Kupfer

Kupfer ist ein rotlich glanzendes, sehr zahes, schmied – und dehnbares Metall, das in einer kubisch-flachenzentrierten Struktur kristallisiert. Es lasst sich zu feinen Drahten ausziehen und zu sehr diinnen Folien ausschlagen. Cu besitzt nach Silber die hochste elektrische und Warmeleitfahigkeit aller Metalle.

Wichtige physikalische Daten:

Dichte 8,96 g/cm3 (25°C), Smp. 1083,4°C, Sdp. 2595°C, Warmeleitfahigkeit 394 W/m-K, spezifische elektrische Leitfahigkeit 5,8-105 S/cm (Leitfahigkeitswerte fur 20°C).

An der Luft bildet Kupfer langsam rotbraunes Cu(I)-oxid Cu20, das an der Oberflache fest haftet und fur die typische Farbe des Kupfers verantwortlich ist. In Gegenwart hoherer Konzentrationen an C02 (in Stadten), S02 (in Ballungs – und Industriegebieten) oder chlo – ridhaltigen Aerosolen (vorzugsweise in Kustennahe) bildet sich auf dem Kupfer allmahlich ein griiner Uberzug von basischem Carbonat CuC03 • Cu(OH)2, basischem Sulfat CuS04 • Cu(OH)2 oder basischem Chlorid CuCl2 • Cu(OF1)2. Dieser Uberzug wird als Patina be – zeichnet.

Die Patina-Deckschicht besteht demnach in der Stadt – und Industrieatmosphare vorwie – gend aus basischem Kupfersulfat und in Reinluftgebieten vor allem aus basischem Kup – fercarbonat. Sie schutzt das darunter liegende Metall vor weiterer Zerstorung und verleiht den Kupferdachem die sehr scheme griine Farbe.

In seinen Verbindungen tritt Cu vorzugsweise in der Oxidationsstufe +11 auf, z. B. im Kup – fer(II)-oxid CuO und im Kupfer(II)-sulfid CuS (Covellin), seltener in der Oxidationsstufe +1, z. B. im Kupfer(I)-oxid Cu20. In Kupfersalzlosungen liegt das hellblaue [Си(Н20)б]2+- Ion vor. Die 6 H20-Molekiile bilden ein tetragonal-verzerrtes Oktaeder, in dem die beiden axialen H20-Molekiile weiter entfemt und schwacher gebunden sind.

Das bekannteste Kupfersalz ist das Kupfer(II)-sulfat. Es entsteht beim Auflosen von me – tallischem Kupfer in heilier verdiinnter Schwefelsaure in Gegenwart von Luftsauerstoff und kristallisiert als Pentahydrat CuS04 • 5 H20 (,,Kupfervitriol“) in Form blauer, durch- sichtiger Kristalle aus. In seiner Festkorperstruktur sind vier H20-Molekule in quadratisch- planarer Anordnung am Cu2+ koordiniert. Das funfte H20-Molekul ist uber Wasserstoff- briicken an ein Sulfation und ein koordiniertes H20-Molekiil gebunden. Beim Erhitzen des Kupfervitriols auf 130°C werden in einem ersten Schritt zunachst vier Molekiile Wasser abgegeben, wobei CuS04 • H20 (Monohydrat) entsteht. Erst oberhalb von 200°C setzt das Monohydrat das letzte, starker gebundene H20-Molekul frei. Entwassertes CuS04 ist weiB.

Versetzt man eine Kupfersulfatlosung mit Ammoniakwasser, bildet sich nach anfanglicher Ausfallung eines hellblauen Hydroxidniederschlags eine tiefblaue Losung. Im zunachst vorliegenden Aquakomplex des Kupfers [Cu(H20)6]2+ werden die vier quadratisch-planar koordinierten H20-Molekule gegen vier Ammoniakmolekule ausgetauscht. Es bildet sich das Tetraammindiaquakupfer(II)-Ion [Cu(NH3)4(H20)2]2+. Die beiden verbleibenden (axia­len) H20-Molektile sind als Spitze und FuBpunkt eines verzerrten Oktaeders deutlich wei­ter vom Cu-Zentralion entfemt, als die vier NH3-Liganden. Deshalb werden haufig For – mein bevorzugt, die dem Kupferion nur die vier nachsten Nachbam als Liganden zuordnen. Fur den Cu-Nachweis ergibt sich danach die Gleichung (8-21).

