Cu

Koper


Het overgangsmetaal koper is van alle metalen het makkelijkst te vinden in de elementaire, metallische vorm. Het is dan ook het oudste metaal dat we kennen. Er zijn koperen kralen gevonden van elfduizend jaar oud. Tegenwoordig kent koper enorm veel toepassingen, de bekendste in de geleiding van elektriciteit. Industrieel gezien is koper het op twee na belangrijkste metaal, na ijzer en aluminium. Een substantieel deel van de wereldbehoefte aan koper wordt gedekt door recy¬cling. Voor de mens is koper een essentieel element. Het is van belang voor de botvorming en voor het activeren van bepaalde enzymen. Koper ondersteunt ook onze op ijzer gebaseerde zuurstofvoorziening met hemoglobine in de rode bloedlichaampjes. Bij organismen levend in een koude, zuurstofarme omgeving is de zuurstofvoorziening vaak volledig op koper gebaseerd. Zij hebben letterlijk 'blauw bloed' door de aanwezigheid van het koperhoudende hemocyanine-eiwit.
Symbool Cu Protonen/elektronen 29
Groep 11 Isotopen 63Cu, 65Cu
Periode Elektronenconfiguratie [Ar] 4s2 3d9
Blok d Elektronegativiteit 1,8 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 128 10-12m
Dichtheid 8960 kg m-3 Relatieve atoommassa 63.546
Smeltpunt 1084 oC
(1357 K)
Soortelijke warmte 387 J kg-1K-1
Kookpunt 2562 oC
(2835 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 390 W m-1K-1

Draad, kabel

De combinatie van goede elektrische gelei­ding, geringe corrosie en gunstige prijs maakt koper zeer geschikt voor elektri­sche bedra­ding. Men voegt maximaal vijf procent andere metalen toe om de kwaliteit van het metaal te verhogen. De eigen­schappen van zilver zijn iets beter, maar zilver is voor deze toepassing te duur.

 

Printplaat

Om dezelfde redenen als hierboven genoemd wordt koper ook veel gebruikt voor de stroomgeleiding op printplaten.

Kraan

Een waterkraan wordt meestal van messing gemaakt, een legering van koper met zink. Voor deze toepassing bevat hij meestal ook tin (1 tot 5 %) en soms ook aluminium, ijzer, nikkel of mangaan (om het materiaal iets harder te maken).

Brons: beeld, medaille

Brons is een bekend materiaal voor de vervaardiging van standbeelden, beeldjes en medailles. Het is een legering van koper en tin (doorgaans 10-30%). Om de eigenschappen te verbeteren wordt soms ook lood of zink toege­voegd. Het materiaal lijkt dan iets meer op messing (een legering van koper met zink). Voor medailles wordt meestal brons met relatief weinig tin (3-8%) ge­bruikt.

 

Munt

Koper is altijd in trek geweest voor de vervaardiging van munten. In alle euromunten is koper te vinden. Zelfs de zichtbare 'zilveren' delen van de munten van één en twee euro bestaan voor driekwart uit koper (en voor de rest uit nikkel).

De munten van 50, 20 en 10 eurocent zijn gemaakt van 'Nordic Gold', een legering van koper (89%) met aluminium (5%), zink (5%) en tin (1%). De muntjes van 5, 2 en 1 cent bestaan uit staal met een buitenlaag van koper.

Buis

Legeringen van koper met nikkel (10-13%) hebben een grote corrosie­besten­dig­heid. Ze worden gebruikt voor buizen om (zee- of leiding)water te verpompen en voor installaties zoals bijvoorbeeld brouwketels.

 

Pijp

Condensorpijpen (bijvoorbeeld in stoom- en andere machines of warmtewisselaars) zijn vaak uitgevoerd in messing met 1 tot 5% tin en - afhankelijk van gebruiksomstandigheden - aluminium, ijzer, nikkel of mangaan. Deze legeringen hebben een grote treksterkte en veerkracht en zijn zeer corrosie­bestendig.

