29. Kupfer (Cu) - Das rote Metall der Geschichte

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Heute reisen wir durch die faszinierende Welt eines Metalls, das die Menschheitsgeschichte wie kaum ein anderes geprägt hat.

0:27 Die Rede ist von Kupfer. Dem Element mit dem Symbol CU, der Ordnungszahl 29 und einer Geschichte, die mehr als 10000 Jahre zurückreicht. Kupfer ist mehr als nur ein chemisches Element, es ist ein Spiegel unserer Zivilisation, ein stiller Zeuge unserer technologischen Entwicklung und gleichzeitig einer der wichtigsten Rohstoffe unserer Gegenwart und Zukunft. Beginnen wir mit dem Anfang.

0:58 Mit dem, was Kupfer ist, bevor der Mensch es berührt. Im Periodensystem sitzt Kupfer in der 11. Gruppe, den sogenannten Münzmetallen, gemeinsam mit Silber und Gold. Diese Nachbarschaft ist kein Zufall, alle 3 Metalle sind chemisch relativ träge, kommen in der Natur auch gediegen vor, also in reiner metallischer Form, und wurden deshalb von frühen Kulturen entdeckt und verarbeitet. Die Elektronenkonfiguration von Kupfer ist dabei eine Besonderheit.

1:32 Eigentlich würde man beim Befüllen der Elektronenschalen ESR 3 d 904 s 2 erwarten, doch Kupfer weicht davon ab und zeigt stattdessen ASR 3 der 1004 s ersten das vollständig besetzte Deorbital ist energetisch stabiler und die Natur bevorzugt diesen Zustand. Diese kleine elektronische Besonderheit hat große Konsequenzen.

1:58 Sie macht Kupfer zu einem außergewöhnlich guten elektrischen Leiter. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer beträgt etwa 58,7 Mega Siemens pro Meter bei Raumtemperatur, nur Silber übertrifft diesen Wert geringfügig mit rund 63 Mega Siemens pro Meter, doch Silber ist teuer und selten. Kupfer hingegen ist vergleichsweise günstig und reichlich vorhanden.

2:27 Daher fließt der Strom in unseren Häusern, unseren Computern und unseren Autos fast ausnahmslos durch Kupferdrähte. Weltweit werden jährlich mehr als 25000000 Tonnen Kupfer produziert und über 65% davon gehen in die Elektroindustrie. Ohne Kupfer gäbe es keine modernen Städte, kein Internet, keine Elektromobilität. Doch gehen wir nun zurück zu den Wurzeln, die Geschichte des Kupfers beginnt mit einer Entdeckung, die wir uns kaum vorstellen können, weil sie so selbstverständlich geworden ist. Der Entdeckung, dass ein Stein, wenn man ihn stark erhitzt, flüssig werden und eine neue Form annehmen kann. Irgendwo im Nahen Osten, wahrscheinlich in den Gebieten des heutigen Irans oder der Türkei, entdeckten Menschen vor etwa zehneinhalbtausend Jahren,

3:27 dass bestimmte grünliche oder bläuliche Steine, nämlich Kupferminerale wie Malachit oder azurit, sich durch Feuer in glänzendes Metall verwandeln ließen. Dies war die Geburtsstunde der Metallurgie. Die älteste bekannte Kupferschmelze stammt aus Rhodnaglawa in Serbien und ist auf etwa 5500 vor Christus datiert. In Zatalhöyük, einer der ältesten bekannten Städte der Menschheit in der heutigen Türkei wurden Kupferperlen gefunden, die auf 6000 vor Christus zurückgehen, die Ötztaler Gletschermumi, bekannt als. Ötzi, die vor etwa 5300 Jahren lebte und 1991 in den Alpen gefunden wurde, trug ein Kupferbeil bei sich. Ein Hinweis darauf, dass die Kupferverarbeitung zu seiner Zeit in europaweit verbreitet

4:23 war. Untersuchungen des Beils zeigten, dass das Kupfer aus dem Raum des heutigen Südtirols und des Trentino stammte, was auf weitreichende Handelsnetzwerke schließen lässt. Es war die Zeit, die wir heute als Kupfersteinzeit oder Chalkolithikum bezeichnen, jene Übergangsperiode zwischen der Steinzeit und der Bronzezeit.

4:47 Menschen bearbeiteten Kupfer zunächst durch Hämmern. Denn gediegenes Kupfer, also reines metallisches Kupfer, das sich in der Natur findet, lässt sich ohne Hitze formen. Erst später entdeckten sie das Schmelzen und noch etwas später, etwa um 3200 vor Christus, einen entscheidenden metallurgischen Durchbruch, wenn man dem Kupferzinn Beimischt, entsteht Bronze, eine Legierung, die härter, beständiger und schärfer zu schleifen ist. Dies gab einer ganzen Ära ihren Namen. Die Bronzezeit, die Bronzezeit, war eine Epoche des Aufblühens Waffen, Werkzeuge, Schmuck, Gefäße, Münzen und Spiegel, all das wurde aus Bronze gefertigt, die Phönizier handelten mit Kupfer aus Zypern, und tatsächlich könnte sogar der Name Kupfer.

5:47 Von der lateinischen Bezeichnung für Zypern stammen cyprum, woraus sich cuprum und schließlich das Elementsymbol CO ergaben. Cypern war in der Antike eine der bedeutendsten Kupferquellen der Mittelmeerwelt und die Insel verdankt ihren griechischen Namen Kypros vermutlich dem Kupfer. Die alten Ägypter nutzten Kupfer für chirurgische Instrumente und Wasserleitungen.

6:13 Sie erkannten intuitiv, was die Wissenschaft Jahrtausende später belegen würde. Kupfer wirkt Antimikrobiell, der Eberspapyrus, eines der ältesten medizinischen Schriftwerke der Menschheit aus dem Jahr, etwa 1550 vor Christus, empfiehlt Kupfer zur Behandlung von Wunden und Infektionen. Heute weiß man, dass Kupferionen die Zellmembranen von Bakterien und Viren zerstören können. Dieser Effekt wird als oligodynamische Wirkung bezeichnet.

6:49 Kupferoberflächen töten Krankheitserreger wie MRSA, Influenzaviren oder sogar Coronaviren innerhalb von Minuten bis Stunden ab. In Krankenhäusern werden deshalb vermehrt Türgriffe, Geländer und Arbeitsflächen aus Kupfer eingesetzt, um die Ausbreitung von Keimen zu reduzieren. Das bringt uns zu einem der aufregendsten Aspekte des Kupfers seiner Chemie. Kupfer tritt in mehreren Oxidationsstufen auf, am häufigsten als CU plus Kupfer, 1 Ion und CU 2 plus Kupfer 2 ion Kupfer. 2 Verbindungen sind oft auffällig blau oder grün gefärbt, man denke an das blau schimmernde Kupfersulfat, das in der Schule oft für chemische Experimente genutzt wird, oder an die charakteristische grüne Patina auf Kupferdächern und Statuen, die.

7:47 Diese Patina, die sich aus Kupfercarbonat, Kupferhydroxid und anderen Verbindungen zusammensetzt, schützt das darunterliegende Metall vor weiterer Korrosion. Die Freiheitsstatue, in New York, einst mit glänzendem rötlichem Kupfer bedeckt, trägt heute ihre weltbekannte grüne Schicht, ein Zeichen chemischen Wandels über Jahrzehnte.

8:14 Rund 80 Tonnen Kupfer wurden für die Freiheitsstatue verwendet und über lange Zeit nahm die Hülle die typische blau grüne Farbe an. Dies ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie Chemie im Alltag unsichtbar wirkt, wie Atome und Ionen miteinander reagieren und dabei etwas Neues, manchmal Schöneres entstehen lassen.

8:38 Kupfer zeigt uns Veränderung, muss nicht Verfall sein. Die Vorkommen von Kupfer sind weltweit verteilt, aber nicht gleichmäßig. Die größten Kupferreserven befinden sich in Chile, das allein rund 27% der weltweiten Produktion verantwortet, die Mine Escondida in der chilenischen Atacamawüste ist die größte Kupfermine der Welt, weitere bedeutende Förderländer sind Peru, China, die Demokratische Republik Kongo und Australien.

9:13 Deutschland selbst hat keine nennenswerten Kupfervorkommen mehr, war aber historisch bedeutsam. Im Mansfelder Revier in Sachsen Anhalt wurde über Jahrhunderte Kupferschiefer abgebaut und der Bergbau dort reicht bis ins 13 Jahrhundert zurück. Das Mansfelder Kupfer versorgte weite Teile Europas und spielte eine wichtige Rolle in der Frühgeschichte des Kapitalismus. Kupfer kommt in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von etwa 60 Milligramm pro Kilogramm vor. Es ist damit zwar kein seltenes Element, aber auch keines, das irgendwo einfach aufgelesen werden kann. Die wichtigsten Kupferminerale sind Chalkopyrit, Kupferkiese. Cuf es 2 chalkozid cu 2 s im bornit cu, 5 fes, 4 malachid cu, 2 oesa 2 co 3 und azurit cu 3

10:13 oheki 2 co 32 Calco Pyrit, ist das bei weitem häufigste kupferhaltige Mineral und liefert den größten Teil des weltweit geförderten Kupfers. Das Erz enthält jedoch meist nur 0,5 bis 2% Kupfer. Man muss riesige Gesteinsmengen aufwältigen, um eine relativ geringe Menge Metall zu gewinnen. Die Kupfergewinnung selbst ist ein mehrstufiger Prozess, zunächst wird das Erz in Tagebau oder Untertagebergwerken gewonnen, dann zerkleinert und durch Flotation angereichert, beim Flotieren wird das zerkleinerte Erz mit Wasser und Chemikalien versetzt.

10:57 Luftblasen tragen die Kupferhaltigen Mineralpartikel an die Oberfläche, während das Ganggestein absinkt. Das so gewonnene Konzentrat enthält bereits 25 bis 35% Kupfer, es folgen rösten und schmelzen im Konverter, Feuerraffinieren und schließlich elektrolytische Raffination. Bei der eine Reinheit von 99,99%, sogenanntes Elektrolytkupfer, erreicht wird. Die Elektrolyse ist dabei ein elegantes Verfahren, rohkupferplatten werden als Anode in ein Kupfersulfatbad gehängt und reines Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während Verunreinigungen wie Gold, Silber und Platin als Anodenschlamm anfallen und separat weiterverarbeitet werden.

11:49 Die. Der Energieverbrauch der Kupfergewinnung ist erheblich für die Produktion einer Tonne Kupfer werden je nach Verfahren und Erzqualität zwischen 30 und 60 Megawattstunden Energie benötigt. Umso wichtiger ist das Recycling, Kupfer ist nahezu unbegrenzt wiederverwertbar, ohne dass es dabei seine Eigenschaften verliert. Weltweit stammen etwa 35% des genutzten Kupfers aus Recyclingprozessen Sekundärkupfer, das aus Altmetall, Kabeln und Elektronikschrott zurückgewonnen wird, benötigt nur etwa 10% der Energie, die für die Primärproduktion aus Erz nötig wäre. Kupferrecycling ist damit nicht nur ökonomisch sinnvoll, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung. Und hier treffen wir auf eine

12:45 Spannung, die für die Gegenwart höchst bedeutsam ist. Der weltweite Kupferbedarf steigt und er steigt drastisch. Der Grund liegt in der Energiewende, eine Windkraftanlage enthält je nach Größe zwischen 3 und 15 Tonnen Kupfer. Ein Elektroauto benötigt etwa viermal so viel Kupfer wie ein vergleichbares Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Rund 80 Kilogramm statt 20 Kilogramm Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, Ladeinfrastruktur, intelligente Stromnetze, all das ist Kupferintensiv. Analysten der Internationalen Energieagentur schätzen, dass der Kupferbedarf bis 2040 um 40 bis 50% steigen könnte. Gleichzeitig werden die Erzqualitäten schlechter minentiefer und die Umweltauflagen strenger. Dies wirft ernsthafte Fragen

13:43 auf. Woher kommt das Kupfer für die Energiewende, wie können Abbau und Verarbeitung nachhaltiger gestaltet werden? Wie kann Recycling effizienter werden? Diese Fragen sind nicht nur technischer Natur, sie berühren Fragen der globalen Gerechtigkeit, denn viele der wichtigsten Kupfervorkommen liegen in Ländern des globalen Südens, wo die ökologischen und sozialen Kosten des Bergbaus besonders spürbar sind.

14:15 Kupfer spielt auch in der Biologie eine zentrale Rolle. Es ist ein essentielles Spurenelement für alle bekannten Lebewesen, von Bakterien bis zum Menschen. Im menschlichen Körper sind etwa 80 bis 120 Milligramm Kupfer enthalten, vor allem in der Leber, im Gehirn, in der Niere und im Blut. Kupfer ist Bestandteil verschiedener Enzyme, sogenannter cupro Enzyme.

14:46 Dazu gehören die Zytochrom C Oxidase, ein zentrales Enzym der Zellatmung, die Superoxiddismutase, die Zellen vor oxidativem Stress schützt, Ceruloplasmin, das für den Eisenstoffwechsel wichtig ist, und das Enzym Tyrosinase, das die Melanin Synthese katalysiert und damit an der Pigmentierung von Haut und Haaren beteiligt ist.

15:13 Kupfermangel ist selten. Kann aber zu ernsthaften Erkrankungen führen. Anämie, Knochenschwäche und neurologische Störungen sind mögliche Folgen. Umgekehrt ist eine Kupfervergiftung ebenfalls gefährlich, der wilsonsche Erkrankung einer seltenen genetischen Störung des Kupferstoffwechsels führt zur Anhäufung von Kupfer in Leber, Gehirn und anderen Organen und kann unbehandelt tödlich verlaufen.

15:44 Die Natur hat also mit Kupfer ein doppeltes Spiel. Es ist lebensnotwendig und potenziell gefährlich zugleich, abhängig von Menge und Verteilung. Doch Kupfer ist auch in der Tierwelt bemerkenswert, Tintenfische, Krabben, Schnecken und andere Weichtiere besitzen kein Hämoglobin, das Eisenbasiert ist und Blut rot färbt, sondern hämocyanin. Ein kupferhaltiges Protein, das Sauerstoff transportiert und dem Blut dieser Tiere eine bläuliche Farbe verleiht. Wenn hämocyanin Sauerstoff gebunden hat, erscheint das Blut bläulich, wenn der Sauerstoff abgegeben wurde, wird es farblos.

16:27 Dies ist Chemie in reinster Form, sichtbar in der Farbe des Lebens ein weiteres faszinierendes Kapitel in der Geschichte des Kupfers ist seine Verwendung in der Kunst und Architektur. Seit der Antike schufen Handwerkerinnen und Handwerker aus Kupfer und Bronzemeisterwerke, die die Jahrhunderte überdauert haben.

16:48 Der Koloss von Rhodos, eines der 7 Weltwunder der Antike, soll aus Bronze, also einer Kupferlegierung, bestanden haben und stellte die Sonnengottheit Helios dar. Der bronzene Zeus von Libon Götterstatuen in griechischen Tempeln, Triumphbögen im Römischen Reich, Kupfer und Bronze waren das Material der Macht und der Gottheit.

17:13 Auch im mittelalterlichen Europa war Kupfer ein begehrtes handwerksmaterial, Kirchenglocken wurden aus Glockenbronze gegossen. Einer Legierung aus etwa 78% Kupfer und 22% Zinn, die besonders gute Klangeigenschaften besitzt. Die akustischen Eigenschaften von Kupferlegierungen haben dabei einen physikalischen Hintergrund. Die Schallgeschwindigkeit in Bronze ist deutlich höher als in Luft und die Art, wie das Material schwingt, erzeugt den charakteristischen warmtönenden Klang, den wir mit Kirchenglocken verbinden.

17:53 In Europa wurden während des Mittelalters Tausende solcher Glocken gegossen und viele davon läuten noch heute ein klingendes Erbe der Kupfertechnologie. In der Renaissance und im Barock verwendeten Künstlerinnen und Künstler Kupferplatten als Druckmedium für Kupferstiche. Eine Technik, die eine unglaubliche Detailgenauigkeit erlaubte und die Verbreitung von Wissen und Kunst revolutionierte.

18:22 Albrecht Dürers Kupferstiche, darunter das berühmte Werk Melancholia 1 aus dem Jahr 1514, zählen bis heute zu den technisch raffiniertesten Druckgrafiken der Kunstgeschichte. Kupfer ermöglichte hier nicht nur technischen Fortschritt, sondern auch künstlerische Tiefe und kulturelle Weitergabe im 18 und 19 Jahrhundert wurde Kupfer zum Material des Industriezeitalters James Watts Dampfmaschinen nutzten Kupferbauteile für Kessel und Leitungen, die Telegrafie, eine der ersten Formen elektrischer Kommunikation, basierte auf Kupferdrähten.

19:04 Samuel Morse und andere Pioniere der Kommunikationstechnologie verdankten ihre Errungenschaften zu einem großen Teil der Verfügbarkeit und Leitfähigkeit des Kupfers. Das erste transatlantische Telegraphenkabel verlegt im Jahr 1858, bestand aus einem Kupferleiter, der in Good Tapertscha eingebettet war. Diese Verbindung zwischen Europa und Amerika verkürzte die Kommunikationszeit von etwa 10 Tagen, der Dauer einer Schiffsreise auf wenige Stunden.

19:37 Es war ein Moment, der die Welt buchstäblich kleiner machte, das Periodensystem, in dem Kupfer seinen festen Platz hat, wurde im Jahr 1869 von Dimitri Mendelejew erstmals in seiner modernen Form veröffentlicht. Damals war Kupfer eines der wenigen Elemente, dessen Eigenschaften bereits gut bekannt waren, und es half Mendelejew dabei, das Konzept der Periodizität zu verstehen. Die Regelmäßigkeit, mit der sich Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Dichte und chemisches Verhalten mit steigender Ordnungszahl wiederholten, offenbarte eine tiefere Ordnung der Materie Kupfer.

20:22 Mit seiner eigenartigen Elektronenkonfiguration war in gewissem Sinne ein Ausreißer, der die Regel bestätigte. Die Natur liebt Ausnahmen, die auf tiefer liegende Prinzipien hinweisen, was die Zukunft betrifft, zeigt Kupfer einmal mehr seine Vielseitigkeit in der Nanotechnologie werden Kupfer Nanopartikel erforscht, die durch ihre antimikrobielle Wirkung in medizinischen Oberflächen.

20:51 Textilien und Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden könnten. In der Elektronik sind Kupfer interconnects, also die hauchdünnen Kupferdrähte, die Transistoren in Mikrochips verbinden, heute so fein, dass sie nur noch wenige Nanometer breit sind. Hier stoßen jedoch physikalische Grenzen an, je dünner die Leiterbahnen, desto größer der spezifische Widerstand durch Streuprozesse an den Oberflächen.

21:21 Was neue Herausforderungen für Chipdesigner darstellt. In der Quantentechnologie spielt Kupfer eine Rolle als Material für Supraleitende Kavitäten und Kühlsysteme in Quantencomputern und in der Kernfusionstechnologie, die als potenziell wichtigste Energiequelle der Menschheit gilt, sind Kupferlegierungen als Strukturwerkstoffe für Reaktorkomponenten im Gespräch. Da sie bei hohen Temperaturen stabile mechanische Eigenschaften behalten.

21:54 Kupfer ist ein Element, das uns in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft begleitet. Es ist das rote Metall, das die Menschheit formte und das sie weiterhin Formen wird in einer Zeit, in der die Weichen für kommende Generationen neu gestellt werden. Es hat Werkzeuge und Waffen geformt. Götter und Herrscher geschmückt, Ströme geleitet und Leben gerettet.

22:20 Es rostet nicht weg ins Nichts, sondern verwandelt sich in Schönheit, es lässt sich immer wieder einschmelzen, neu formen, neu denken. In gewissem Sinne ist Kupfer eine Metapher für das, was Menschen können, Altes aufgreifen, es umschmelzen und etwas neues, Besseres daraus machen. Und das bringt uns zu einem Gedanken, der in diesen Zeiten wichtiger scheint denn je.

22:47 Die Fähigkeit zu recyceln, zu bewahren, zu erneuern. Sie ist nicht nur eine technische Tugend, sie ist eine politische und gesellschaftliche, unsere Erde mit all ihren Ressourcen, ihren Ökosystemen, ihrer Schönheit ist endlich, sie gehört uns nicht allein da, sie gehört allen, die nach uns kommen, sie. Genauso kostbar wie unsere natürlichen Ressourcen sind unsere gesellschaftlichen Errungenschaften. Offene Gesellschaften, freie Meinungsäußerung, demokratische Teilhabe.

23:23 Diese Systeme sind wie Kupfer nicht unverstehbar sie müssen gepflegt, verteidigt und immer wieder neu gedacht werden, Demokratien sind keine Selbstläufer. Sie brauchen Menschen, die sie ernst nehmen, die sie aktiv mitgestalten und die bereit sind, für die Werte einzustehen, auf denen sie beruhen. Die Erde und die Freiheit.

23:49 Beides lohnt es zu schützen. Danke, dass du heute dabei warst, auf dieser Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, wenn dir diese Folge gefallen hat, dann bewerte uns, empfiehl uns weiter und erzähl anderen davon. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen? Vielleicht magst du auch in die Schlafreise durchs Universum oder die Wissensreise durch die Geschichte reinschnuppern.

24:18 Podcast Erlebnisse für neugierige Menschen, die die Welt ein bisschen tiefer und umfassender verstehen möchten, bis zum nächsten Mal.