Kupfer: Chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29

Es ist ein Übergangsmetall, im Periodensystem steht es in der 4. Periode und der 1. Nebengruppe (nach neuer Zählung Gruppe 11) oder Kupfergruppe. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von (aes) cyprium „Erz von der griechischen Insel Zypern“, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde.

Eigenschaften
[Ar] 3d10 4s1 Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Kupfer, Cu, 29
Elementkategorie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	11, 4, d
Aussehen	rotbraun, metallisch
CAS-Nummer	7440-50-8
EG-Nummer	231-159-6
ECHA-InfoCard	100.028.326
Massenanteil an der Erdhülle	0,01 % (25. Rang)
Atomar
Atommasse	63,546(3) u
Atomradius (berechnet)	135 (145) pm
Kovalenter Radius	132 pm
Van-der-Waals-Radius	140 pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d10 4s1
1. Ionisierungsenergie	7.726380(4) eV ≈ 745.48 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	20.29239(6) eV ≈ 1957.92 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	36.841(12) eV ≈ 3554.6 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	57.38(5) eV ≈ 5536 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	79.8(7) eV ≈ 7700 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	8,96 g/cm³ (20 °C)
Mohshärte	3,0
Magnetismus	diamagnetisch (Χm = −9,6 · 10−6)
Schmelzpunkt	1357,77 K (1084,62 °C)
Siedepunkt	2868 K (2595 °C)
Molares Volumen	7,11 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	305 kJ/mol
Schmelzenthalpie	13,3 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	3570 m·s−1
Spezifische Wärmekapazität	385 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit	4,65 eV
Elektrische Leitfähigkeit	58,1 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	400 W·m−1·K−1
Mechanisch
E-Modul	100…130 GPa
Poissonzahl	0,34
Chemisch
Oxidationszustände	1, 2, 3, 4
Normalpotential	0,340 V (Cu2+ + 2 e− → Cu)
Elektronegativität	1,9 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 61Cu {syn.} 3,333 h ε 2,237 61Ni 62Cu {syn.} 9,74 min ε 3,948 62Ni 63Cu 69,17 % Stabil 64Cu {syn.} 12,7 h ε 1,675 64Ni β− 0,579 64Zn 65Cu 30,83 % Stabil 66Cu {syn.} 5,088 min β− 2,642 66Zn 67Cu {syn.} 61,83 h β− 0,577 67Zn
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin- Quanten- zahl I γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 63Cu 3/2 7,112 · 107 0,065 26,51 65Cu 3/2 7,604 · 107 0,0354 28,40
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 228​‐​410 P: 210​‐​273
MAK	Schweiz: 0,1 mg·m−3 (gemessen als einatembarer Staub)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Darüber hinaus zählt es auch zur Gruppe der Münzmetalle.

Als wichtiges Technologie- bzw. Funktionsmetall gehört Kupfer zu den Halbedelmetallen.

 

Kupfer, Gold, Silber und Zinn waren die ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennenlernte. Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits von den ältesten bekannten Kulturen vor etwa 10.000 Jahren verwendet. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird je nach Region auch Kupferzeit genannt. Auf dem Tall Hujayrat al-Ghuzlan in Jordanien bestand schon um 4.000 v. Chr. eine Massenproduktionsstätte von Kupfer. In der Alchemie wurde Kupfer mit Venus und Weiblichkeit ♀ (Planetenmetalle) assoziiert und als Verbindung von Schwefel und Quecksilber angesehen. Die ersten Spiegel wurden aus diesem Metall hergestellt. Während der späten ostmediterranen Bronzezeit wurde Kupfer vor allem auf Zypern gefördert und von dort in zumeist ca. 30 kg schweren Kupferbarren in Form von Rinderhäuten (sogenannte Ochsenhautbarren) exportiert. Fragmente zyprischer Ochsenhautbarren aus der Zeit zwischen dem 16. und dem 11. Jahrhundert v. Chr. finden sich in weiten Teilen des Mittelmeerraums, bis nach Sardinien, auf dem Balkan und sogar nördlich der Alpen (Depotfund von Oberwilflingen). Größter vorindustrieller Kupferhersteller war das Römische Reich mit einer geschätzten Jahresproduktion von 15.000 t.

Später wurde Kupfer mit Zinn und Bleianteilen zu Bronze legiert. Diese härtere und technisch widerstandsfähigere Legierung wurde zum Namensgeber der Bronzezeit. Die Unterscheidung von Blei und Zinn wurde erst mit wachsenden Metallkenntnissen eingeführt, sodass der Begriff Bronze aus heutiger Sicht nur auf die hochkupferhaltigen Zinn-Kupferlegierungen richtig angewendet ist.

Die goldgelbe Kupfer-Zink-Legierung „Messing“ war bereits im antiken Griechenland bekannt. Es wurde durch gemeinsames Verarbeiten der jeweiligen Erze erschmolzen, aber erst die Römer haben dieses Verfahren verstärkt verwendet. In Altkolumbien wurde die Gold-Kupfer-Legierung Tumbaga häufig verwendet.

Natürliche Vorkommen an gediegen Kupfer, das heißt in seiner elementaren Form, waren bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt. Kupfer ist daher als sogenanntes „grandfathered“ (G) Mineral als eigenständige Mineralart anerkannt. Die ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auch Mineral-Symbol) für Kupfer entspricht dem Elementsymbol „Cu“.

Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Kupfer zusammen mit Aluminium, Blei, Gold, Nickel und Silber unter der System-Nr. „1.AA.05“ (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie – Kupfergruppe) (8. Auflage nach Strunz bzw. nachfolgende Lapis-Systematik nach Weiß: I/A.01) eingeordnet. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.01.03 in der Goldgruppe.

In der Natur bildet sich Kupfer meist in basaltischen Laven entweder in Form von „kupferroten“, metallisch glänzenden Nuggets (aus der Schmelze erstarrt) oder in verzweigten Strukturen, so genannten Dendriten. Gelegentlich sind auch kristalline Ausbildung anzutreffen. Kupfer tritt in Paragenese mit verschiedenen, meist sekundären Kupfermineralen wie Bornit, Chalkosin, Cornwallit, Cuprit, Azurit und Malachit sowie Tenorit auf, kann aber auch mit vielen anderen Mineralen wie Calcit, Klinoklas, Prehnit, Pumpellyit, Quarz und Silber vergesellschaftet sein.

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  Kupfer-Nugget
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  Kupfer-Dendriten
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  Würfelige Kupfer-Kristalle
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  Pseudomorphose von Kupfer nach Aragonit

Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS₂), Chalkosin (Kupferglanz, Cu₂S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu₅FeS₄), Atacamit (CuCl₂·Cu(OH)₂), Malachit (Cu₂[(OH)₂|CO₃]) und anderen Erzen gewonnen. Im Jahre 2019 waren 636 Kupferminerale bekannt. Die Minerale mit der höchsten Kupferkonzentration in der Verbindung sind Cuprit (bis 88,8 %) und Algodonit (bis 83,6 %) sowie Paramelaconit, Tenorit und Chalkosin (bis 79,9 %).

Kupfer kommt in der Erde nach Angaben des Deutschen Kupferinstituts mit einem Gehalt von etwa 0,006 % vor und steht in Bezug auf die Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste an der 23. Stelle. Häufig tritt Kupfer gediegen, das heißt in elementarer Form auf. Weltweit sind aktuell (Stand 2017) über 3000 Fundorte für gediegen Kupfer bekannt, so unter anderem in Afghanistan, Argentinien, Australien, Belgien, Bolivien, Brasilien, Bulgarien, Chile, China, der Demokratischen Republik Kongo, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Indien, im Iran, in Irland, Italien, Japan, Kanada, Kasachstan, Marokko, Mexiko, der Mongolei, Namibia, Neuseeland, Norwegen, Österreich, Peru, den Philippinen, Polen, Portugal, Rumänien, Russland, Sambia, Schweden, der Schweiz, Simbabwe, der Slowakei, Spanien, Südafrika, Tschechien, der Türkei, der Ukraine, Ungarn, den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) und dem Vereinigten Königreich (UK).

Auch in mehreren Gesteinsproben vom Mittelatlantischen Rücken sowie vom Mond, die die Sonde der Luna 24-Mission vom Mare Crisium mitbrachte, konnte gediegen Kupfer nachgewiesen werden.

Förderung und Reserven

Der bedeutendste Kupferproduzent ist Chile, mit großem Abstand gefolgt von Peru und China. In Europa sind Polen, Portugal und Schweden nennenswert. Die wichtigsten Exportländer waren von 1967 bis 1988 in der CIPEC organisiert. Zur CIPEC gehörten unter anderem Chile, Peru und Papua-Neuguinea, auf dessen Insel Bougainville eine der weltgrößten Kupferminen 1988 zu einem Bürgerkrieg führte.

Historisch bedeutsam waren die Kupfergruben auf der Keweenaw-Halbinsel im Oberen See (USA). Dort gab es das weltweit größte Vorkommen von gediegen Kupfer. Abbau fand dort schon in vorkolumbischer Zeit statt. In Deutschland wurde bis 1990 im Mansfelder Land Kupferschiefer abgebaut. Weitere historische Abbaustätten waren Kupferberg/Oberfranken (ab dem 13. Jahrhundert) und das niederschlesische Kupferberg/Riesengebirge (seit dem 12. Jahrhundert). In Cornwall (England) hat es vor allem im 18. und 19. Jahrhundert bedeutenden Kupferbergbau gegeben.

Laut International Copper Study Group ICSG liegen nach Angaben des United States Geological Survey (USGS) die Kupferreserven derzeit bei rund 870 Millionen Tonnen (Mt). Identifizierte und unentdeckte Kupferressourcen werden auf etwa 2.100 Mt bzw. 3.500 Mt geschätzt (insgesamt 5.600 Mt). Letzteres berücksichtigt nicht die riesigen Kupfermengen, die in Tiefseeknollen und landseitigen und submarinen Massivsulfiden sind.

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  Mitgliedsstaaten der CIPEC
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  Entwicklung der Kupferförderung (1900–2012)

Kupfererzeugung in Tausend Tonnen

Land	Abbau 2018	Abbau 2019	Abbau 2020	Abbau 2021	Abbau 2022	Abbau 2023	Raffinerieproduktion 2023	Reserven
Australien  Australien	920	934	885	813	830	810	450	100.000
Chile  Chile	5.800	5.790	5.730	5.620	5.200	5.000	2.000	190.000
China Volksrepublik  Volksrepublik China	1.590	1.680	1.720	1.910	1.900	1.700	12.000	41.000
Deutschland  Deutschland							610
Indonesien  Indonesien	651		505			840	200	24.000
Japan  Japan							1.500
Kanada  Kanada		573	585	550	530	480	310	7.600
Kasachstan  Kasachstan	603	562	552	510	580	600	440	20.000
Kongo Demokratische Republik  Demokratische Republik Kongo	1.200	1.290	1.600	1.740	2.200	2.500	1.900	80.000
Mexiko  Mexiko	760	715	733	734	740	750	480	53.000
Peru  Peru	2.400	2.460	2.150	2.300	2.200	2.600	400	120.000
Polen  Polen		399	393	391	390	400	590	34.000
Russland  Russland	710	801	810	940	1.000	910	1.000	80.000
Sambia  Sambia	870	797	853	842	770	760	380	21.000
Korea Sud  Südkorea							620
Vereinigte Staaten  Vereinigte Staaten	1.200	1.260	1.200	1.230	1.300	1.100	890	50.000
Andere Länder	3.540	3.100	2.840	2.850	3.400	3.100	2.900	180.000
Welt gesamt (gerundet)	20.400	20.400	20.600	21.200	22.000	22.000	27.000	1.000.000

 

Rohkupfer

Die wichtigsten Öfen für die Kupfergewinnung sind der Flammofen und seit 1980 der Schwebeschmelzofen.

Zur Herstellung von Kupfer wird aus Kupferkies (CuFeS₂) zunächst so genannter Kupferstein (Cu₂S mit variierenden Gehalten an FeS und einem Cu-Gehalt von ca. 70 %) gewonnen. Dazu wird das Ausgangsmaterial unter Zusatz von Koks geröstet und die enthaltenen Eisenoxide durch kieselsäurehaltige Zuschlagstoffe verschlackt. Diese Eisensilikat-Schlacke schwimmt auf dem Kupferstein und kann so leicht abgegossen werden.

• Röstarbeit:
${\displaystyle \mathrm {6\ CuFeS_{2}+10\ O_{2}\longrightarrow 3\ Cu_{2}S+2\ FeS+2\ Fe_{2}O_{3}+7\ SO_{2}} }$ 

• Schmelzarbeit:
${\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+C+SiO_{2}\longrightarrow Fe_{2}SiO_{4}+CO} }$ 

Der so erhaltene Kupferstein wird zu Rohkupfer (auch Schwarzkupfer) weiterverarbeitet. Dazu wird er glutflüssig in einen Konverter gegossen und in diese Schmelze Luft eingeblasen. In einer ersten Stufe (Schlackenblasen) wird dabei das darin enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und dieses durch zugeschlagenen Quarz zur Schlacke gebunden, die abgegossen werden kann. In einem zweiten Schritt (Garblasen) werden zwei Drittel des verbleibenden Cu₂S zu Cu₂O oxidiert. Das Oxid setzt sich dann mit dem restlichen Sulfid zum Rohkupfer um.

• Schlackenblasen:
${\displaystyle \mathrm {2\ Cu_{2}S+3\ O_{2}\longrightarrow 2\ Cu_{2}O+2\ SO_{2}} }$ 

• Garblasen:
${\displaystyle \mathrm {Cu_{2}S+2\ Cu_{2}O\longrightarrow 6\ Cu+SO_{2}} }$ 

Das Rohkupfer hat einen Kupferanteil von 98 %. In den restlichen 2 % sind neben unedlen Metallen wie Eisen und Zink auch Edelmetalle wie Silber und Gold enthalten.

Raffination

Die elektrolytische Raffination von Kupfer wird in einer schwefelsäurehaltigen Kupfer(II)-sulfat-Lösung mit einer Rohkupfer-Anode und einer Reinkupfer-Kathode durchgeführt. Bei der Elektrolyse werden nun alle im Vergleich zu Kupfer unedleren Metalle oxidiert und gehen als Kationen in Lösung, während die edleren Metalle als Anodenschlamm absinken.

Reaktionsgleichung der elektrolytischen Raffination:

Anode
${\displaystyle \mathrm {Cu\longrightarrow Cu^{2+}+2\ e^{-}} }$ 
${\displaystyle \mathrm {Fe\longrightarrow Fe^{2+}+2\ e^{-}} }$ 
${\displaystyle \mathrm {Zn\longrightarrow Zn^{2+}+2\ e^{-}} }$ 

Kathode
${\displaystyle \mathrm {Cu^{2+}+2\ e^{-}\longrightarrow Cu} }$ 

Während die Anode sich langsam unter Bildung der Kationen auflöst, scheidet sich an der Kathode durch Reduktion von Kupferionen ausschließlich Kupfer, das Elektrolytkupfer, mit einem Massenanteil von w_(Cu) = 99,99 % ab.

Der als Nebenprodukt entstehende Anodenschlamm wird später weiter verwertet und dient als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der Edelmetalle.

Die Gewinnung von Kupfer erfolgt in Affinerien. In Europa ist dafür die Aurubis AG (früher Norddeutsche Affinerie) mit Hauptsitz in Hamburg bekannt, früher war es auch die Duisburger Kupferhütte (heute DK Recycling und Roheisen).

Kupfer kann auch als so genannter Zementkupfer durch Fällung aus Kupfersulfat-Lösung mit Eisen gewonnen werden. Der Vorgang der Fällung wird Zementation genannt. Das erhaltene Kupfer ist oft verunreinigt. Die Fällung von Kupfer auf Eisen aus natürlich vorkommenden Metallsalz-Lösungen wurde in China bereits seit 1086 n. Chr. praktiziert.

Kupfer kann auch durch eine aluminothermische Reaktion dargestellt werden. Als Thermit dient hierbei ein Gemisch aus Kupfer(II)-oxid und Aluminiumgrieß. Durch den Einsatz eines Fließmittels (zum Beispiel Calciumfluorid) kann die Ausbeute erhöht werden, weil sich die elementaren Metalle im Gegensatz zur entstehenden Schlacke nicht im Fließmittel lösen können. Die aluminothermische Gewinnung ist wegen des dafür nötigen Aluminiums nicht wirtschaftlich.

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  Gerösteter Kupferkies, sogenannter Kupferstein
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  Entkupferung von Erzlösung über Eisenplatten durch Bildung von „Zementkupfer“ (hellrosa)
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  Verwendete Verfahren zur Kupfergewinnung (1930–1995)

Die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit sind wichtige 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 in Form von Kupferlegierungen – seit Jahren genutzt und weiterentwickelt werden. Außerdem verfügt Kupfer über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und ist zu 100 Prozent ohne Qualitätsverluste recycelbar.

Physikalische Eigenschaften

 

 

Aufgrund seiner Dichte von 8920 kg/m³ gehört Kupfer zu den Schwermetallen, das kubisch-flächenzentriert kristallisiert und damit eine kubisch dichteste Kugelpackung mit der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 aufweist. Der Gitterparameter beträgt bei reinem Kupfer 0,3615 nm (entspricht 3,615 Å) bei 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.

Kupfer ist ein sehr guter Wärmeleiter. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1083,4 °C. Ebenso ist Kupfer ein sehr guter elektrischer Leiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 58 · 10⁶ S/m. Seine Leitfähigkeit ist nur wenig schlechter als Silber und deutlich besser als Gold. Da alle im Kupfer gelösten Beimengungen, besonders Verunreinigungen wie Phosphor und Eisen die Leitfähigkeit stark herabsetzen, werden für Leiterwerkstoffe oft höchste Reinheitsgrade verwendet (Cu-ETP, früher E-Kupfer, 99,9 % Reinheit).

Die Mohshärte von Kupfer beträgt 2,5 bis 3, was einer Vickershärte (VHN) von 77–99 bei einer Prüfkraft von 1 N entspricht. Durch Kaltumformung wird die Zugfestigkeit von 150 bis 200 MPa (weich) auf > 350 MPa erhöht. Die Bruchdehnung sinkt dadurch auf unter 5 % mit Härtewerten um 100 HB. Die Leitfähigkeit sinkt. Verformtes und anschließend weichgeglühtes Kupfer hat eine Bruchdehnung > 40 % und Härtewerte um die 50 HB.

Die Weichheit von Kupfer erklärt zum Teil die hohe elektrische Leitfähigkeit und die hohe Wärmeleitfähigkeit, die unter den reinen Metallen bei Raumtemperatur die zweithöchste nach Silber ist. Dies liegt daran, dass der spezifische Widerstand für den Elektronentransport in Metallen bei Raumtemperatur in erster Linie auf der Streuung von Elektronen bei thermischen Schwingungen des Gitters beruht, die in einem weichen Metall relativ schwach sind.

Schmieden ist bei Temperaturen von 700 bis 800 °C sehr gut möglich. Kaltverformung ist ohne Zwischenglühen durchführbar, es tritt Kaltverfestigung ein.

Als blankes Metall hat Kupfer eine hellrote Farbe, die Strichfarbe ist rosarot. Die rote Farbe rührt daher, dass es bei normaler Temperatur das komplementäre grüne und blaue Licht etwas mehr absorbiert.

 

An der Luft läuft es an und wird zunächst rotbraun. Bei weiterer Verwitterung und Korrosion geht sehr langsam (oft über Jahrhunderte) die glatte Oberfläche verloren und die Farbe verändert sich durch die Bildung einer Patina von rotbraun zu blaugrün. Kupfer ist ein beständiger Bauwerkstoff mit einer technischen „Lebenserwartung“ von über 200 Jahren. Diese Beständigkeit beruht auf seiner Fähigkeit, an der Atmosphäre eine witterungsbeständige, festhaftende Schutzschicht auszubilden. Diese Oxidschicht ist in sich stabil und „selbstheilend“. Unabhängig von ihrer Zusammensetzung stellt sie einen Schutz gegen weitere Korrosionsangriffe dar.

Kupfer ist eines der wenigen metallischen Elemente mit einer anderen natürlichen Farbe als Grau oder Silber. Reine Kupferoberflächen sind lachsrot und verfärben sich an der Luft rotbraun. Die charakteristische Farbe von Kupfer ergibt sich aus Interband-Übergängen von im d-Atomorbital vorhandenen Elektronen.

Wie bei anderen Metallen tritt galvanische Korrosion auf, wenn Kupfer in einem Elektrolyten mit einem anderen Metall in Kontakt gebracht wird. Es bildet Lokalelemente, zum Beispiel als Spurenbestandteil in Zink. Als relativ edles Metall in der elektrochemischen Spannungsreihe ist es jedoch meist nicht selbst von der Korrosion betroffen.

Chemische Eigenschaften

Kupfer tritt in den Oxidationsstufen 0, +1, +2, +3 und +4 auf, am häufigsten sind +1 und +2, wobei +2 die stabilste Oxidationsstufe in wässrigen Lösungen ist; Stufe +4 ist extrem selten (beispielsweise in Cs₂CuF₆). Kupfer(II)-Salze (zum Beispiel Kupfersulfat) sind meist von blauer oder grüner Farbe. Kupfer hat chemisch teils ähnliche Eigenschaften wie die in der gleichen Gruppe stehenden Elemente Silber und Gold. So scheidet sich an einem Eisennagel, der in eine Lösung aus Kupfersulfat getaucht wird, eine Schicht aus metallischem Kupfer ab, wofür Eisen als Eisensulfat in Lösung geht, weil Eisen unedler als Kupfer ist (siehe dazu auch Elektrochemische Spannungsreihe). Kupfer wird von Salzsäure normalerweise nicht angegriffen, bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch stark angegriffen, von heißer Schwefelsäure wird es aufgelöst. Es löst sich auch in Salpetersäure und Königswasser auf. Eine Mischung aus Salzsäure oder Schwefelsäure mit Wasserstoffperoxid löst Kupfer sehr schnell auf. Das Metall wird auch von organischen Säuren angegriffen. Gegen Laugen verhält es sich stabil. Bei Rotglut reagiert es mit Sauerstoff und bildet eine dicke Schicht aus Kupferoxid. Kupfer wird von Fluor und seinen Verbindungen passiviert. Abhängig von der Korngröße ist Kupferpulver entzündbar oder brennbar. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar und wird nach Ausbildung einer dünnen Oxidschicht von Luft und Wasser nicht weiter angegriffen, ist also gegen saubere Luft und Wasser beständig.

In flüssigem Kupfer lösen sich Sauerstoff und Wasserstoff, die sich bei der Erstarrung der Schmelze zu Wasserdampf umsetzen können und damit die Ursache für Gasporosität im Gussstück bilden.

In sauerstoffhaltigen Kupfersorten können beim Kontakt mit wasserstoffhaltigen Gasen Risse und Hohlräume entstehen, was zu der sogenannten Wasserstoffversprödung bei Kupfer führt.

Biologische Eigenschaften

Kupfer im menschlichen Körper

Für den menschlichen Organismus ist Kupfer ein essentielles Spurenelement, d. h. der Mensch benötigt Kupfer, um zu überleben. Kupfer beeinflusst als Bestandteil lebenswichtiger Enzyme und Proteine viele Körperfunktionen: Kupfer ist essentiell für das Wachstum von Säuglingen, die Knochenstärke, die Reifung von roten und weißen Blutzellen, den Eisentransport, den Cholesterin- und Glukosestoffwechsel, die Herzmuskelkontraktion und die Entwicklung des Gehirns. Der tägliche Bedarf eines erwachsenen Menschen beträgt 1,0–1,5 Milligramm. Im menschlichen Körper wird Kupfer hauptsächlich in der Leber gespeichert. Gewöhnlich wird der Tagesbedarf eines Erwachsenen durch eine ausgewogene Ernährung mit einem reichlichen Anteil Getreide, Fleisch (vor allem Leber), Wurzelgemüse, Hülsenfrüchten, Nüssen oder auch Schokolade erreicht. Kupfer ist ein natürlich vorkommendes Element, das man in verschiedenen Formen und Konzentrationen in der Erdkruste, den Ozeanen, Seen und Flüssen finden kann. Flora und Fauna haben sich im Rahmen dieses natürlichen Vorhandenseins von Kupfer entwickelt. Daher verfügen die meisten Organismen über einen immanenten Mechanismus zu seiner Nutzung.

Kupfermangel

Kupfermangel tritt beim Menschen selten auf. Da Kupfer insbesondere für den Stoffwechsel von großer Wichtigkeit ist, kann ein Kupfermangel zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. In der Regel wird ein Mangel ausgelöst bei langanhaltenden Durchfällen, frühreifen Kindern, nach einer langanhaltenden Unterernährung oder einer Malabsorption durch Krankheiten wie zum Beispiel Sprue, Morbus Crohn oder Mukoviszidose. Die Einnahme hoher Dosen von Zink, Eisen oder Molybdat kann ebenfalls zu verringerten Kupfermengen im Körper führen. Das Menkes-Syndrom ist eine seltene angeborene Kupferstoffwechselstörung.

Kupferüberschuss und Vergiftung

 

Überschüssiges Kupfer wird mit der Gallenflüssigkeit zur Ausscheidung in das Verdauungssystem abgegeben.

Kupfersulfat (Kupfervitriol) ist ein starkes Brechmittel und wurde deshalb zur Behandlung vieler Vergiftungen eingesetzt, beispielsweise durch weißen Phosphor, was in diesem speziellen Fall auch noch den Vorteil hat, dass gleichzeitig der Phosphor als schwerlösliches Kupferphosphid gebunden wird.

Kupferassozierte Erkrankungen

Morbus Alzheimer

Immer wieder wurde der Zusammenhang zwischen Kupfer und der Entstehung der Alzheimer-Krankheit diskutiert. Bereits 2003 vermuteten Forscher, dass Kupfer die Produktion von Amyloid A bremst und ein Mangel an Kupfer die Alzheimerdemenz fördert. Eine darauf folgende Pilotstudie mit 70 Alzheimer-Patienten konnte jedoch keine protektive Wirkung von einer erhöhten Kupfer-Einnahme zeigen, auch wenn es zu einer Stabilisierung im Abfall von Aβ42 im Liquor kam, einem Krankheitsmarker der Alzheimer-Erkrankung.

Andere Studien zeigten, dass Kupfer für das Gehirn schädlich sein könnte. So zeigte eine Studie mit dem Ionophor PBT2 als Wirkstoff gegen Alzheimer gute Ergebnisse in einer Phase-II-Studie. Der Wirkstoff bindet nicht nur Zink, sondern auch Kupfer und verringert somit die Konzentration von Kupfer im Gehirn.

Eine neue Studie zeigt, dass Kupfer sich bei langfristiger hoher Zufuhr in den Hirnkapillaren ablagert und dort die Blut-Hirn-Schranke schädigen kann. Dadurch wird der Abtransport von Beta-Amyloid behindert, die Akkumulation des Stoffes verursacht dann den Morbus Alzheimer.

Morbus Wilson

Bei der seltenen Erbkrankheit Morbus Wilson ist die Kupferausscheidung beeinträchtigt und es kommt zu vermehrter Kupferanlagerung, zuerst in der Leber, dann, wenn diese das Kupfer in den Blutkreislauf ausscheidet, auch in anderen Organen. Eine weitere seltene Erkrankung des Kupferstoffwechsels ist das Menkes-Syndrom. Dabei kann das Kupfer von den Zellen zwar aufgenommen, dann aber nicht mehr geordnet weitertransportiert werden, so dass einige Organe einen erhöhten, andere wiederum einen erniedrigten Kupfergehalt aufweisen.

Parkinson-Syndrom

Als erstes Anzeichen wurden bei Parkinson-Patienten fehlerhaft gefaltete Proteine im Gehirn nachgewiesen, speziell nimmt alpha-Synuclein eine abnormale Gestalt in Form von „Ringen“ an und ist an mehreren molekularen Prozessen bei der Parkinson-Entstehung beteiligt. In vitro beschleunigen hohe Konzentrationen an Kupfer den fortschreitenden Aggregationsprozess. Zudem wird diese Ringbildung durch Kupfer verursacht. Infolgedessen steht es in Verdacht, das Krankheitsgeschehen auch auslösen zu können.

Antimikrobielle Eigenschaften

Kupfer ist für viele Mikroorganismen (Viren, Keime) bereits in geringen Konzentrationen toxisch. Aufgrund der antimikrobiellen Eigenschaft von Kupfer wird das Material zum Beispiel in Krankenhäusern in Großversuchen eingesetzt. So belegt eine klinische Studie von 2008/2009, dass in der Asklepios Klinik Wandsbek, Hamburg, nach dem Austausch von 50 Türgriffen/-platten und Lichtschaltern die MRSA-Keime auf 63 % reduziert wurden. Eine Studie aus Chile stellte bei einer Luftfeuchte von 7,2 bis 19,7 % eine Reduktion der Keimzahlen auf Gegenständen aus Kupferlegierungen um bis zu 92 % fest. Eine Multicenter-Studie von 2010/2011 aus den USA belegt, dass die Infektionsrate in „Kupferzimmern“ um annähernd 60 % sinkt, auf den Kupfergegenständen reduzierte sich die Keimzahl um über 80 %. 2013 tauschte die Klinik für Kinder- und Jugendmedizin im Klinikum Niederberg, Nordrhein-Westfalen, ihre Türklinken gegen solche aus Kupferlegierungen um. Legierungen mit über 60 % Kupferanteil seien vonnöten. In den USA laufen weitere Versuche mit verschiedenen Kupferanwendungen.

Experimente legen nahe, dass die Kontaktabtötung durch einen Mechanismus abläuft, bei dem der Metall-Bakterien-Kontakt die Zellhülle schädigt, was wiederum die Zellen anfällig für weitere Schäden durch Kupfer macht. Aktuell befinden sich drei Experimente der Arbeitsgruppe auf der Raumstation ISS und es sind weitere geplant.

Die keimreduzierende Wirkung entsteht genauer gesagt dadurch, dass Kupferionen sich an Thiolgruppen von Proteinen binden und Lipide der Zellmembran peroxidieren, was zur Bildung von freien Radikalen führt, welche die DNA und Zellmembranen schädigen. Beim Menschen führt das beispielsweise im Fall von Morbus Wilson (Kupferspeicherkrankheit) zu Schädigungen der Organe mit einem hohen Kupferüberschuss.

Kupferlegierungen mit einem Kupferanteil von mindestens 60 % zeigen auch eine toxische Wirkung gegenüber Noroviren.

Wirkung gegen Schnecken

Durch den Schneckenschleim wird das Kupfer im Kupferdraht oder Kupferfolie oxidiert, die als Barriere zu gefährdeten Pflanzen dient. Dadurch entsteht eine reizende Substanz, die die Schnecke daran hindert, weiter zu kriechen.

 

 

 

Kupfer wird rein oder als Legierung insbesondere aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, aber auch wegen der ausgezeichneten Verarbeitbarkeit und Langlebigkeit in einer Vielzahl von Anwendungen und in vielen verschiedenen Industrien wie im Automobil- oder Maschinenbau eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind inzwischen auch erneuerbare Energien (Stichwort: Green Building). Dazu gehören aber auch Bereiche wie Telekommunikation, Architektur, konventionelle Energien, Sanitärinstallation, Heizung, Verkehr, maritime Anwendungen, Elektrotechnik (zum Beispiel Elektroinstallation) , Präzisionsteile, Münzen, Essbesteck, Kunstgegenstände, Musikinstrumente und vieles mehr.

Wird Kupfer in Kontakt mit anderen Metallen eingesetzt, führt dies bei diesen bei Feuchtigkeitseinfluss zu Kontaktkorrosion.

Nach Silber besitzt Kupfer noch vor Gold die zweithöchste elektrische Leitfähigkeit aller Stoffe und wird daher u. a. eingesetzt für:

• elektrische Leitungen, Schaltdrähte und Stromkabel geringen Querschnitts, Oberleitungen
• Leiterbahnen auf Leiterplatten und teilweise in integrierten Schaltkreisen
• Elektrische Maschinen: Drahtwicklungen in Transformatoren, Drosseln/Spulen und Elektromotoren
• Bauteile: Anodenkörper von Magnetrons, Klemmen, Bauteilanschlussbeine, Kontaktträger, Presshülsen

Aluminium ist zwar billiger und auf die Masse pro Länge bezogen ein besserer elektrischer Leiter als Kupfer. Es ist aber voluminöser. U. a. deshalb und auch weil Kupfer besser kontaktiert werden kann und es eine höhere Biegewechselbeständigkeit hat, wird es als Stromleiter gegenüber Aluminium meist bevorzugt, außer wenn es auf das Gewicht oder den Preis ankommt.

Drähte und Litzen aus sogenanntem Oxygen Free Copper (OFC, englisch für Sauerstoff-freies Kupfer mit einer Reinheit von > 99,99 %) haben ein sehr feinkörniges Kristallgefüge und eine besonders hohe Ermüdungsbruchfestigkeit. Sie werden für mechanisch hochbeanspruchte Kabel und Leitungen eingesetzt.

Für Oberleitungen werden Legierungen von Kupfer und Magnesium verwendet. Dabei muss ein Kompromiss zwischen steigender Zugfestigkeit und sinkender Leitfähigkeit gefunden werden.

Kupfer besitzt ein hohes Reflexionsvermögen im Infrarotbereich und wird daher als Spiegel für Kohlendioxidlaser-Strahlen und zur Glasbeschichtung (Isolierglas) eingesetzt.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eignet es sich gut als Material für Wärmetauscher, Kühlkörper und Montageplatten von Leistungshalbleitern. In der Gastronomie wird es oft als Kochgeschirr eingesetzt.

Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. In der bildenden Kunst wird Kupfer bis heute zur Fertigung von Druckplatten für Kupferstiche und Radierungen verwendet.

Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina bildet, die aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden bzw. Kupfercarbonaten besteht. Diese oft fälschlich auch als „Grünspan“ (siehe Kupfer(II)-acetat) bezeichnete Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, sodass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können. Kupfernägel finden beim traditionellen Schieferdach Verwendung. Zunehmend wird Kupfer auch aus ästhetischen Gründen für Dächer und Fassaden eingesetzt.

Kupfer ist auch Bestandteil von mehr als 400 Legierungen wie zum Beispiel Messing (mit Zink), Bronze (mit Zinn) und Neusilber (mit Zink und Nickel). Diese Kupferlegierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaften, wie Farbe, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit gerne vielfältig eingesetzt. Man unterscheidet Knetlegierungen (Messing und Neusilber) und Gusswerkstoffe (Rotguss, Bronzen): Knetlegierungen werden durch plastisches Umformen (Warmumformen: Walzen, Schmieden usw. oder Kaltumformen: Drahtziehen, Hämmern, Kaltwalzen, Tiefziehen usw.) in die gewünschte Form gebracht, während Gusswerkstoffe meist nur schwer oder gar nicht plastisch formbar sind.

Je nach Nickelzusatz verschwindet die kupfereigene Farbe und es entstehen gelbliche bis weiße korrosionsfeste Legierungen (Kupfernickel).

Viele Münzwerkstoffe sind auf Kupferbasis hergestellt, so ist das „Nordisches Gold“ genannte Metall der goldfarbigen Teile der Euromünzen eine Kupfer-Zink-Aluminium-Zinn-Legierung. Die Münzmetalle der bis 2001 gültigen 1-DM-Geldstücke sowie die hellen Anteile der Euromünzen bestehen aus Kupfernickel-Legierungen.

Kupferverbindungen kommen in Farbpigmenten, als Toner, in medizinischen Präparaten und galvanischen Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz.

 

Eine Übersicht über die verschiedenen Legierungsfamilien gibt der Kupferstammbaum des Deutschen Kupferinstituts.

 

Kupfer färbt die Boraxperle in der oxidierenden Flammenzone blau bis blau-grün, in der reduzierenden Flammenzone ist keine Färbung bemerkbar bzw. wird die Perle rot bis rotbraun gefärbt. Im klassischen Kationentrennungsgang wird Kupfer in der Schwefelwasserstoff-Gruppe gefällt und dort in der Kupfergruppe als blauer Komplex nachgewiesen. Letztere Färbung beruht darauf, dass Lösungen von Kupfer(II)-Ionen mit Ammoniak einen tiefblauen Kupfertetramminkomplex, [Cu(NH₃)₄]²⁺, bilden (siehe auch Komplexbildungsreaktion).

Eine Kaliumhexacyanidoferrat(II)-Lösung fällt Kupfer(II)-Ionen als Kupfer(II)-hexacyanoferrat(II), Cu₂[Fe(CN)₆]. Diese Nachweisreaktion ist sehr empfindlich, d. h., sie zeigt auch geringe Kupfermengen an.

Kupfersalze färben die Flamme (Bunsenbrennerflamme) grün bis blau (Flammenfärbung, Spektralanalyse).

Die quantitative Bestimmung kann durch Elektrogravimetrie an einer Platinnetzkathode aus einer schwefelsauren Kupfer(II)-haltigen Lösung erfolgen. Maßanalytisch kann Kupfer durch Iodometrie oder Komplexometrie (Titration mit Titriplex/Komplexon III mit Indikator Murexid) bestimmt werden. Im Spurenbereich steht die Differenzpulspolarographie zur Verfügung (Halbstufenpotential −0,62 V gegen SCE in 1 M Thiocyanat-Lösung). Ultraspuren an Kupfer bestimmt man mittels Inversvoltammetrie, Graphitrohr-AAS oder ICP-MS.

Kupfer(II)-Ionen bilden mit Cuprizon (Oxalsäurebiscyclohexylidenhydrazid) in schwach alkalischer Lösung einen blauen Komplex.

Oxide und Hydroxide

 

Kupfer(I)-oxid ist rötlich und besitzt eine kubische Kristallstruktur mit der Raumgruppe Pn3m (Raumgruppen-Nr. 224)Vorlage:Raumgruppe/224. Es wird als Pigment in Glas, Keramik, Email, Porzellanlasur sowie als optisches Glaspoliermittel, Insektizid, Katalysator für die Ammoniakherstellung, Lösungsmittel für Chromeisenerze, in galvanischen Elektroden, in der Pyrotechnik, Wolkenbildung, Korrosionsinhibitoren, Galvanisierverfahren, Elektronik, Textilien, als Flammschutzmittel, Kraftstoffadditiv, Katalysator zur Schadstoffbekämpfung, zum Drucken und Fotokopieren und als Holzschutzmittel verwendet.

Kupfer(II)-oxid ist ein schwarzer, amorpher oder kristalliner Feststoff und bildet eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe C2/c (Raumgruppen-Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15. Es wird in der Keramikindustrie verwendet, um Gläser, Glasuren und Emails blau, grün oder rot zu färben. Es wird gelegentlich zur Einarbeitung in Mineralstoffzusätze zur Absicherung gegen Kupfermangel in der Tierernährung eingesetzt. Zu seinen weiteren Anwendungen gehört die Aufbereitung von Lösungen für die Zellstoffindustrie.

