Kupfer [1]

Kupfer, Cu, Atomgewicht 63,12, ein Metall von charakteristischer Farbe, die verschiedene Nuancierungen zeigt und gewöhnlich »Kupferrot« genannt wird. Metallglanz und körniger (Kupferguß) bis faseriger oder sehniger (Schmiede- oder Walzkupfer) Struktur und hoher Festigkeit und Dehnbarkeit. Durch mechanische Bearbeitung oder plötzlichen Temperaturwechsel hart gewordenes Kupfer läßt sich durch mäßiges Erhitzen (200–300°) wieder geschmeidig erhalten. Seine Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität ist sehr hoch. Bei lebhafter Rotglut ist es, wenn auch schwierig, schweißbar. Kurz vor dem Schmelzen wird es beim Erhitzen so spröde, daß es sich pulverisieren läßt. Schmelzpunkt 1084°, Siedepunkt in der Nähe von 1500°; spez. Gew. 8,8–8,9.

Kupfer besitzt im geschmolzenen Zustande ein großes Lösungsvermögen für einige Gase (Wasserstoff, Kohlenoxyd, Schwefeldioxyd), die es beim Erkalten wieder abgibt; ferner für viele Metalle (Aluminium, Nickel, Kobalt, Zink, Kadmium, Zinn, Blei, Wismut u.a.). In dächten geschmiedeten oder gewalzten Stücken mit glatter Oberfläche hält es sich an der Luft lange unverändert; es ist aber bei gleichzeitiger Gegenwart von Wasser und sauer wirkenden Stoffen unter Bildung basischer Salze (Grünspan) leicht oxydierbar. Patina ist der aus basisch kohlensauerm Kupfer bestehende grüne Ueberzug kupferhaltiger Bronzen (s. Patina). Schon bei schwacher Rotglut überzieht es sich mit Oxydschichten, die aus Gemischen von Oxyd und Oxydul bestehen (Kupferhammerschlag, Glühspan). Dem Schwefel gegenüber entwickelt es eine weit größere chemische Energie als sämtliche übrigen Erzmetalle, für die Kupfergewinnung eine bemerkenswerte Eigenschaft. Auch mit den übrigen Metalloiden, ausgenommen Stickstoff und Kohlenstoff, vereinigt sich Kupfer leicht direkt. Als Lösungsmittel für Kupfer dienen besonders Salpetersäure, konzentrierte Schwefelsäure und Königswasser. Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure lösen Kupfer nur bei Luftzutritt oder bei Gegenwart andrer Oxydationsmittel. Obwohl das Kupfer mit Sauerstoff zwei Verbindungen eingeht, Kupferoxydul Cu₂O und Kupferoxyd CuO, auch mit dem Schwefel ein Sulfür Cu₂S und ein Sulfid CuS bildet, kann[781] es mit Sauerstoffsäuren doch nur eine Reihe von Salzen (Cuprisalze) eingehen. Nur von den Haloidsäuren sind auch sogenannte Oxydul- oder Cuprosalze bekannt. Kupfer zeigt eine große Neigung zur Bildung von basischen Salzen. Von den natürlich vorkommenden kupferführenden Erzen mögen folgende erwähnt sein: Gediegenes Kupfer, Rotkupfererz Cu₂O, Schwarzkupfererz CuO, Kupferkies Cu₂SFe₂S₃, Buntkupfererz (Cu₂S)₃Fe₂S₃, Kupferglanz CuS, Kupiervitriol CuSO₄ · 5H₂O, Malachit (HO)₂ Cu₂CO₃, Kupferlasur (Bergblau) (HO)₂ Cu₃(CO₃)₂. Für die Kupfergewinnung kommen in erster Linie die sulfidischen Erze in Betracht; sie sind die verbreitetsten. Gediegenes Kupfer, die Oxyde und Salze bilden nur ganz vereinzelt die Rohstoffe eines selbständigen Hüttenbetriebes.

1. Die Röst- und Reaktionsarbeit. Der Kupferabscheidung aus den Erzen geht stets eine chemische Aufbereitung oder Anreicherung voraus. Man röstet zu diesem Zweck einen Teil des Schwefels der Erze ab, um bei dem darauffolgenden Schmelzen das Kupfer in einem Doppelsulfide, dem Kupferstein, Lech oder Matte, Cu₂S · xFeS, zu erhalten. Dieses Verfahren wird so oft wiederholt, bis ein zur Kupferabscheidung hinreichend kupferreicher Stein vorliegt. Auch dieser wird wieder so geröstet und gleich darauf oder gleichzeitig so verschmolzen, daß sich die gebildeten Oxyde mit den noch vorhandenen Sulfiden unter Verschlackung des Nichtkupfers (besonders des FeO) zu Metall und Schwefeldioxyd umsetzen. In England, wo dieses Verfahren früher fast ausschließlich in Ausführung stand und von wo es den Namen englischer Prozeß erhalten hat, war die Arbeitsweise folgende: a) Das Rösten der Erze geschieht je nach Umständen in Haufen, Stadeln, Flammöfen, Fortschaufelungsöfen (s. Bd. 2, S. 62), in Stück- und Feinkiesöfen (s. Schwefelsäure), in Revolveröfen. Dieser und andre Oefen mit drehbarem Herde sind in [5] und [7] eingehend beschrieben. Das in diesem Arbeitsstadium erhaltene Röstgut stellt ein Gemisch aus Oxyden und Sulfiden des Kupfers und des Eisens dar. Bei dem nun folgenden b) Steinschmelzen sammelt sich das Kupfer und, soweit der noch vorhandene Schwefel reicht, auch Eisen in dem obenerwähnten Doppelsulfide, Rohstein genannt, an, während der übrige Teil gemeinschaftlich mit andern Oxyden verschlackt wird. Wie sich die Arbeitsweise bei Gegenwart von Nickel ändert, s. unter Nickel. Zur Ausführung des Rohsteinschmelzens dienen einfache Flammöfen mit unten möglichst freiliegendem Herde. Die älteren Oefen sind in [1], [2] und [3], die neueren in [5] und [7] eingehend berücksichtigt. Der bei dieser Arbeit fallende Rohstein ist selten kupferreich genug; es folgt daher jetzt zum Zwecke weiterer Anreicherung das c) Rösten des Rohsteines, bei welcher Arbeit wieder eine zur Kupfersulfürbildung ausreichende Menge Schwefel in dem Röstprodukte zurückbleiben muß. Als Apparate dienen Kilns, rotierende Oefen und vereinzelt auch Fortschaufelungsöfen. d) Ein nochmaliges Steinschmelzen (in Flammöfen) liefert dann meist verarbeitungswürdiges Material, den Konzentrationsstein, von der Ofenzustellung her auch wohl Spurstein genannt. Ergab auch dieses Schmelzen ein unzureichendes Material, so muß das Rösten und Konzentrationssteinschmelzen noch einmal wiederholt werden (Walesprozeß). Dann folgt e) Röst- und Reaktionsarbeit, die sowohl in zwei getrennten Operationen als auch in einem einzigen Durchsetzen der Beschickung, dem Röstreaktionsschmelzen oder kurz Röstschmelzen, ausgeführt wird. Die Apparate sind Flammöfen; die Arbeit selbst ist ein oxydierendes Schmelzen, bei dem sich, wie schon kurz erwähnt, die entstehenden Oxyde mit noch unzersetzten Sulfiden zu Schwefeldioxyd und Rohkupfer (Schwarzkupfer) umsetzen. Fremde Metalloxyde sucht man hierbei nach Möglichkeit durch saure Zuschläge (saures Ofenfutter, Herd) zu verschlacken. An Stelle der alten Methode des Röstschmelzens ist in einigen größeren Werken das Kupferbessemern oder Verblasen getreten. Man arbeitet in diesem Falle nach dem Vorbilde des Bessemerverfahrens, indem man durch den geschmolzenen Kupferstein einen kräftigen Laststrom hindurchpreßt. Die chemischen Vorgänge bleiben dieselben wie bei der alten Arbeit. Nur mußte mit Rücksicht auf die geringe Wärmekapazität und das gute Leitungsvermögen des Kupfers und die daraus resultierenden Uebelstände (Erstarren des ausgeschiedenen Kupfers am Boden des Konverters) die Form der ursprünglichen Bessemerbirne eine Veränderung erfahren. Manhés benutzte horizontal liegende, mit sauerm Futter versehene, nach Art der Revolveröfen drehbar angeordnete Eisenblechzylinder (Manhés Konverter), in denen die Luftzuführungsöffnungen alle in einer horizontalen Mantellinie liegen, so daß die Luft stets oberhalb des Metallspiegels in den geschmolzenen Stein eingeblasen werden kann. (Näheres in [8], S. 160.) Nach dem Röst- und Reaktionsverfahren werden fast nur sulfidische Erze verarbeitet, oxydische können jedoch an Stelle von Röstprodukten mit in den Betrieb eingeführt werden.

2. Die Reduktionsarbeit. Wie bei dem vorhergehenden, so bezieht sich der Name auch dieses Verfahrens nur auf die Schlußarbeit des Schwarzkupferschmelzens. Hier wie dort sind fast ausnahmslos Anreicherungsarbeiten der Erze erforderlich, die sich mit den eben beschriebenen prinzipiell vollständig decken. Die früher in Deutschland und Schweden übliche Arbeitsweise (daher auch der Name deutscher bezw. schwedischer Prozeß) unterschied sich von der jetzigen vorwiegend durch die Apparate und die dadurch wieder bedingte Arbeitsausführung. Die chemische Grundlage des jetzigen Verfahrens ist die alte geblieben. Das deutsche Verfahren setzt sich aus folgenden Arbeiten zusammen: a) Erzrösten, Zweck, Ausführung und Apparate wie beim englischen Verfahren, b) Rohsteinschmelzen, fast ausnahmslos in niedrigen Schachtöfen (6–9 m hoch) ausgeführt, liefert einen Stein mit 35–40% Cu. Die Einrichtung der alten schwedischen oder Sulu-, der Ockerschen und Mansfelder-Oefen ist aus [1]–[5] zu ersehen. c) Rösten des Rohsteines. Apparate: Kilns und Revolveröfen, d) Das Konzentrations- oder Spursteinschmelzen, früher ausschließlich in Schachtöfen, jetzt vielfach in Flammöfen ausgeführt, liefert einen Stein mit 60–70% Cu. e) Totrösten des Spursteines in Kilns oder Revolvern mit darauffolgender Haufenröstung. f) Reduzierendes Verschmelzen des totgerösteten Steines auf Schwarzkupfer in Flammöfen. Dieser Teil der Arbeit wurde bei dem alten deutschen Verfahren in[782] niedrigen, meist als Spuröfen zugestellten Schachtöfen ausgeführt. Ueber dem so erschmolzenen Schwarzkupfer sammelte sich in der Regel eine dünne Schicht eines sehr reichen Kupfersteines an, den man Dünnstein (Feinstein, Dünnlech, Oberlech) nannte und der natürlich wieder in den Betrieb zurückging. Die bei Anwesenheit von andern Metallen, besonders Nickel und Kobalt, erforderlichen Abweichungen von dieser Arbeitsweise s. unter Nickel. – Zur Verarbeitung nach diesem Verfahren eignen sich in erster Linie sulfidische Erze. Bei oxydischen oder salzhaltigen Erzen und Hüttenprodukten (Rotkupfererz, Karbonaten, Silikaten u.s.w.) können die Röstarbeiten unter Umständen in Wegfall kommen, so daß nur ein einfaches reduzierendes Verschmelzen übrigbleibt.

3. Auslaugen des Kupfers aus Erzen und Hüttenprodukten. Liegen Erze vor, die das Kupfer in Form wasserlöslicher Salze (Kupfervitriol) enthalten, so ist der Lösungsvorgang ein sehr einfacher. Auch Oxyde und Karbonate eignen sich unter Umständen für diese Arbeit. Als Lösungsmittel dienen dann Salzsäure, Chloridlösungen oder Schwefelsäure. Aber selbst Erze mit weniger leicht löslichen Kupferverbindungen wird man dann stets auf dem sogenannten nassen Wege zugute zu machen suchen, wenn wegen zu geringen Kupfergehaltes Schmelzprozesse ausgeschlossen sind. Durch Verwitterung, oxydierendes oder chlorierendes Rösten, Behandeln mit als Oxydations- bezw. Chlorierungsmittel bekannten Ferrisalzen (Hunt- und Douglas-Prozeß), Cuprichlorid u.s.w. müssen dann Sulfate oder Chloride (Dötsch-, Dutsch-Prozeß) erzeugt werden, die sich nun durch Wasser oder verdünnte Säuren leicht in Lösung bringen lassen. Aus allen diesen Lösungen fällt man das Kupfer, nötigenfalls nach Ausscheidung andrer Metalle, meist durch Eisenabfälle als Metall (Zementkupfer, Zementieren), ausnahmsweise auch als Sulfid oder Hydrat. Auch edelmetallhaltiges Schwarz- und Garkupfer wurde früher allgemein, jetzt nur da durch Auslaugen verarbeitet, wo die Nachfrage nach Kupfervitriol den Betrieb noch bezahlt. Man granuliert das Kupfer, füllt die Granalien in einen mit Blei ausgelegten Holzbottich, in den unten Luft eintritt, während die Granalien von oben von Zeit zu Zeit mit mäßig verdünnter Schwefelsäure bespült werden, um die sich durch Einwirkung der Luft bildende Oxydschicht zu lösen und mit dem zurückbleibenden Schlamme von Edelmetallen, Bleioxyden und andern unlöslichen Substanzen abzuspülen. Letztere setzen sich am Boden eines die Kupfersulfatlauge ableitenden Gerinnes ab, werden gesammelt, gewaschen, getrocknet und dann beim Treibprozeß (s. Silber) eingetränkt. Die Kupfersulfatlauge wird auf Vitriol verarbeitet. Früher pflegte man dieselbe durch Eisen wieder zu fällen, hat aber heute da, wo man für Kupfervitriol keinen Absatz findet, diese Schwefelsäurelaugerei, auch Affination oder Affinerie genannt, durch die Elektrolyse (s. unten) ersetzt.