Scheepsschroef

Cunial is een koperlegering voor - onder andere - scheepsschroeven. Het bestaat uit koper met ongeveer 9 % aluminium en nikkel. Een alternatief is Cunifer een legering van koper, nikkel en ijzer met 1 % mangaan. Beide materialen zijn bijzonder hard en bestendig tegen de inwer­king van zeewater.

Luidklok, carillon (beiaard)

Voor (luid)klokken in kerktorens en voor de klokken van carillons gebruikt men brons met 20 tot 30 % tin. Deze legering dempt de trillingen slechts langzaam zodat er sprake is van een goede nagalm.

 

Tafelzilver

Veel 'zilveren' gebruiksvoorwerpen bestaan voor het grootste deel uit koper. In China werd al heel vroeg een legering van nikkel, koper en zink gebruikt als vervanger van zilver (Paishung). Een populaire legering voor tafelbestek bestaat uit koper, zink en nikkel in de verhouding 60:22:18. Het is bekend onder namen als armeluiszilver, hotelzil­ver, Duits zilver of Alpaca (naar een van oorsprong Duits handelsmerk met als beeldmerk een Zuid-Amerikaans bergschaap: een alpaca).

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • autoradiator (brons)
  • biervaten en brouwketels (div. Cu-legeringen)
  • dakbedekking
  • elektrisch weerstandmateriaal (45 % Ni)
  • elektrode
  • lager (2,6 % Be)
  • munitiehulzen (messing, tot 33 % Zn)
  • pannen en potten
  • precisiebalans (38 % Zn, 2 % Pb)
  • schroeven (2,7 à 3,6 % Si en 0,5 à 1,3 % Mn)
  • siervoorwerpen (messing tot 20 % Zn, brons)
  • sprinkler op schepen (6 % Ni, 1 % Fe, 0,5 % Mn)
  • stroomafnemers voor treinen (Cu/Ag)
  • muziekinstrumenten (18 % Ni, 20 % Zn, z.g. nieuwzilver)
  • vonkvrij gereedschap (9 % Al,4 % Fe, 4 % Ni)

In verbindingen

  • algenbestrijder                                                                                  CuSO4
  • beitsmiddel                                                                                        Cu(OH)2
  • blauwe kleur van imitatie-edelsteen                                                  CuO
  • conserveren van hout en textiel                                                        CuBr, Cu(II)nafte­naat, -arse­naat, -formiaat, CuSO4, Cu(NO3)2                                      
  • fluorescerende kleurstof                                                                   CuCNS, CuS
  • geneesmiddel
    - behandeling van arthritis                                                                Cu-complex
    - tegen bloedarmoede (samen met ijzer­verbindingen)                      Cu(CH3COO)2
  • bij tekort aan koper                                                                           CuSO4
  • inktkleurstof                                                                                      Cu(NO3)2
  • katalysator in uitlaat en schoorsteen hoogoven, raffinaderij             Cu2O
    (voor NOx --> N2 en O2 en CO --> CO2)                                                
  • kleurstof                                                                                            Cu-ftalocyanine, Cu(NO3)2
  • lichtecht maken van textiel                                                                CuSO4
  • onkruidbestrijder                                                                               CuSO4, CuSO4.3Cu(OH)2, CuF, Cu(CH3COO)2, Cu-arsena­ten
  • idem, voor groente, fruit, wijnbouw, bananenteelt                             Cu2(OH)3Cl
  • ontzwavelen van aardolie                                                                  CuO
  • pigment in keramiek                                                                          CuF2, Cu(CH3COO)2, CuCO3
  • pigment in glas
    - blauw/groen                                                                                    CuO
    - rood                                                                                                Cu2O, CuCO3
  • pig­ment in verf                                                                                  Cu(NO3)2, CuSO4, CuSCN, Cu­CO3.Cu(OH)2
  • pigment in verf  (groen in oude verfsoorten t.b.v. restaura­ties)        Cu(AsO2)2
  • schimmelbestrijder, o.a. tegen meeldauw in wijngaarden                 CuSO4, Cu(OH)2, Cu2OCl2, CuCO3
  • supergeleidend keramiek                                                                  Cu-oxiden
  • veevoeder (toevoeging)                                                                    Cu-verbindingen                        
  • verf voor scheepsbodem                                                                   CuO, Cu2O, CuSiO3, Cu(OH)2
  • verven van kunstzijde                                                                        Cu(CNS)2
  • vuurwerk, groene kleur                                                                     Cu(NO3)2, CuCl2, CuCO3
  • waterzuivering                                                                                   CuSO4           
  • zonnecollector                                                                                   CuO
  • zonnecellen                                                                                       CuInSe2