Kupfer(II)-hydroxid ist blau und wird zur Herstellung von Zellstoff, Batterieelektroden und anderen Kupfersalzen verwendet. Es wird als Beizmittel beim Färben, als Pigment- und Futtermittelzusatz, bei der Behandlung der Lagerfäule bei Preiselbeeren und als Fungizid gegen bakterielle Schwachstellen bei Salat, Pfirsichen, Preiselbeeren und Walnüssen verwendet.

Halogenide

Kupfer(II)-chlorid ist ein braunes, stark hygroskopisches Pulver. Es wird als Katalysator für organische und anorganische Reaktionen, Beizmittel zum Färben und Bedrucken von Textilien, Pigment für Glas und Keramik, Holzschutzmittel, Desinfektionsmittel, Insektizid, Fungizid und Herbizid sowie als Katalysator bei der Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff verwendet. Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat (CuCl₂ · 2 H₂O) ist ein blaugrüner Feststoff.

Kupfer(I)-chlorid ist weiß und besitzt eine Kristallstruktur vom Zinkblende-Typ mit der Raumgruppe F43m (Raumgruppen-Nr. 216)Vorlage:Raumgruppe/216. Es wird als Katalysator für viele organische Reaktionen verwendet. Ammoniaklösungen von Kupfer(I)-chlorid werden zur Reinigung von Gasen von Kohlenstoffmonoxid eingesetzt.

Weitere anorganische Verbindungen

 

Kupfersulfat kommt in der Natur als Chalkanthit (Kupfersulfat-Pentahydrat, Cu[SO₄] · 5H₂O) und als Boothit (Kupfersulfat-Heptahydrat, Cu[SO₄] · 7H₂O) vor. Es dient zum Konservieren von Häuten, zum Gerben von Leder, zur Herstellung von Kupfersalzen, zum Konservieren von Zellstoffholz und gemahlenem Zellstoff, zur Bekämpfung des Algenwachstums in Stillgewässern. Außerdem wird es in Galvaniklösungen, Wasch- und Metallmarkierungsfarben, Erdölraffinerien, in der Pyrotechnik und für viele andere industrielle Anwendungen eingesetzt.

Organische Verbindungen

 

Kupfer(II)-acetat (Grünspan) bildet dunkelgrüne Kristalle. Es wird als Fungizid, Katalysator für organische Reaktionen, Pigment für Keramiken, Insektizid, Schimmelschutzmittel, Konservierungsmittel für Cellulosematerialien, Stabilisator für Polyurethane und Nylons, Korrosionsschutzmittel und Kraftstoffadditiv verwendet.

 

Kupfer ist ein relativ teures Metall. Sein Preis entsteht maßgeblich an den großen Rohstoffbörsen und Warenterminbörsen der Welt. Führend im Kupferhandel ist die London Metal Exchange (LME).

Der Weltmarktpreis für Kupfer unterliegt starken Schwankungen: Eine der größten Schwankungen erfuhr er im Jahr 2008, als der Preis für Kupfer am 2. Juli an der LME noch zum zwischenzeitlichen Höchststand von 8.940 USD/t gehandelt wurde und bis zum 23. Dezember 2008 auf seinen 10-Jahres-Tiefststand von 2.825 USD fiel. Danach erholte sich der Kupferpreis in weniger als 4 Monaten bis zum 15. April 2009 wieder bis auf 4.860 USD/t. Seinen 10-Jahres-Höchststand hatte der Kupferpreis am 14. Februar 2011 mit 10.180 USD/t.

Von März 2012 bis März 2013 stieg der Kupferpreis in der Spitze am 2. April 2012 bis auf 8.619,75 USD und am 2. August 2012 bis auf 7.288,25 USD. Eine ähnliche Spannweite zeigte sich auch von Oktober 2012 bis März 2013 zwischen 8.350 USD/t und 7.577 USD/t.

Im August 2014 lag der Weltmarktpreis für Kupfer bei etwa 7.000 USD/t. Dies waren nach damaligem Wechselkurs 6.584 EUR/t.

Der hohe Kupferpreis bedingt auch einen Anstieg der Diebstähle von kupferhaltigen Gegenständen. Besonders betroffen sind hier Erdungskabel von Eisenbahnen. Beispielsweise entstanden der Deutschen Bahn AG im Jahr 2015 rund 14 Mio. Euro Schaden.

Einer der größten Finanzskandale der neueren Geschichte ist die Sumitomo-Affäre. Sie beruhte auf dem Handel mit Kupfer. In Folge der Aufdeckung sank 1996 der Kupferpreis innerhalb eines Tages um 27 %.

• Kupferschmied
• Kupfermühle (Hüttenwerk)

• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3. 
• J. W. Howard: The story of copper. In: Journal of Chemical Education. Band 6, Nr. 3, 1929, S. 413–431, doi:10.1021/ed006p413 (booksc.org [PDF]). 

 

Commons: Kupfer – Album mit Bildern und Videos

 Wiktionary: Kupfer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Kupfer – Lern- und Lehrmaterialien

• Literatur von und über Kupfer im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Mineralienatlas:Kupfer (Daten), Mineralienatlas:Mineralienportrait/Kupfer (Geschichte, Verhüttung etc.)
• Deutschlandfunk, Das Feature, 18. Juli 2017, Michael Faulmüller: Kupfer – Element der Zwietracht: Eine Geschichte vom ewigen Kampf
• kupfer-institut.de (Deutsches Kupferinstitut DKI)
• London Metal Exchange: lme.com: Kupferpreis
• Aufnahme von Kupfer: In Spuren lebensnotwendig, in größeren Mengen riskant – Fragen und Antworten vom Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR). 2. November 2023, abgerufen am 3. November 2023.