Wir Menschen kennen und verarbeiten Kupfer schon sehr lange. Bereits vor 10 000 Jahren gab es Kulturen, die Kupfer verarbeitet haben. Vielleicht ist dir auch die Kupferzeit ein Begriff. Ungefähr im 5. bis 3. Jahrhundert v. Chr. wurden der Kupferbergbau und grundlegende Techniken zur Kupfergewinnung und –verarbeitung entwickelt. In dieser Zeit hatte Kupfer eine große wirtschaftliche Bedeutung, weswegen diese Epoche Kupferzeit genannt wird. In verschiedenen Regionen auf der Erde begann die Kupferverarbeitung zu unterschiedlichen Zeitpunkten, weswegen die Kupferzeit nicht überall gleichzeitig begann und endete (Abb. 1). Heutzutage erfolgt die Herstellung von reinem Kupfer in mehreren Schritten. In diesem Artikel erfährst du, wie das Rösten von Kupfer sowie das Schlackeblasen und Garblasen abläuft. Durch diese Schritte wird aus dem kupferhaltigen Gestein, dem Erz, Rohkupfer mit einem Kupfergehalt von ca. 98% gewonnen.
Rösten von Kupfer
raster: US Environmental Protection Agency vector: Mliu92, Public domain, via Wikimedia Commons
.svg){kind=link}
Vor dem Rösten muss das Erz angereichert werden, das heißt, der Kupfergehalt in dem Gestein wird durch eine Flotation erhöht. Um aus dem angereicherten Erz Rohkupfer zu gewinnen, werden Öfen gebraucht. Heutzutage werden dafür hauptsächlich Schwebeschmelzöfen verwendet. Im ersten Schritt wird in den Schwebeschmelzofen der angereicherte Kupferkies eingebracht (Abb. 2). Hierbei handelt es sich um eine chemische Verbindung aus Kupfer, Eisen und Schwefel $(\ce{CuFeS_2})$. Der Kupferkies wird nun geröstet. Unter Rösten wird in der Metallurgie das Erhitzen von schwefel-, arsen- oder antimonhaltigen Erzen verstanden. Bei dem Erhitzen entstehen sogenannte Röstgase, wie beispielsweise Schwefeldioxid, welche entweichen. Dadurch wird das Erz nach und nach vom Schwefel, Antimon oder Arsen befreit.
Beim Röstprozess in der Kupferherstellung wird der Kupferkies $(\ce{CuFeS_2})$ mit Koks vermengt und erhitzt. Dabei entsteht Kupferstein (Abb. 3), eine Kupfersulfid-Verbindung, welche einen Kupfergehalt von ca. 70% aufweist und darüber hinaus variierende Mengen an Eisensulfid $(\ce{FeS})$ enthält.
$\ce{6 CuFeS_2 + 10 O_2 -> 3 Cu_2S + 2 FeS + 2 Fe_2O_3 + 7 SO_2}$
Die beim Rösten freiwerdenden Eisenoxide werden mit Hilfe von Siliciumdioxid verschlackt.
$\ce{Fe_2O_3 + C + SiO_2 -> Fe_2SiO_4 + CO}$
Die entstehende Eisensilikat-Schlacke hat eine geringere Dichte, sodass sie auf dem Kupferstein schwimmt und abgeführt werden kann.
Schlackeblasen
Der Kupferstein wird weiterverarbeitet, indem der glutflüssige Kupferstein in den Konverter gegossen wird (Abb. 2). Anschließend wird Luft eingeblassen. Beim sogenannten Schlackeblasen wird das im Kupferstein noch enthaltene Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet. Das heißt, das Eisensulfid reagiert mit Sauerstoff zu Eisenoxid und Schwefeldioxid. Gleichermaßen reagiert auch ein Teil des enthaltenen Kupfersulfids mit Sauerstoff zu Kupferoxid und Schwefeldioxid.
$\ce{4 FeS + 7 O2 -> 2 Fe_2O_3 + 4 SO_2}$
$\ce{2 Cu_2S + 3O_2 -> 2 Cu_2O + 2 SO_2}$
Garblasen
Beim anschließenden Garblasen reagieren ungefähr zwei Drittel des enthaltenen Kupfersulfids zu Kupferoxid. Das entstandene Kupferoxid reagiert dann wiederum mit dem restlichen enthaltenen Kupfersulfid und es entstehen Rohkupfer und Schwefeldioxid:
$\ce{Cu2S + 2 Cu_2O -> 6 Cu + SO_2}$
Das Rohkupfer hat nun einen Reinheitsgehalt von ungefähr 98 %. Es wird auch Garkupfer genannt. Die übrigen 2 % des Rohkupfers bestehen sowohl aus unedlen Metallen, wie Zink oder Eisen, als auch aus edlen Metallen, wie Silber oder Gold. Für viele Anwendungsbereiche, wie beispielsweise der Verwendung von Kupfer als Kabel in der Elektroindustrie, reicht der Reinheitsgehalt von Rohkupfer nicht aus.
Damit aus dem Rohkupfer nun Reinkupfer gewonnen werden kann, erfolgt eine elektrolytische Reinigung des Kupfers. Diese erklären wir dir im nächsten Artikel.
Zusammenfassung
Beim Rösten werden schwefel-, arsen- oder antimonhaltige Erze erhitzt. Diese reagieren mit Sauerstoff aus der Luft und es entstehen sogenannte Röstgase (z. B. Schwefeldioxid), welche entweichen und somit entfernt werden. Das Rösten dient also dazu, Verunreinigungen, wie Schwefel, aus dem Erz zu entfernen.
Beim anschließenden Schlackeblasen reagiert das im Kupferstein noch enthaltene Eisensulfid mit Sauerstoff und es entstehen Eisenoxid und Schwefeldioxid. Das gasförmige Schwefeldioxid entweicht. Auch dieser Schritt dient der Entfernung von Schwefelverunreinigungen aus dem Erz.
Danach findet das Garblasen statt. In diesem Schritt reagiert Kupfersulfid zu Kupferoxid, welches weiter reagiert zu Rohkupfer mit einem Reinheitsgehalt von ungefähr 98 %.