Elemente, Schulbuch

126 5 GROSSTECHNIsCHE CHEMIE Weitere wichtige Metalle Kupfer Cu Kupfer ist das älteste Metall, das von Menschen aus Erzen gewonnen wurde. Der Kupferzeit, die etwa von 3500–2200 v. Chr. reichte, hat es seinen Namen gegeben. Dieser leitet sich übrigens von der Insel Zypern ab, auf der in der Antike große Men- gen von Kupfererzen abgebaut wurden. Die Römer nannten es daraufhin „Erz aus Zypern“, lateinisch: „aes cyprium“, später „cuprum“. Eigenschaften: Kupfer ist relativ weich und hat als blankes Metall eine helle, lachs- rosa Farbe. Es lässt sich zu hauchdünnen Folien und zu Draht formen. Nach Silber besitzt es die beste elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. An feuchter Luft bildet sich auf der Oberfläche allmählich ein grünlicher Überzug ( Patina ). Es zeigt zunächst die bekannte Kupferfarbe. Nach kurzer Zeit geht die Farbe in ein dunkles Rot über (Cu 2 O), später wird die Oberfläche schwarz (Bildung von CuO). Erst nach Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und Wasser die blaugrüne Patina (Kupferdächer). Vorkommen: Der Kupfergehalt der Erdrinde beträgt durchschnittlich etwa 0,01 Pro- zent. Kupfer steht damit an 25. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. In der Natur kommt Kupfer in einer Reihe von Erzen vor, so dem Kupferkies (Cu I Fe III S 2 ), dem Buntkupferkies (Cu I 5 Fe III S 4 ) und dem Kupferglanz (Cu 2 S). Aus diesen Erzen wird das Kupfer auch gewonnen. Herstellung: Produktionsmenge weltweit: 15,8 Mio Tonnen (2009). Lagerstätten der Erze finden sich in Chile, USA, Kanada etc. In Österreich sind die Montanwerke Brix- legg ein bedeutender Kupferproduzent. Zur Gewinnung führt man die gereinigten Kupfererze ( c (Cu) = 20–30 Gew.%) in Roh- kupfer ( c (Cu) > 90 Gew.%) über. Durch Raffination erhält man Reinkupfer (= Elektro- lytkupfer) mit einem Reinheitsgrad von 99,95 %. Verwendung: Für elektrische Leitungen, zum Bau von Dächern, zur Herstellung von Münzen oder Patronenhülsen. Kupfer ist ein wichtiges Legierungsmetall (Abb. 126.3): Die Freiheitsstatue in New York ist zB von einer Bronzelegierung umhüllt. Ein gerin- ger Anteil des Kupfers wird zu Kupferverbindungen weiterverarbeitet, zB zu CuSO 4 • 5 H 2 O, CuO, CuCl, CuCl 2 . Supraleiter wie YBa 2 Cu 3 O 7-x enthalten Cu. Zink Zn Einige Zinkerze waren bereits in der Bronzezeit bekannt. Zink als Metall – und damit als Element – wurde erst viel später bekannt. 1746 isolierte der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Marggraf erstmals das reine Metall. Der Name Zink stammt von Zinke, Zind = Zahn, Zacke, da Zink zackenförmig erstarrt. Eigenschaften: Reines Zink ist ein bläulich glänzendes, bei Raumtemperatur relativ sprödes Metall. Oberhalb von 120 °C wird es weich und dehnbar. Man kann es dann zu Blechen walzen bzw. zu Drähten ziehen. Ab 220 °C versprödet es wieder und es lässt sich dann leicht zu Pulver zermahlen. An feuchter Luft überzieht es sich mit einer dünnen, vor weiterer Korrosion schützenden Oxidschicht. Vorkommen: Mit einem Massenanteil von ca. 0,012 % ist Zink das 24. häufigste Ele- ment der Erdrinde. Es kommt in der Natur nie elementar vor, sondern nur in Form von Verbindungen. Wichtige Mineralien sind Zinkblende (ZnS) und Zinkspat (ZnCO 3 ), aus denen es auch gewonnen wird. Herstellung: Produktionsmenge weltweit: 12,05 Mio Tonnen (2010). Die Hauptvor- kommen von Zinkerzen: China, Australien, Peru, Kanada, USA etc. Zur Herstellung des Zinks werden die Erze vor der Verhüttung in Zinkoxid überführt. Dieses wird im elektrischen Ofen mit Kohlenstoff reduziert. Das entstandene Roh- zink wird anschließend destilliert. Der Hauptanteil wird heute nach dem „nassen Verfahren“ gewonnen. Hierbei wird das Zinkoxid mit konzentrierter Schwefelsäure zu Zinksulfat gelöst. Diese Lösung wird bei ca. 3,5 Volt elektrolysiert, wobei sich sehr reines Zink (ca. 99,99 %) an der Aluminiumkatode abscheidet und Sauerstoff an der Anode entweicht. Die Energiekosten (3500 kWh/Tonne Zn) sind allerdings enorm. Recycling-Zink aus Altmetallschrott gewinnt heute zunehmend an Bedeutung. Kupfer 63,5 29 EN 1,8 Cu Fp: 1085 °C Dichte: 8,9 g/cm 3 Härte (Mohs) : 2,5–3 Abb. 126.1: Kupfer: Daten Abb. 126.2: Kupfererz und Kupferprodukte Abb. 126.3: Verschiedene Kupferlegierungen Abb. 126.4: Zink: Daten Abb. 126.5: Die vielen Zacken (Zinken), die beim Er- starren des Metalls entstehen, gaben dem Metall seinen Namen ROT-MESSING GELB-MESSING GLOCKEN- BRONZE Cu Sn Zn Zn Zn Zn Cu Cu Cu Cu Zink 65,4 30 EN 1,7 Zn Fp: 419 °C Dichte: 7,1 g/cm 3 Härte (Mohs) : 2,5 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv