wärmeleitfähigkeit. Dank dieser Eigenschaften ist M. das Hauptmaterial für Drähte; Über 50 % des geförderten Metalls werden in der Elektroindustrie verwendet. Alle Verunreinigungen verringern die elektrische Leitfähigkeit von Metall, weshalb in der Elektrotechnik hochwertiges Metall mit mindestens 99,9 % Cu verwendet wird. Hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ermöglichen die Herstellung kritischer Teile von Wärmetauschern, Kühlschränken, Vakuumgeräten usw. aus Metall. Etwa 30–40 % des Metalls werden in Form verschiedener Legierungen verwendet, darunter die wichtigsten Messing(von 0 bis 50 % Zn) und verschiedene Typen Bronze; Zinn, Aluminium, Blei, Beryllium usw. (weitere Einzelheiten finden Sie unter Kupferlegierungen). Zusätzlich zu den Bedürfnissen der Schwerindustrie, der Kommunikation und des Transportwesens wird eine bestimmte Menge Metall (hauptsächlich in Form von Salzen) für die Herstellung von Mineralpigmenten, die Bekämpfung von Schädlingen und Pflanzenkrankheiten, als Mikrodünger und Katalysatoren für Oxidationsprozesse verbraucht sowie in der Leder- und Pelzindustrie und bei der Herstellung von Kunstseide.
L. V. Vanyukov.
Kupfer wird als künstlerisches Material verwendet Kupferzeitalter(Schmuck, Skulpturen, Utensilien, Geschirr). Geschmiedete und gegossene Produkte aus Metall und Legierungen (siehe. Bronze) sind mit Ziselierungen, Gravuren und Prägungen verziert. Die einfache Verarbeitung von Metall (aufgrund seiner Weichheit) ermöglicht es Handwerkern, vielfältige Texturen, eine sorgfältige Ausarbeitung von Details und eine feine Modellierung der Form zu erzielen. Produkte aus Metall zeichnen sich durch die Schönheit ihrer goldenen oder rötlichen Töne sowie durch die Fähigkeit aus, beim Polieren Glanz zu erlangen. M. sind oft vergoldet und patiniert (vgl. Patina), getönt, mit Emaille verziert. Seit dem 15. Jahrhundert wird Metall auch zur Herstellung von Druckplatten verwendet (vgl. Gravur).
Kupfer im Körper. M. - notwendig für Pflanzen und Tiere Spurenelement. Die wichtigste biochemische Funktion von M. ist die Teilnahme an enzymatischen Reaktionen als Aktivator oder als Teil kupferhaltiger Enzyme. Der M-Gehalt in Pflanzen liegt zwischen 0,0001 und 0,05 % (pro Trockenmasse) und hängt von der Pflanzenart und dem M-Gehalt im Boden ab. In Pflanzen ist M. Bestandteil von Enzymoxidasen und dem Protein Plastocyanin. In optimalen Konzentrationen erhöht M. die Kälteresistenz von Pflanzen und fördert deren Wachstum und Entwicklung. Unter den Tieren sind einige Wirbellose (Weichtiere und Krebstiere) am reichsten an M. Hämocyanin enthält 0,15-0,26 % M.). Bei Einnahme mit der Nahrung wird M. im Darm absorbiert, bindet sich an das Blutserumprotein Albumin, wird dann von der Leber absorbiert, von wo aus es als Teil des Proteins Coeruloplasmin ins Blut zurückkehrt und an Organe und Gewebe abgegeben wird.
Der M.-Gehalt beim Menschen variiert (pro 100). G Trockengewicht) ab 5 mg in der Leber bis zu 0,7 mg in Knochen, in Körperflüssigkeiten - ab 100 mcg(pro 100 ml) im Blut bis zu 10 mcg in der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit; Gesamt-M. im erwachsenen menschlichen Körper beträgt etwa 100 mg. M. ist Teil einer Reihe von Enzymen (z. B. Tyrosinase, Cytochromoxidase) und stimuliert die hämatopoetische Funktion des Knochenmarks. Geringe Dosen von M. beeinflussen den Stoffwechsel von Kohlenhydraten (Abnahme des Blutzuckers), Mineralien (verringerte Menge an Phosphor im Blut) usw. Ein Anstieg von M. im Blut führt zur Umwandlung mineralischer Eisenverbindungen in organische. stimuliert die Verwendung von Eisen, das sich während der Synthese in der Leber ansammelt Hämoglobin.
Bei einem Mangel an M. sind Getreidepflanzen von der sogenannten Verarbeitungskrankheit und Obstpflanzen von Exanthemen betroffen; Bei Tieren nimmt die Aufnahme und Nutzung von Eisen ab, was dazu führt Anämie begleitet von Durchfall und Erschöpfung. Es kommen Kupfer-Mikrodünger und die Fütterung von Tieren mit Kupfersalzen zum Einsatz (vgl. Mikrodünger). Eine M.-Vergiftung führt zu Anämie, Lebererkrankungen und Morbus Wilson. Beim Menschen kommt es aufgrund der subtilen Mechanismen der Aufnahme und Ausscheidung von M. selten zu Vergiftungen. In großen Dosen verursacht M. jedoch Erbrechen; Bei Aufnahme von M. kann es zu allgemeinen Vergiftungen kommen (Durchfall, Schwächung der Atmung und Herztätigkeit, Erstickung, Koma).
I. F. Gribovskaya.
In der Medizin wird M. Sulfat als Antiseptikum und Adstringens in Form von Augentropfen bei Bindehautentzündung und Augenstiften zur Behandlung von Trachom eingesetzt. Eine Lösung von M. Sulfat wird auch bei Hautverbrennungen mit Phosphor verwendet. Manchmal wird M. Sulfat als Brechmittel verwendet. M. Nitrat wird als Augensalbe bei Trachom und Konjunktivitis eingesetzt.
Zündete.: Smirnov V.I., Metallurgie von Kupfer und Nickel, Swerdlowsk - M., 1950; Avetisyan Kh. K., Metallurgie von Blisterkupfer, M., 1954; Ghazaryan L. M., Pyrometallurgie von Kupfer, M., 1960; Metallurgist's Guide to Non-Ferrous Metals, herausgegeben von N. N. Murach, 2. Auflage, Bd. 1, M., 1953, Bd. 2, M., 1947; Levinson N.P., [Produkte aus Nichteisen- und Eisenmetallen], im Buch: Russische dekorative Kunst, Bd. 1-3, M., 1962-65; Hadaway W. S., Illustrationen von Metallarbeiten aus Messing und Kupfer, hauptsächlich südindisch, Madras, 1913; Wainwright G. A., Das Vorkommen von Zinn und Kupfer in der Nähe von Bybios, „Journal of Egyptian Archaeology“, 1934, v. 20, Punkt 1, S. 29-32; BergsÆe P., Der Vergoldungsprozess und die Metallurgie von Kupfer und Blei bei den präkolumbianischen Indianern, Kbh., 1938; Frieden E., Die Rolle von Kupferverbindungen in der Natur, im Buch: Horizons of Biochemistry, Übersetzung aus dem Englischen, M., 1964; ihn. Biochemie von Kupfer, im Buch: Molecules and Cells, Übersetzung aus dem Englischen, in. 4, M., 1969; Biologische Rolle von Kupfer, M., 1970.
Kupfer- ein Element einer sekundären Untergruppe der ersten Gruppe, der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev, mit der Ordnungszahl 29. Bezeichnet mit dem Symbol Cu (lat. Cuprum).
Kupfer kommt in der Natur sowohl in Verbindungen als auch in nativer Form vor. Von industrieller Bedeutung sind Chalkopyrit CuFeS2, auch bekannt als Kupferpyrit, Chalkosin Cu2S und Bornit Cu5FeS4. Zusammen mit ihnen kommen auch andere Kupfermineralien vor: Covellit CuS, Cuprit Cu2O, Azurit Cu3(CO3)2(OH)2, Malachit Cu2CO3(OH)2. Manchmal kommt Kupfer in nativer Form vor; die Masse einzelner Cluster kann 400 Tonnen erreichen. Kupfersulfide werden hauptsächlich in hydrothermalen Adern mittlerer Temperatur gebildet. Kupfervorkommen finden sich häufig auch in Sedimentgesteinen – Kupfersandsteinen und -schiefern. Die bekanntesten Vorkommen dieser Art sind Udokan in der Region Tschita, Dzhezkazgan in Kasachstan, der Kupfergürtel Zentralafrikas und Mansfeld in Deutschland.
Das meiste Kupfererz wird im Tagebau abgebaut. Der Kupfergehalt im Erz liegt zwischen 0,4 und 1,0 %. Physikalische Eigenschaften von Kupfer
Kupfer ist ein goldrosa duktiles Metall; an der Luft überzieht es sich schnell mit einem Oxidfilm, der ihm einen charakteristischen intensiven gelblich-roten Farbton verleiht. Kupfer hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit (nach Silber steht es an zweiter Stelle in der elektrischen Leitfähigkeit). Es hat zwei stabile Isotope – 63Cu und 65Cu – und mehrere radioaktive Isotope. Das langlebigste davon, 64Cu, hat eine Halbwertszeit von 12,7 Stunden und zwei Zerfallsmodi mit unterschiedlichen Produkten.
Die Farbe von Kupfer ist rot, rosa, wenn es gebrochen ist, und grünblau, wenn es in dünnen Schichten durchscheinend ist. Das Metall hat ein kubisch flächenzentriertes Gitter mit dem Parameter a = 3,6074 Å; Dichte 8,96 g/cm3 (20 °C). Atomradius 1,28 Å; Ionenradien von Cu+ 0,98 Å; Сu2+ 0,80 Å; Schmelzpunkt 1083 °C; Siedepunkt 2600 °C; spezifische Wärmekapazität (bei 20 °C) 385,48 J/(kg K), d.h. 0,092 cal/(g °C). Die wichtigsten und am weitesten verbreiteten Eigenschaften von Kupfer: hohe Wärmeleitfähigkeit – bei 20 °C 394,279 W/(m·K), also 0,941 cal/(cm·s·°C); geringer elektrischer Widerstand - bei 20 °C 1,68·10-8 Ohm·m. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient beträgt 17,0·10-6. Der Dampfdruck über Kupfer ist vernachlässigbar; ein Druck von 133,322 n/m2 (also 1 mm Hg) wird erst bei 1628 °C erreicht. Kupfer ist diamagnetisch; atomare magnetische Suszeptibilität 5,27·10-6. Die Brinellhärte von Kupfer beträgt 350 Mn/m2 (d. h. 35 kgf/mm2); Zugfestigkeit 220 MN/m2 (d. h. 22 kgf/mm2); relative Dehnung 60 %, Elastizitätsmodul 132·103 MN/m2 (d. h. 13,2·103 kgf/mm2). Durch das Härten kann die Zugfestigkeit auf 400–450 Mn/m2 erhöht werden, während die Dehnung auf 2 % reduziert wird und die elektrische Leitfähigkeit um 1–3 reduziert wird.
Kupfer ist ein duktiles goldrosa Metall mit einem charakteristischen metallischen Glanz. Im Periodensystem von D. I. Mendeleev wird dieses chemische Element als Cu (Cuprum) bezeichnet und befindet sich unter der Seriennummer 29 in Gruppe I (Nebenuntergruppe) in der 4. Periode.
Der lateinische Name Cuprum leitet sich vom Namen der Insel Zypern ab. Es ist bekannt, dass es auf Zypern bereits im 3. Jahrhundert v. Chr. Kupferminen gab und lokale Handwerker Kupfer schmolzen. Sie können Kupfer bei der Firma kaufen « ».
Historikern zufolge ist Kupfer seit etwa neuntausend Jahren in der Gesellschaft bekannt. Die ältesten Kupferprodukte wurden bei archäologischen Ausgrabungen im Gebiet der modernen Türkei gefunden. Archäologen haben kleine Kupferperlen und -plättchen entdeckt, die zur Verzierung von Kleidung verwendet werden. Die Funde stammen aus der Wende vom 8. zum 7. Jahrtausend v. Chr. In der Antike wurde Kupfer zur Herstellung von Schmuck, teurem Geschirr und verschiedenen Werkzeugen mit dünnen Klingen verwendet.
Eine große Errungenschaft antiker Metallurgen kann als Herstellung einer Legierung auf Kupferbasis - Bronze - bezeichnet werden.
Grundlegende Eigenschaften von Kupfer
1. Physikalische Eigenschaften.
An der Luft nimmt Kupfer aufgrund der Bildung eines Oxidfilms einen leuchtend gelblich-roten Farbton an. Dünne Platten haben bei Durchsicht eine grünlich-blaue Farbe. In seiner reinen Form ist Kupfer recht weich, formbar und lässt sich leicht walzen und ziehen. Verunreinigungen können die Härte erhöhen.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer kann als Haupteigenschaft bezeichnet werden, die seine überwiegende Verwendung bestimmt. Kupfer hat außerdem eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Verunreinigungen wie Eisen, Phosphor, Zinn, Antimon und Arsen beeinträchtigen die Grundeigenschaften und verringern die elektrische und thermische Leitfähigkeit. Nach diesen Indikatoren steht Kupfer nach Silber an zweiter Stelle.
Kupfer hat hohe Dichten, Schmelzpunkte und Siedepunkte. Eine wichtige Eigenschaft ist auch eine gute Korrosionsbeständigkeit. Beispielsweise oxidiert Eisen bei hoher Luftfeuchtigkeit viel schneller.
Kupfer lässt sich gut verarbeiten: zu Kupferblech und Kupferstab gewalzt, zu Kupferdraht mit einer Dicke im Tausendstel-Millimeter-Bereich gezogen. Dieses Metall ist diamagnetisch, das heißt, es ist entgegen der Richtung des äußeren Magnetfeldes magnetisiert.
Kupfer ist ein relativ wenig aktives Metall. Unter normalen Bedingungen in trockener Luft findet keine Oxidation statt. Es reagiert leicht mit Halogenen, Selen und Schwefel. Säuren ohne oxidierende Eigenschaften haben keine Wirkung auf Kupfer. Es finden keine chemischen Reaktionen mit Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff statt. In feuchter Luft erfolgt die Oxidation zu Kupfer(II)carbonat – der obersten Platinschicht.
Kupfer ist amphoter, das heißt, es bildet in der Erdkruste Kationen und Anionen. Abhängig von den Bedingungen weisen Kupferverbindungen saure oder basische Eigenschaften auf.
Methoden zur Gewinnung von Kupfer
In der Natur kommt Kupfer in Verbindungen und in Form von Nuggets vor. Die Verbindungen werden durch Oxide, Bicarbonate, Schwefel- und Kohlendioxidkomplexe sowie Sulfiderze repräsentiert. Die häufigsten Erze sind Kupferpyrit und Kupferglanz. Der Kupfergehalt beträgt 1-2 %. 90 % des Primärkupfers werden mit der pyrometallurgischen Methode und 10 % mit der hydrometallurgischen Methode abgebaut.
1.
Das pyrometallurgische Verfahren umfasst die folgenden Prozesse: Anreicherung und Röstung, Schmelzen für Stein, Spülen in einem Konverter, elektrolytische Raffination.
Kupfererze werden durch Flotation und oxidative Röstung angereichert. Die Essenz der Flotationsmethode ist wie folgt: In einem wässrigen Medium suspendierte Kupferpartikel haften an der Oberfläche von Luftblasen und steigen an die Oberfläche. Mit dieser Methode können Sie Kupferpulverkonzentrat erhalten, das 10-35 % Kupfer enthält.
Kupfererze und -konzentrate mit einem erheblichen Schwefelgehalt unterliegen der oxidativen Röstung. Beim Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff werden Sulfide oxidiert und die Schwefelmenge wird um fast die Hälfte reduziert. Schlechte Konzentrate mit 8-25 % Kupfer werden geröstet. Reichhaltige Konzentrate mit 25–35 % Kupfer werden ohne Röstung geschmolzen.
Die nächste Stufe des pyrometallurgischen Verfahrens zur Herstellung von Kupfer ist das Schmelzen von Steinen. Wird als Rohstoff stückiges Kupfererz mit hohem Schwefelanteil verwendet, erfolgt die Verhüttung in Schachtöfen. Und für pulverförmiges Flotationskonzentrat werden Flammöfen eingesetzt. Das Schmelzen erfolgt bei einer Temperatur von 1450 °C.
Bei horizontalen Konvertern mit seitlicher Anblasung wird der Kupferstein mit Druckluft angeblasen, damit die Oxidation von Sulfiden und Eisen erfolgt. Anschließend werden die entstehenden Oxide in Schlacke und der Schwefel in Oxid umgewandelt. Der Konverter produziert Blisterkupfer, das 98,4–99,4 % Kupfer, Eisen, Schwefel sowie geringe Mengen Nickel, Zinn, Silber und Gold enthält.
Blisterkupfer wird einem Feuer und anschließender elektrolytischer Raffination unterzogen. Verunreinigungen werden mit Gasen entfernt und in Schlacke umgewandelt. Durch die Feuerraffination entsteht Kupfer mit einer Reinheit von bis zu 99,5 %. Und nach der elektrolytischen Raffination beträgt die Reinheit 99,95 %.
2. Bei der hydrometallurgischen Methode wird Kupfer mit einer schwachen Schwefelsäurelösung ausgelaugt und anschließend das Kupfermetall direkt aus der Lösung abgetrennt. Diese Methode dient der Verarbeitung minderwertiger Erze und ermöglicht nicht die damit verbundene Gewinnung von Edelmetallen neben Kupfer.
Kupferanwendungen
Aufgrund ihrer wertvollen Eigenschaften werden Kupfer und Kupferlegierungen in der Elektro- und Elektrotechnikindustrie, in der Radioelektronik und im Instrumentenbau eingesetzt. Es gibt Legierungen von Kupfer mit Metallen wie Zink, Zinn, Aluminium, Nickel, Titan, Silber und Gold. Seltener werden Legierungen mit Nichtmetallen verwendet: Phosphor, Schwefel, Sauerstoff. Es gibt zwei Gruppen von Kupferlegierungen: Messing (Legierungen mit Zink) und Bronze (Legierungen mit anderen Elementen).
Kupfer ist äußerst umweltfreundlich, was seinen Einsatz beim Bau von Wohngebäuden ermöglicht. Beispielsweise kann ein Kupferdach aufgrund seiner Korrosionsschutzeigenschaften ohne besondere Pflege oder Lackierung mehr als hundert Jahre halten.
Kupfer in Legierungen mit Gold wird in Schmuck verwendet. Diese Legierung erhöht die Festigkeit des Produkts und erhöht die Beständigkeit gegen Verformung und Abrieb.
Kupferverbindungen zeichnen sich durch eine hohe biologische Aktivität aus. In Pflanzen ist Kupfer an der Chlorophyllsynthese beteiligt. Daher ist es in der Zusammensetzung von Mineraldüngern zu sehen. Ein Mangel an Kupfer im menschlichen Körper kann zu einer Verschlechterung der Blutzusammensetzung führen. Es ist in vielen Lebensmitteln enthalten. Dieses Metall kommt beispielsweise in Milch vor. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass überschüssige Kupferverbindungen zu Vergiftungen führen können. Aus diesem Grund sollten Sie keine Speisen in Kupferkochgeschirr zubereiten. Beim Kochen können große Mengen Kupfer in die Lebensmittel gelangen. Wenn das Geschirr darin mit einer Zinnschicht bedeckt ist, besteht keine Vergiftungsgefahr.
In der Medizin wird Kupfer als Antiseptikum und Adstringens eingesetzt. Es ist Bestandteil von Augentropfen gegen Bindehautentzündung und Lösungen gegen Verbrennungen.