[Cu(H20)4]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 4 H20 (8-21)

hellblau tiefblau

Entsprechend seiner Stellung in der Spannungsreihe wird Kupfer nur von oxidierenden Sauren wie HNO3 und konz. H2S04 gelost. In letzter Zeit ist mehrfach darauf hingewiesen worden, dass bereits schwach saure Wasser in der Lage sind, die Schutzschicht zu zersto – ren und Kupferrohre bzw. – armaturen korrosiv anzugreifen. So konnten im Trinkwasser, insbesondere nach langeren Standzeiten in den Rohrleitungen, Cu-Gehalte gemessen wer – den, die den empfohlenen Richtwert (s. Tab. 6.7) deutlich tibertrafen. Es ist deshalb unbe – dingt empfehlenswert, bei der Verwendung des Werkstoffs Kupfer fur Rohrleitungen vor – her die Wasserbeschaffenheit, insbesondere den pH-Wert, genauer zu untersuchen. Cu2+-Ionen sind flir niedere Organismen wie Bakterien, Algen und Pilze toxisch. Deshalb werden sie zu Desinfektionszwecken eingesetzt (z. B. swimming pools, Hallenbader).

Im Bcmwesen besitzen Kupferlegierungen eine weitaus groBere Bedeutung als das unle – gierte Kupfer. Cu-Legierungen mit Zink (und evtl. weiteren Metallen) werden als Messing bezeichnet. Man unterscheidet je nach dem Zn-Gehalt: Rotmessing (bis zu 20% Zn), rotlich goldahnliche Legierung, sehr dehnbar, bis zu feinsten Blattchen aushammerbar („Blattkup – fer“ unechtes Blattgold); Gelbmessing (20…40% Zn), dient besonders zur Fertigung von Maschinenteilen; Weifimessing (50…80% Zn), blassgelbes, sprodes Legierungsmetall, kann nur vergossen werden. Wird Ni zulegiert, erhalt man z. B. Nickelmessing (auch: Neusilber) der Zusammensetzung 45…67% Cu, 12…38% Zn, 10…26% Ni, der Rest ist Zn. Veraltete Bezeichnungen fur Neusilber sind Аїрака sowie Argentan. Um der Entzinkung vorzubeu – gen, wurde dr-Messing entwickelt.

Bronzen sind Legierungen aus Cu mit einem oder mehreren Legierungsmetallen (auBer Zn). Ihr Cu-Gehalt betragt mindestens 60%. Zinnbronzen (,JBronzen “ im engeren Sinne) sind Cu-Sn-Legierungen mit bis zu 10% Sn. Durch den Zinnzusatz kann das Kupfer ver­gossen und geschmiedet werden. Die Harte und Festigkeit des Cu wird erhoht. Ein Zusatz von Phosphor erhoht die Dichte und Festigkeit der Legierung und verhindert die Oxidbil – dung beim Guss (Phosphorbronzen, z. B. 92,5% Cu, 7% Sn und 0,5% P). Phosphorbronzen werden fur besonders beanspruchte Maschinenteile (z. B. Achslager) verwendet. Glocken – bronzen enthalten 20…25% Zinn. Durch Zusatz von 1…2% Si (Siliciumbronzen) kommt es zu einer weiteren Erhohung der Harte und Festigkeit. Bleibronzen (bis zu 28% Pb) sind gut giefi – und verarbeitbar. Sie dienen als Guss – und Gleitwerkstoffe, z. B. Achslagermetall fur Eisenbahnwagen.

Wie zahlreiche, aus vergangenen Jahrhunderten stammende Bauwerke belegen, ist Kupfer als Baumetall durch seine Patina-Schutzschicht weitgehend vor atmospharischer Korro – sion geschutzt. Vor der Ausbildung der Patina betragen die Abtragsraten an Kupfer in Reinluft etwa 1,9 pm/a, in Stadtluft 1,5…2,9 pm/a, in Industrieluft 3,2…4,0 pm/a und in Meeresluft etwa 3,8 pm/a. Mit zunehmender Patinabildung nimmt die korrosive Zerstorung des Kupfers ab. Die Patinabildung setzt in Reinluftgebieten nach etwa 30 Jahren, in Stadt – atmosphare nach 15 bis 20 Jahren, in Industrieatmosphare nach 8 bis 12 Jahren und in Meeresluft nach 4 bis 6 Jahren ein.

Wird die Patina-Schutzschicht mechanisch beschadigt, setzt auch hier ein Selbstheilungs – prozess ein und der Uberzug bildet sich neu. Problematisch ist der Einsatz von Regenfall – leitungen aus Kupfer in der Nahe von Klaranlagen, landwirtschaftlichen Dunggruben, Stallen oder Toiletten, wo aggressive, das Cu angreifende Zersetzungs – bzw. Faulgase (Ammoniak, Schwefelwasserstoff) entweichen. Gegenuber Gips, Kalk und Zement ist Kupfer bestandig. Gelangt durch aggressive Gase bzw. Sauren Regen gelostes Kupfer (-> Cu2+) von Kupferdachem in darunter angebrachte Zinkdachrinnen, kommt es zur Abschei – dung des edleren Cu unter Auflosung von Zn (Spannungsreihe!). Die Folge sind LochfraB – korrosionen. Gelangen Cu2+-haltige Niederschlagswasser in Kontakt mit Betonplatten oder mineralischen Putzen, kann es durch Salzbildung zu grun-blauen Verfarbungen kommen.