Cu/Koper

Naam

De naam koper is afgeleid van het Latijnse woord cyprium, later verkort tot cuprum. Het vindt zijn oorsprong in de voor­naam­ste vindplaats van kopererts: het eiland Cyprus.

Koper heeft van alle elementen de langste geschiedenis.  De oudst bekende koperen voorwerpen zijn onge­veer elfduizend jaar oude kralen uit het noorden van Irak. Ze zijn gemaakt van vrijwel zuiver koper, dat in metallische toestand in de natuur werd aange­troffen.

Ontdekking

Zevenduizend jaar geleden werd koper uit ertsen gewonnen in het gebied van Israël tot de Perzische Golf (het noorden van de zogeheten Vrucht­bare Halve Maan). De oude Egyptenaren hadden hun kopermijnen in het gebied van de huidige Negev-woestijn. In Iran zijn zesduizend jaar oude potten gevonden waarin koper gesmolten werd.

De kopertijd is het historisch tijdperk tussen 5500 – 3300 v.Chr.; het is het laatste deel van het neolithicum (de nieuwe steentijd).

Koper was een bekend en veel gebruikt metaal, vooral voor het maken van wapens. Het diende ook ter vervanging van goud vanwege de vergelijkbare glans. Het bewerken van koper (en ijzer) was belangrijk; er was een ‘gilde’ van smeden (vgl. Genesis 4 : 22 : ‘en Zilla baarde ook Tubal-Kaïn, de smeder van allerlei snijwerktuigen van koper en ijzer’. Tubal-Kaïn geldt als de ‘vader of leer­meester der sme­den’).

De oudste Europese kopermijnen zijn ongeveer zesduizend jaar oud. Ze liggen bij de Servische stad Niš). Ook in Helgoland (Noord-Duitsland) zijn zeer oude sporen van de verwerking van koper gevonden. In de dertiende tot vijftiende eeuw werd ook in de Maasvallei bij Dinant (in het huidige België) koper en brons geproduceerd.

Voorkomen

Koper is het 26^e element in voorkomen in de aardkorst. Het heeft een aandeel van 0,0060% op basis van gewicht. Het is zowel in metallische (gedegen) vorm aanwezig, als in verbindingen.

Ook in meteorieten en op de zon is de aanwezigheid van koper aangetoond.

Het menselijk lichaam bevat ongeveer een duizendste procent (ca. 60 mg) koper. Het is een essentieel element voor onder andere de inbouw van ijzer in hemoglobine, botvorming en het activeren van enzymen).

De verschei­denheid aan koper­mineralen is groot. De belang­rijkste zijn:

Winning

De belangrijkste wingebieden voor koperhoudende ertsen (met name borniet en koperkies) liggen in Chili, de Verenigde Staten van Amerika (Arizona, Utah, Rocky­ Mountains), Rusland (Petsamo, Oeral), Kazachstan, Canada (Sudbury), Democratische Republiek Congo, Polen, China, Peru, Mexico, Australië, Papoea-Nieuw-Guinea, de Filipijnen, Zuid-Afrika, Zambia en Japan. Gedegen (metallisch) koper komt voornamelijk voor in de Verenigde Staten van Amerika en Rusland (Oeral). De EU heeft met de Critical Raw Materials Act in 2022 het element koper op de lijst van schaarse en strategische grondstoffen gezet.

Bereiding

Vroeger

Het vroegste koper werd bereid door koperhoudende ertsen of minera­len te verhitten met houtskool, bijvoorbeeld:

$\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \to \mathrm{Cu} + \mathrm{CO}$

SONY DSC

Tegenwoordig

De bereidingswijze van koper is afhankelijk van het soort mineraal of erts waaruit het metaal wordt geïsoleerd. Overigens wordt een belangrijk deel van de wereldbehoefte aan koper (ongeveer 40%) gedekt door recy­cling van gebruikt koper. In volume is koper de derde belangrijkste metaalindustrie, na ijzer en aluminium.

De meest gebruikte, sulfidehoudende ertsen zoals koperkies, borniet en chalcosiet bevatten weinig koper (ongeveer 1%). Via uitgekiende voorbewerkingen weet men het zodanig te concentreren dat het kopergehalte 20-45% bedraagt. Dit bewerkte erts wordt eerst geroost: onder verhitten en inblazen van lucht wordt een deel van het aanwezige sulfide omgezet in het oxide. Het vrijkomende zwaveldioxide dient voor de productie van zwavelzuur. Daarna wordt het erts in een tweede oven verhit tot de meeste verbin­dingen smelten (rond 900 °­C). Vervolgens blaast men zuurstof (lucht) in voor de verwijdering van het laatste zwavel en voegt men zand toe voor de binding van ijzer en enkele andere verontreinigingen:

$4 {\mathrm{CuFeS}}_2 + 5 {\mathrm{O}}_2 + 2 {\mathrm{SiO}}_2 \to 2 {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{S}.\mathrm{FeS} + 2 {\mathrm{FeSiO}}_3 + 4 {\mathrm{SO}}_2$

Het ijzersilicaat komt in de slak (het op de smelt drijvende oxidenmengsel). Het is gemakkelijk te verwijderen.

De laatste handelingen worden herhaald in een derde oven, de converter, maar nu bij hoge tempera­tuur (circa 1.400 °C). Het ijzergehalte wordt zo teruggebracht tot minder dan 1% en het resterende kopersulfide wordt omgezet in koper(I)oxide:

$2 {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{S} + 3 {\mathrm{O}}_2 \to 2 {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O} + 2 {\mathrm{SO}}_2$

Dit koperoxide wordt omgezet in koper via reactie met het aanwezi­ge koper(I)sulfide:

$2 {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{S} \to 6 \mathrm{Cu} + {\mathrm{SO}}_2$

In sommige gevallen worden de koperverbindingen gere­du­ceerd met kool­stof/kool­monoxide of water­stof.

Het gevormde koper is voor ongeveer 98% zuiver. Het is verder te zuiveren door het als anode te ge­brui­ken bij de elektrolyse van een kopersul­faatoplossing. Aan de kathode wordt dan zeer zuiver koper gevormd (meer dan 99,95% zuiver). Uit het anodeslib zijn andere metalen te winnen (zilver, goud, metalen van de platina-groep, molybdeen, kobalt, nikkel, seleen en telluur).

In plaats van bovenstaande methode kunnen de mineralen ook bewerkt worden met zwavelzuur, ijzer(II)sulfaat of ammonia. Uit de verkregen verbindingen wordt het metaal gewonnen door elektro­lyse. Ook kan ijzer(afval) of zinkpoeder wor­den toege­voegd, waardoor het koper neerslaat.

Een nieuwe methode, die momenteel wordt onderzocht, is het vrijmaken van koper uit ertsen met behulp van bacteriën.