4. Raffinationsschmelzen metallführender Erze und Hüttenprodukte. Wenn auch vereinzelt, so kommt doch gediegenes Kupfer in solchen Masten und von solcher Reinheit vor, daß ein einfaches Einschmelzen ein direkt zur Raffination geeignetes Metall liefert. Auch die bisher beschriebenen Hüttenprozesse ergeben, wie schon erwähnt, nur ein Rohmetall, das Schwarz- bezw. Zementkupfer, das direkt nur selten verwendbar ist. Die Verunreinigungen aller dieser Kupfersorten können bestehen aus Silber, Gold, Zink, Blei, Wismut, Kobalt, Nickel, Eisen, Sulfiden, Arseniden, Antimoniden u.s.w. In erster Linie ist die Gegenwart oder Abwesenheit von Edelmetallen von Einfluß auf die Wahl der Raffinierarbeit. Bei Abwesenheit derselben wird man stets mit einem oxydierenden Schmelzen (Spleißen) auf der sauern Sole eines Herdofens oder Gebläseflammofens (Garherd, Spleißofen) beginnen. Die Verunreinigungen werden verschlackt oder verflüchtigt, doch läßt es sich nicht vermeiden, daß gleichzeitig eine gewisse Menge Kupfer ebenfalls oxydiert und nun in Form von Kupferoxydul von dem sonst reinen Metalle gelöst wird. Man nennt diesen Teil der Raffination das Garmachen, das erhaltene Produkt das Garkupfer. Eine besondere Art von Garkupfer ist das Rosettenkupfer, dadurch erhalten, daß man auf das noch in der Herdgrube befindliche, eben gargeblasene flüssige Kupfer ein wenig Wasser gießt und die an der Oberfläche erstarrten Platten (Rosetten) abhebt. Diese bei einem Nickelgehalte des Kupfers früher sehr gebräuchliche Arbeit nennt man das Rosettieren oder Scheibenreißen. Um das für mechanische Verarbeitung absolut ungeeignete Garkupfer hammergar, d.h. zum Schmieden und Walzen geeignet, zu machen, muß das Kupferoxydul entfernt werden. Dies geschieht natürlich am einfachsten durch ein dem Oxydieren folgendes reduzierendes Schmelzen, das man in den Garungsöfen ähnlichen Herd- oder Flammöfen ausführt. Meißens ist für das Gar- und das Hammergarmachen nur ein einziger Ofen vorhanden; man pflegt dann die vereinigten Arbeiten als Raffination, das erhaltene Metall als raffiniertes Kupfer oder Raffinad zu bezeichnen. Geschieht das reduzierende Verschmelzen unter Vermittlung von Baumstämmen, die man in das flüssige Metall eintaucht, so daß die Dissoziationsgase des Holzes durch lebhaftes Aufrühren der Schmelze eine schnelle Reduktion des Kupferoxyduls bewirken, so nennt man diese Arbeit das Polen des Kupfers.