Naam

De naam koper is afgeleid van het Latijnse woord cyprium, later verkort tot cuprum. Het vindt zijn oorsprong in de voor­naam­ste vindplaats van kopererts: het eiland Cyprus.

 

Koper heeft van alle elementen de langste geschiedenis.  De oudst bekende koperen voorwerpen zijn onge­veer elfduizend jaar oude kralen uit het noorden van Irak. Ze zijn gemaakt van vrijwel zuiver koper, dat in metallische toestand in de natuur werd aange­troffen.

Ontdekking

Zevenduizend jaar geleden werd koper uit ertsen gewonnen in het gebied van Israël tot de Perzische Golf (het noorden van de zogeheten Vrucht­bare Halve Maan). De oude Egyptenaren hadden hun kopermijnen in het gebied van de huidige Negev-woestijn. In Iran zijn zesduizend jaar oude potten gevonden waarin koper gesmolten werd.

De kopertijd is het historisch tijdperk tussen 5500 - 3300 v.Chr.; het is het laatste deel van het neolithicum (de nieuwe steentijd).

 

Koper was een bekend en veel gebruikt metaal, vooral voor het maken van wapens. Het diende ook ter vervanging van goud vanwege de vergelijkbare glans. Het bewerken van koper (en ijzer) was belangrijk; er was een 'gilde' van smeden (vgl. Genesis 4 : 22 : 'en Zilla baarde ook Tubal-Kaïn, de smeder van allerlei snijwerktuigen van koper en ijzer'. Tubal-Kaïn geldt als de 'vader of leer­meester der sme­den').

De oudste Europese kopermijnen zijn ongeveer zesduizend jaar oud. Ze liggen bij de Servische stad Niš). Ook in Helgoland (Noord-Duitsland) zijn zeer oude sporen van de verwerking van koper gevonden. In de dertiende tot vijftiende eeuw werd ook in de Maasvallei bij Dinant (in het huidige België) koper en brons geproduceerd.

Voorkomen

Koper is het 26e element in voorkomen in de aardkorst. Het heeft een aandeel van 0,0060% op basis van gewicht. Het is zowel in metallische (gedegen) vorm aanwezig, als in verbindingen.

Ook in meteorieten en op de zon is de aanwezigheid van koper aangetoond.

Het menselijk lichaam bevat ongeveer een duizendste procent (ca. 60 mg) koper. Het is een essentieel element voor onder andere de inbouw van ijzer in hemoglobine, botvorming en het activeren van enzymen).

 

De verschei­denheid aan koper­mineralen is groot. De belang­rijkste zijn:

  • antacamiet                                         Cu2Cl(OH)3
  • azuriet of koperazuur (foto)               Cu3(CO3)2(­OH)2
  • berzelianiet                                        Cu2Se
  • borniet                                               Cu5FeS4
  • bournoniet of zwarte spiesglans        CuPbSbS3
  • chalcanthiet                                       CuSO4.5H2O
  • chalcopy­riet of koperkies                   CuFeS2
  • chalcosien of koperglans                   Cu2S
  • chrysocolla                                        (Cu,Al)2H2Si2­O5(OH)4.n­H2O
  • covellien                                            CuS
  • cupriet                                               Cu2O
  • dioptaas of kopersmaragd                 CuSiO2(OH)
  • domeykiet                                          Cu3As
  • enargiet                                             Cu3AsS4
  • malachiet                                           Cu2CO3(OH)2
  • pseudo-malachiet                              Cu5(PO4)2(OH)4
  • tennantiet                                          (Cu,Fe,Ag,Sn)12 As4S13
  • tenoriet                                              CuO
  • tetraëdriet                                          (Cu,Fe,Ag,Sn)12 Sb4S13

Zogenaamde 'mangaanknollen' op de oceaanbodem bevatten tot ongeveer 0,5-2% koper.

 

Winning

De belangrijkste wingebieden voor koperhoudende ertsen (met name borniet en koperkies) liggen in Chili, de Verenigde Staten van Amerika (Arizona, Utah, Rocky­ Mountains), Rusland (Petsamo, Oeral), Kazachstan, Canada (Sudbury), Democratische Republiek Congo, Polen, China, Peru, Mexico, Australië, Papoea-Nieuw-Guinea, de Filipijnen, Zuid-Afrika, Zambia en Japan. Gedegen (metallisch) koper komt voornamelijk voor in de Verenigde Staten van Amerika en Rusland (Oeral).

Vroeger

Het vroegste koper werd bereid door koperhoudende ertsen of minera­len te verhitten met houtskool, bijvoorbeeld:
CuO + C --> Cu + CO

 

Tegenwoordig

De bereidingswijze van koper is afhankelijk van het soort mineraal of erts waaruit het metaal wordt geïsoleerd. Overigens wordt een belangrijk deel van de wereldbehoefte aan koper (ongeveer 40%) gedekt door recy­cling van gebruikt koper. In volume is koper de derde belangrijkste metaalindustrie, na ijzer en aluminium.

De meestgebruikte, sulfidehoudende ertsen zoals koperkies, borniet en chalcosiet bevatten weinig koper (ongeveer 1%). Via uitgekiende voorbewerkingen weet men het zodanig te concentreren dat het kopergehalte 20-45% bedraagt. Dit bewerkte erts wordt eerst geroost: onder verhitten en inblazen van lucht wordt een deel van het aanwezige sulfide omgezet in het oxide. Het vrijkomende zwaveldioxide dient voor de productie van zwavelzuur. Daarna wordt het erts in een tweede oven verhit tot de meeste verbin­dingen smelten (rond 900 °­C). Vervolgens blaast men zuurstof (lucht) in voor de verwijdering van het laatste zwavel en voegt men zand toe voor de binding van ijzer en enkele andere verontreinigingen:
4 CuFeS2  + 5 O2  +  2 SiO2   -->   2 Cu2S.FeS  +  2 FeSiO3   +  4 SO2

Het ijzersilicaat komt in de slak (het op de smelt drijvende oxidenmengsel). Het is gemakkelijk te verwijderen.

De laatste handelingen worden herhaald in een derde oven, de converter, maar nu bij hoge tempera­tuur (circa 1.400 °C). Het ijzergehalte wordt zo teruggebracht tot minder dan 1% en het resterende kopersulfide wordt omgezet in koper(I)oxide:
2 Cu2S  +  3 O2    -->  2 Cu2O  +  2 SO2

Dit koperoxide wordt omgezet in koper via reactie met het aanwezi­ge koper(I)sulfide:
2 Cu2O  +  Cu2S  -->  6 Cu    +  SO2  .

In sommige gevallen worden de koperverbindingen gere­du­ceerd met kool­stof/kool­monoxide of water­stof.

 

Het gevormde koper is voor ongeveer 98% zuiver. Het is verder te zuiveren door het als anode te ge­brui­ken bij de elektrolyse van een kopersul­faatoplossing. Aan de kathode wordt dan zeer zuiver koper gevormd (meer dan 99,95% zuiver). Uit het anodeslib zijn andere metalen te winnen (zilver, goud, metalen van de platina-groep, molybdeen, kobalt, nikkel, seleen en telluur).

In plaats van bovenstaande methode kunnen de mineralen ook bewerkt worden met zwavelzuur, ijzer(II)sulfaat of ammonia. Uit de verkregen verbindingen wordt het metaal gewonnen door elektro­lyse. Ook kan ijzer(afval) of zinkpoeder wor­den toege­voegd, waardoor het koper neerslaat.

Een nieuwe methode, die momenteel wordt onderzocht, is het vrijmaken van koper uit ertsen met behulp van bacteriën.

Deel dit op: