Kupfer

Auch im Zeitalter der Informationstechnologie und immer komplexer werdender technischer und industrieller Prozesse spielt eines der ältesten Metalle der Menschheit eine bedeutende und zukunftsorientierte Rolle. Nicht umsonst, oft auch als wichtigstes Metall bezeichnet, ist Kupfer in fast allen Gebieten des menschlichen Lebens zu Hause. Ohne Kupfer kein Strom, keine Kommunikation, keine technischen Innovationen. Millionen Meter von Kupferrohren oder Kabeln sorgen tagtäglich für die Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser oder Elektrizität, hundert Tausende Quadratmeter Kupfer bedecken weltweit Dächer und verkleiden Fassaden.

Aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften ist Kupfer einer der nützlichsten Werkstoffe, der sich zudem noch durch das Legieren mit anderen Metallen immer weiter optimieren lässt.

Metalle treten im Mineralbereich überwiegend als chemische Verbindungen mit Sauerstoff (Oxide) oder mit Schwefel (Sulfide) auf; nur ganz selten sind sie in gediegener Form zu finden. Zu diesen Ausnahmen zählt – neben den Edelmetallen Gold und Silber – auch Kupfer.  Man findet Kupfer mit seinem chemischen Zeichen Cu (von Cuprum) im periodischen System der Elemente in der ersten Nebengruppe zusammen mit Silber und Gold. Denn mit beiden Metallen hat Kupfer Ähnlichkeit: Kupfer und Gold sind die beiden einzigen farbigen metallischen Elemente, Kupfer und Silber sind die beiden besten Leiter für Wärme und Elektrizität. 

Eigenschaften von Kupfer

Die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit sind die wichtigsten Eigenschaften des Werkstoffes Kupfer. Die große Bedeutung dieses Werkstoffes für die Technik ergibt sich aber erst durch die Kombination der verschiedenen guten Eigenschaften, die – auch in Verbindung mit anderen Metallen – seit Jahren genutzt und weiterentwickelt werden. In der folgenden Tabelle sehen Sie einige wichtige Zahlenwerte (Cu-ETP, >99,9 % Reinheit).

Chemisches Symbol

Cu

Ordnungszahl

29

Relative Atommasse

63,546

Dichte

8,93 g/cm3

Schmelzpunkt

1083 °C

Siedepunkt

2595 °C

Elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C

57 m/(Ω*mm2)

Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C

394 W/m*K

Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit

0,0039/K

Wärmeausdehnung

17*10-6/K (von 25 bis 300 °C)

Spezifische Wärme

0,39 J/g*K (20 bis 400 °C)

Schmelzwärme

214 J/g

Kristallstruktur

Kubisch-flächenzentriert

Physikalische Eigenschaften

Metall Elektrische Leitfähigkeit (Kupfer: 100%) Wärmeleitfähigkeit
Silber 106 108
Kupfer 100 100
Gold 72 76
Aluminium 62 56
Magnesium 39 41
Zink 29 29
Nickel 25 15
Cadmium 23 24
Kobalt 18 17
Eisen 17 17
Platin 16 18
Zinn 15 17
Blei 8 9
Titan 4 4

Als einziges Metall hat Kupfer eine lachsrote Farbe. Es ist neben Gold das einzige farbige metallische Element.

Mit der Dichte von 8,93 g/cm3 (leichte sortenabhängige Abweichungen möglich) zählt Kupfer wie Gold zu den Schwermetallen.  Es hat einen Schmelzpunkt von 1083 °C und einen Siedepunkt von 2595 °C.

Die hervorragendste Eigenschaft des Kupfers ist die hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, die nur noch von derjenigen des Silbers übertroffen wird. Entsprechend wird ein großer Teil des Kupfers für elektrotechnische Zwecke eingesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit von hochreinem Kupfer (» 99,998 % Cu) kann annähernd den Wert 60 m/W*mm2 erreichen.

Setzt man die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer jeweils gleich 100, ergeben sich für die wichtigsten Edel- und Gebrauchsmetalle die in der Tabelle links dargestellten Werte (bei 20 °C).

Mechanische Eigenschaften

Weiches Kupfer besitzt eine Zugfestigkeit von ca. 200 MPa, eine Dehngrenze von 40-80 MPa sowie eine Bruchdehnung von über 40%. Erfolgt eine Kaltverformung, steigen die Zugfestigkeit auf mindestens 350 MPa und die Dehngrenze auf mindestens 320 MPa, jedoch sinkt dann die Bruchdehnung auf Werte unter 5%.

Reines Kupfer hat keinen warmspröden Bereich und lässt sich auch im warmen Zustand gut umformen. Gleichzeitig versprödet Kupfer auch bei tiefen Temperaturen nicht.

Da Kupfer auch beachtliche Dauerschwing-Festigkeitskennwerte aufweist, ist es auch als Werkstoff für schwingende Beanspruchungen geeignet, ohne dass Sprödbrüche befürchtet werden müssen.

Die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen reinen Kupfersorten weichen praktisch nicht voneinander ab. Lediglich das Zeitstandverhalten kann durch geringe Legierungszusätze wie zum Beispiel Silber positiv beeinflusst werden.

Mit Legierungen lassen sich Festigkeiten bis ca. 700 MPa, in speziellen Fällen sogar bis 1500 MPa erzielen, jedoch sinkt dann die Leitfähigkeit erheblich.

Chemische Eigenschaften

In seinen chemischen Verbindungen tritt das Kupfer ein- und zweiwertig auf, in einigen Ausnahmefällen - z.B. im K3[CuF6] - auch dreiwertig, in einem Fall - nämlich im Cs2(CuF6) - sogar vierwertig.

In wässrigen Lösungen zeigt Kupfer als einziges Gebrauchsmetall ein Normalpotential, das edler als dasjenige von Wasserstoff ist.

Gegenüber Säuren ist das Korrosionsverhalten von Kupfer außer von deren Art und Konzentration auch von der Menge des vorhandenen Sauerstoffs bzw. eines Oxidationsmittels abhängig. In nicht oxidierenden Säuren, die keinen gelösten Sauerstoff enthalten, ist Kupfer beständig.

Alkalische wässerige Lösungen der Hydroxide und Carbonate der Erdalkali- und Alkalimetalle - mit Ausnahme von NH3 - wirken nur wenig auf Kupfer ein.

In der Atmosphäre - auch in Meeresluft - ist Kupfer sehr beständig [24].  Seine Oberfläche überzieht sich zunächst mit einer dunkelbraunen bis fast schwarzen Schutzschicht, die mit der Zeit meist in die von alten Kupferdächern her bekannte grüne Patina übergeht. Patina ist ein Gemisch von basischen Kupfersalzen (Sulfat, Carbonat, in Meeresnähe auch Chlorid), deren Mengenverhältnis von der Konzentration der entsprechenden Grundstoffe in der Luft bestimmt wird. Ungünstig wirken feuchte Ammoniak- und Schwefelwasserstoffdämpfe.

Gegen Trink- und Brauchwasser (Kalt- und Warmwasser) ist Kupfer gut beständig. Deshalb ist es ein ausgezeichneter Werkstoff für Wasserleitungen. Die Beständigkeit ist an die Bildung einer gleichmäßigen Schutzschicht gebunden.

Physiologische Eigenschaften

Kupfer ist nicht nur ein natürlich vorkommendes Element, das man  in verschiedenen Formen und Konzentrationen in der Erdkruste, den Ozeanen, Seen und Flüssen finden kann sondern auch ein lebensnotwendiges Spurenelement. Das Leben von Flora und Fauna hat sich im Rahmen dieses natürlichen Vorhandenseins von Kupfer entwickelt. Daher verfügen die meisten Organismen über einen immanenten Mechanismus zu seiner Nutzung. Für den menschlichen Organismus hat Kupfer die Bedeutung eines essentiellen Spurenelements, d.h. der Mensch benötigt Kupfer, um zu überleben. Gewöhnlich wird der Tagesbedarf eines Erwachsenen von ca. 2 Milligramm durch die Aufnahme einer ausgewogenen Ernährung mit einem reichlichen Anteil an Getreide, Fleisch, Wurzelgemüse, Hülsenfrüchten, Nüssen oder auch Schokolade erreicht. Da Kupfer insbesondere für den Stoffwechsel von großer Wichtigkeit ist, kann ein Kupfermangel zu schweren gesundheitlichen Problemen führen.