5. Elektrolytische Metallraffination und Elektrolyse. An Stelle der Affination von edelmetallhaltigem Kupfer ist in allen größeren Werken die Elektrolyse getreten. In mit Blei ausgelegte oder sonstwie wasserdicht gemachte Holzbottiche hängt man das von den Edelmetallen und von andern metallischen Verunreinigungen zu scheidende Kupfer in Plattenform ein. Zwischen diese Platten, auch vor und hinter die Endplatten der Reihe, aber isoliert von denselben, hängt man in gleichmäßigen Entfernungen Feinkupferbleche auf; als Elektrolyt (s. Elektrolyse) hält man eine saure, nicht zu verdünnte Kupfervitriollösung in den Bottichen. Verbindet man nun alle die zu raffinierenden Kupferplatten und alle Feinkupferbleche so mit einer Stromquelle (Dynamo), daß erstere als Anoden, letztere als Kathoden in dem Elektrolysierbottiche fungieren, so muß das Kupfer der Anoden in die Lösung übertreten, um an den Kathoden wieder zur Abscheidung zu gelangen. Um brauchbare dichte Kupferniederschläge zu gewinnen, ist besonderer Wert auf die Stromdichte, Konzentration und Zusammensetzung des[783] Elektrolyten zu legen. Als Stromdichte rechnet man 20–40 Ampere auf den Quadratmeter bei 5 cm Elektrodenentfernung. Die Konzentration des Elektrolyten wähle man so, daß in 1 l ca. 150 g konzentrierte Schwefelsäure und 150 g kristallisiertes Kupfersulfat sich befinden. Mit dem Kupfer gehen nun zwar verschiedene Verunreinigungen aus den Anodenplatten in Lösung, z.B. Eisen, Nickel, Kobalt, werden aber bei den für Kupfer zu wählenden Stromdichten und Stromspannungen nicht eher mitgefällt, bis ihre Menge in dem Elektrolyten eine bestimmte Grenze überschritten hat, in welchem Falle der Elektrolyt zu reinigen bezw. auf Kupfervitriol oder Zementkupfer zu verarbeiten ist. Andre Bestandteile des für die Anoden benutzten Kupfers, wie z.B. Gold, Silber, Blei (dieses als Bleisuperoxyd und Sulfat), Kupferoxydul u.s.w., fallen, da sie mit der Auflösung des Kupfers ihren Zusammenhang verlieren, in Pulverform unlöslich zu Boden. Sie bilden den sogenannten Anodenschlamm, der wie der von der Affinerie fallende edelmetallhaltige Schlamm verarbeitet wird. Näheres über den ganzen Betrieb und alle Einrichtungen einer elektrolytischen Kupferraffinerie findet sich in [6] und [13]; s. Elektrometallurgie.

Verwendung des Kupfers. Als solches dient es zur Herstellung einer großen Zahl von Geräten, Apparaten, Maschinenteilen u. dergl. für Haushalt und Technik; besonders als Leitungsmaterial in der Elektrotechnik. Auch das Kunstgewerbe braucht große Mengen Kupfer für Kunstschmiedearbeit und galvanoplastische Erzeugnisse. In der Legiertechnik bildet das Kupfer die Grundsubstanz einer großen Anzahl wichtiger Legierungen (Kupferlegierungen, Bronzen, Messing, Neusilber u. dergl.). Zur Herstellung einiger Kupferverbindungen, z.B. des Kupfervitriols, des Kupferoxydes, des Phosphorkupfers u.a., geht man, soweit dieselben nicht, wie z.B. der Kupfervitriol, als Nebenprodukte im Hüttenbetriebe fallen, ebenfalls von metallischem Kupfer und Abfällen der Kupferwalzwerke und Kupferschmieden aus. Das Kupfer findet in der Technik die meiste Verwendung in Form von Kupferblech (s. Blech), das in Platten bis zu 2,4 m Breite und bis zu 10 m Länge und in Dicken von 1–26 mm handelsüblich ist sowie in Form von Kupferdraht hergestellt wird; s. Drahtfabrikation, Bd. 3, S. 28, und Kupferdrahtherstellung. Die Geschichte des Kupfers fällt fast mit der der Bronze (s.d.) zusammen. Das Kupfer ist aber wohl noch länger bekannt gewesen wie die Bronzen [9]–[11]. Ueber die Kupferhütten und Kupferstatistik s. [12].

Literatur: [1] Kerl, Hüttenkunde, 2. Aufl., Leipzig 1865. – [2] Balling, Metallhüttenkunde, Berlin 1885. – [3] Stölzel, Metallurgie, Braunschweig 1886. – [4] Kerl und Stohmann, Encyklop. Handbuch der Chemie, 4. Aufl., Braunschweig 1895. – [5] Schnabel, Metallhüttenkunde, Bd. 1, Berlin 1894. – [6] Borchers, Elektrometallurgie, 2. Aufl., Braunschweig 1896. – [7] Peters, Modern Copper Smelting, 7. Aufl., New York und London 1895. – [8] Borchers, Anorganische Chemie, Braunschweig 1893. – [9] Zippe, Geschichte der Metalle, Wien 1857. – [10] Bischoff, Das Kupfer und seine Legierungen, Berlin 1863. – [11] Kopp, Geschichte der Chemie, Braunschweig 1843,47. – [12] Rentzsch, Reichsadreßbuch für die Montan-, Metall- und Maschinenindustrie, Berlin und Leipzig 1892. – [13] Fischer, Elektrometallurgie, Leipzig 1904.

Bujard.