Kupfer ist aufgrund seiner Eigenschaften, wie der guten elektrischen Leitfähigkeit, aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch die Verwendung von Kupfer durch uns Menschen reicht lange Zeit zurück. So wurde bei Ötzi, dem Mann aus dem Eis, der ungefähr 3000 Jahre v. Chr. gelebt hat, bereits ein Kupferbeil gefunden (Abb. 1). Durch die Untersuchung von Ötzis Haaren wissen wir, dass seine Haare einen hohen Anteil von giftigem Arsen enthielten. Dies könnte darauf hindeuten, dass Ötzi dem Element Arsen ausgesetzt war, als das Kupfer seines Beils geschmolzen und bearbeitet wurde. Denn kupferhaltige Gesteine enthalten oft als Begleitelement auch Arsen. Heutzutage erfolgt die Herstellung von reinem Kupfer in mehreren Schritten. In diesem Beitrag lernst du den letzten Schritt zur Herstellung von reinem Kupfer kennen. Dabei wird Rohkupfer mit einem Kupfergehalt von 98 % durch eine Elektrolyse gereinigt, sodass Reinkupfer mit einem Kupfergehalt von ca. 99,95 % entsteht. Dieser Schritt wird elektrolytische Raffination genannt.
Elektrolytische Raffination zur Gewinnung von Reinkupfer
Aus dem durch Rösten gewonnenen Rohkupfer werden Anoden gegossen. Diese können in der elektrolytischen Raffination zur Herstellung von Reinkupfer eingesetzt werden (Abb. 2). Die Elektrodenplatte aus Rohkupfer taucht in eine mit Schwefelsäure angesäuerte Kupfersulfat-Lösung. Als Kathode dient eine Elektrode aus Reinkupfer oder auch aus Edelstahl. Es wird bei \(\ce{0,2-0,3}\,{V}\) elektrolysiert.
Abb. 2 Elektrolytische Raffination
Reaktion an der Anode
An der Anode findet die Oxidationsreaktion statt. Kupferatome und unedlere Metallbestandteile der Rohkupfer-Anode, wie z. B. Eisenatome, gehen als positiv geladene Ionen in Lösung. Sie werden oxidiert und geben Elektronen ab. Mit der Zeit baut sich die Rohkupfer-Anode daher ab.
$\ce{Cu -> Cu^2+ + 2e^-}$
$\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e^-}$
In der Rohkupfer-Anode befinden sich zudem Metalle, die edler sind als Kupfer, wie Silber oder Gold. Aufgrund ihres höheren Standardpotentials werden diese nicht oxidiert. Da sich die Rohkupfer-Anode mit der Zeit jedoch löst, fallen die Silber- und Goldbestandteile als Anodenschlamm zu Boden. Der Anodenschlamm wird weiter verwertet und aus ihm können Edelmetalle, wie Silber und Gold, gewonnen werden.
Reaktion an der Kathode
An der Kathode findet die Reduktionsreaktion statt. An der Kathode werden diejenigen Ionen aus der Elektrolyt-Lösung reduziert, die das größte Standardpotential $\ce{E°}$ besitzen (Abb. 3). Daher werden die Kupfer-Ionen aus der Lösung reduziert. Sie nehmen Elektronen auf und scheiden sich als elementares Kupfer, dem sogenannten Elektrolyt-Kupfer, an der Reinkupfer-Kathode bzw. der Edelstahl-Kathode ab.
$\ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu}$
Die unedleren Metall-Ionen, wie beispielsweise Eisen-, Nickel- oder Zink-Ionen bleiben in der Lösung und werden nicht reduziert. Auf diese Weise wird an der Kathode reines Kupfer gewonnen, welches anschließend weiterverarbeitet werden kann.
| Element, dessen Oxidationszahl sich ändert | reduzierte Form | $\ce{<=>}$ | oxidierte Form | Elektronenanzahl | $\ce{E° in V}$ |
|---|---|---|---|---|---|
| Gold | $\ce{Au}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{Au^+}$ | $\ce{+ e^-}$ | $\ce{+ 1,69}$ |
| Sauerstoff | $\ce{2 H_2O}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{O_2 + 4 H^+}$ | $\ce{+ 4 e^-}$ | $\ce{+ 1,23}$ |
| Silber | $\ce{Ag}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{Ag^+}$ | $\ce{+ e^-}$ | $\ce{+ 0,80}$ |
| Kupfer | $\ce{Cu}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{Cu^2+}$ | $\ce{+ 2e^-}$ | $\ce{+ 0,35}$ |
| Eisen | $\ce{Fe}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{Fe^2+}$ | $\ce{+ 2e^-}$ | $\ce{- 0,44}$ |
| Zink | $\ce{Zn}$ | $\ce{<=>}$ | $\ce{Zn^2+}$ | $\ce{+ 2e^-}$ | $\ce{- 0,76}$ |
Abb. 3: Ausschnitt aus der elektrochemischen Spannungsreihe
Elektrolyt
Du könntest dich nun fragen, wieso die Kupfersulfat-Lösung des Elektrolyten mit Schwefelsäure angesäuert werden muss. Dies liegt daran, dass an der Anode nicht nur Metall-Ionen in Lösung gehen, sondern es wird auch Wasser zu elementarem Sauerstoff und Wasserstoff-Ionen oxidiert.
$\ce{2 H_2O -> 4H^+ + O_2 + 4e^-}$
Kupfer kann dann in einer ungewünschten Reaktion mit dem Sauerstoff zu Kupferoxid reagieren.
$\ce{2 Cu + O_2 -> 2 CuO}$
Die Schwefelsäure wird zugesetzt, um diese unerwünschte Bildung von Kupferoxid zu verhindern. Durch die Schwefelsäure wird das Kupferoxid zersetzt, sodass es sich von der Rohkupfer-Anode ablöst und die Kupfer-Ionen in der Lösung gehalten werden.
$\ce{H_2SO_4 + CuO -> CuSO_4 + H_2O}$
Zusammenfassung
Die elektrolytische Raffination ist der letzte Schritt bei der Herstellung von Reinkupfer. In diesem Schritt wird das Rohkupfer, welches zuvor durch Rösten gewonnen wurde, durch eine Elektrolyse gereinigt. Als Nebenprodukt fällt der sogenannte Anodenschlamm an, welcher weiter verwertet und zur Edelmetallgewinnung genutzt werden kann.