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Kupfer-Raffination
zur Gewinnung von Reinkupfer
Elementares Kupfer findet sich in der Natur als Kupfer gediegen in Form von Blechen, bäumchenartigen Formen oder Klumpen. Diese Vorkommen reichen jedoch bei weitem nicht aus, um den Weltbedarf zu decken. Kupfer ist jedoch in vielen Mineralien chemisch gebunden. Die Kupfererze wie Chalkopyrit oder Chalkosin werden bei der Kupferaufbereitung zu Rohkupfer verarbeitet. Dieses besitzt einen Reinheitsgrad von maximal 97%. Dies reicht für viele Anwendungen nicht aus, insbesondere die Elektroindustrie benötigt hochreines Kupfer.




Rohkupfer mit einem Gehalt von 90 - 95%



Bei der schmelzmetallurgischen Raffination wird auf geschmolzenes Rohkupfer unter Zugabe von schlackenbildenden Zusätzen Luft aufgeblasen. Dabei oxidieren bestimmte Metalle, die als Verunreinigung enthalten sind. Die Oxide von Zink, Blei, Arsen oder Antimon verdampfen, die Oxide von Zinn, Eisen, Cobalt oder Nickel verschlacken. Als Ergebnis erhält man Garkupfer mit einer Reinheit von etwa 99%. [Lit 1] 
   
Bei der elektrolytischen Raffination hängt man 3cm dicke Garkupfer-Platten als Anoden in eine Kupfer(II)-sulfatlösung, die mit verdünnter Schwefelsäure angesäuert ist. Dünne Bleche aus Reinkupfer dienen als Kathode. Die Elektrolyse findet in großen Trögen mit vielen, zusammengeschalteten Platten statt. [Lit 5]   
  

Elektrolytische Kupferraffination
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Legt man eine Spannung von 0,2 bis 0,4 Volt an, geht das Garkupfer zusammen mit allen unedleren Metallen an der Anode in Lösung. Die Metall-Atome oxidieren dabei zu Kationen (Cu2+, Zn2+), die in Lösung gehen. Edlere Metalle wie Silber, Platin oder Gold, die ein positiveres Normalpotenzial als Kupfer besitzen, oxidieren nicht und lösen sich auch nicht. Sie fallen als Anodenschlamm an den Boden der Elektrolysezelle. Der Anodenschlamm stellt ein wertvolles Rohmaterial zur Gewinnung von Edelmetallen und von Halbmetallen wie Selen oder Tellur dar. An der Kathode scheidet sich Reinkupfer mit einer Reinheit von etwa 99,95% ab, während die unedleren Metall-Ionen in der Lösung verbleiben.  
  
  
Reaktionsgleichungen 
 
Oxidation an der Anode  Cu (unrein)   Cu2+  +  2 e-
Reduktion an der Kathode  Cu2+  +  2 e-   Cu (rein) 
Gesamtreaktion  Cu (unrein)   Cu (rein) 
 
  
An der Anode wird gleichzeitig auch das Wasser zersetzt (a). Der entstehende Sauerstoff oxidiert das Kupfer schon an der Elektrode zu Kupfer(II)-oxid (b): 
  
a)   2 H2  4 H+  +  O2  + 4 e- 
b)   2 Cu  +  O2   2 CuO 
  
Die zugegebene Schwefelsäure wandelt das unlösliche Kupfer(II)-oxid in lösliches Kupfer(II)-sulfat um. Dadurch können die Ionen erst in Lösung gehen. [Lit 4]


An der Kathode gewonnenes Reinkupfer   


 
 
Für eine Tonne Feinkupfer werden 250 kWh Energie benötigt. [Lit 2 Es kann mehrere Monate dauern, bis die Garkupferplatten aufgelöst sind. Kupfer ist ein wertvoller Rohstoff, der im Recycling wiedergewonnen wird. 80 Prozent von allem jemals geförderten Kupfer ist immer noch im Umlauf. [Lit 6]  Die elektrochemische Raffination eignet sich auch, um andere Metalle wie Zink, Zinn oder Chrom zu reinigen. Hierfür werden die zu reinigenden Metalle in die entsprechende Metallsulfat-Lösung gehängt. [Lit 3]  
  
In einem Schulversuch kann das Prinzip der nassen, elektrochemischen Raffination leicht nachvollzogen werden: Hierzu hängt man ein kupfernes 2-Eurocentstück und eine andere Münze mit einer Kupferlegierung in eine schwefelsaure Kupfer(II)-sulfatlösung. Die Münzen werden vorher gewogen. Dann elektrolysiert man bei einer Spannung von 3 Volt etwa 30 Minuten lang. Nach dem erneuten Wägen lässt sich feststellen, dass die Reinkupfermünze schwerer geworden ist. [leicht abgewandelt nach Lit 4] 
  
  
Literatur 
  
1  Hollemann/Wiberg (2007): Lehrbuch der anorganischen Chemie, Berlin/New York  
2  Binder (1999): Lexikon der chemischen Elemente, Stuttgart/Leipzig  
3  Hamann/Vielstich (2005): Elektrochemie, Weinheim  
4  Prof. Blume (abgerufen 12/2011) auf www.chemieunterricht.de: Kupferraffination 
5  Behr/Agar/Jörissen (2010): Einführung in die Technische Chemie, Heidelberg  
6  Deutsches Kupferinstitut (abgerufen auf www.kupfer-institut.de 1/2012): Kupfer, Vorkommen und Gewinnung 
 
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