Kupari

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
NikkeliKupariSinkki
-

Cu

Ag  
 
 
Cu-TableImage.png
Yleistä
Nimi Kupari
Tunnus Cu
Järjestysluku 29
Luokka Metalli
Lohko d-lohko
Ryhmä 11
Jakso 4
Tiheys 8,96×103 kg/m3
Kovuus 3,0 (Mohsin asteikko)
Väri metallisen ruskea
Löytövuosi, löytäjä esihistoriallinen, -
Atomiominaisuudet
Atomipaino 63,546[1] amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 135 pm
Kovalenttisäde 138 pm
Van der Waalsin säde 140 pm
Orbitaalirakenne [Ar] 3d104s1
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 1
Hapetusluvut +II, +I
Kiderakenne pintakeskinen kuutiollinen hila (pkk)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 1357,7 K (1084,62 °C)
Kiehumispiste 2835 K (2562 °C)
Höyrystymislämpö 300,4 kJ/mol
Sulamislämpö 13,26 kJ/mol
Höyrynpaine - Pa K:ssa
Äänen nopeus 3810 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus 1,90 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,385 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus 59,526·106 S/m
Lämmönjohtavuus 401 W/(m×K)
CAS-numero 7440-50-8
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Kupari, vanhalta suomalaiselta nimeltään vaski, on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Cu (lat. cuprum) ja se kuuluu metallien ryhmään. Kemiallisen määritelmän mukaan se on jalometalli, mutta tavanomaisessa kielenkäytössä sitä ei sellaisena pidetä. Kuparin CAS-numero on 7440-50-8.[2] Kupari on punaruskeaa, venyvää, pehmeää ja sitkeää metallia. Maankuoressa kuparia on keskimäärin noin 0,07 promillea eli 70 grammaa tonnissa.

Jatkuvavalettu kuparilevy (puhtaus 99,95 %, etsattu, halkaisija 83 mm)


Kupari-nimitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

On epäselvää, onko kupari saanut nimensä sanoista Cyprium aes, Kyproksen metalli, tai päinvastoin, onko Kyproksen saari Kupros saanut nimensä tästä metallista, jota esiintyy saarella runsaasti.[3]

Kuparin symboli alkemiassa eli Venus-symboli

Elimistön kupari[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kupari on ravitsemuksellinen hivenaine. Kuparia tarvitaan elimistön entsyymituotantoon. Ilman kuparia ei muodostu ultraviolettisäteiltä elimistöä suojaavaa ihopigmenttiä eikä hapettumista ehkäiseviä antioksidanttientsyymejä.[4] Kuparin yhdisteitä käytetään sieni- ja bakteerimyrkkyinä.

Kupari on hivenaine, jota on esimerkiksi perunoissa noin 2 mg/kg. Hyviä kuparin lähteitä ravinnossa ovat muun muassa maksa ja sisäelimet, täysjyväviljatuotteet, peruna, pähkinät, palkokasvit ja äyriäiset. Sitä saa usein vesijohtovedestä, jos putket ovat kuparia.[3] Hyvin harvinainen Wilsonin tauti aiheuttaa kuparin kertymistä kudoksiin. Kuparin puutostautia ei juuri esiinny, koska sitä on ravinnossa riittävästi.

Kupari on kaikelle elämälle välttämätön aine, sillä toistakymmentä tärkeää entsyymiä on riippuvaisia kuparista.[3] Suurina pitoisuuksina kupari on myrkyllistä.

Esiintyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuparia esiintyy monissa malmeissa, kuten kuparikiisussa. Tärkeimmät malmit ovat sulfideja, oksideja ja karbonaatteja. Joskus kuparia löytyy luonnossakin metallisena, siis vapaana alkuaineena.[5] Sen työstäminen vaikka langaksi on helppoa, ja siitä tehtyjä 10 000 vuotta vanhoja koruja onkin löydetty Irakin pohjoisosista.[3] Vasta myöhemmin opittiin eristämään kuparia malmeista, ensin todennäköisesti malakiitista, joka on kuparikarbonaattia.[3]

Suuria kupariesiintymiä on Yhdysvalloissa, Kanadassa, Chilessa, Perussa, Sambiassa ja Kinshasan Kongossa.[6]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jo 5000 vuotta sitten huomattiin, että kuparia voi vahvistaa lisäämällä siihen kolmannes tinaa. Tämä metalliseos, lejeerinki, on puhdasta kuparia paljon vahvempaa ja sitä kutsutaan myös pronssiksi.[3] Pronssista alettiin valmistaa erilaisia teräaseita, joiden terän sai hyvin teräväksi. Kuparista on valmistettu aseita, koruja ja työkaluja jo ainakin 8000 vuotta.[7]

Euroopassa siirryttiin pronssikaudelle noin vuonna 2 300 eaa., mutta jo yli tuhat vuotta aikaisemmin pronssia tiedetään hyödynnetyn Egyptissä, Mesopotamiassa ja Indus-joella.[3] Muinaisaikoina tehtiin esimerkiksi sellaisia valtavia pronssiesineitä kuin Rodoksen kolossi, joka mainitaan yhdeksi antiikin aikaisen maailman seitsemästä ihmeestä. Se oli noin 35 metriä korkea auringonjumala Heliosta esittävä patsas vuodelta 280 eaa. Patsas tuhoutui maanjäristyksessä noin vuonna 170 eaa.[3]

Kupari on ainoa tekninen metalli, jota käytetään merkittävissä määrin seostamattomana.

Useimmiten motiivina kuparin käytölle on sen erinomainen sähkön- tai lämmönjohtavuus tai sen korroosionkestävyys. Puhtaat kuparit voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään:

  1. Hapeton kupari
  2. Deoksidoidut kuparit
  3. Happikupari

Tärkein kuparin käyttäjä on nykyisin elektroniikkateollisuus[3], ja kuparin hinta on ollutkin viime vuosina nousussa.

Sinkkiä lisäämällä saadaan kuparista messinkiä.[3] Kupariin voidaan lisätä myös nikkeliä.

Kupari on kemiallisesti varsin passiivinen metalli. Se ei reagoi veden eikä useimpien happojenkaan kanssa. Ilman hapen kanssa se reagoi hitaasti niin, että sen pinnalle muodostuu hyvin ohut tumma kuparioksidikerros, joka hiilidioksidin vaikutuksesta muuttuu lopulta vihreäksi kuparikarbonaatiksi eli patinaksi (CuCO3). Toisin kuin rauta, joka saattaa ruostua kokonaan, kupari hapettuu ainoastaan pinnalta, ja sen pinnalle syntynyt oksidi- tai karbonaattikerros suojaa sitä hapettumasta syvemmältä.

Kuparin maailmanmarkkinahinta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuparin hinta määritetään päivittäin maailman metallipörsseissä, joista tärkeimmät ovat Lontoo (LME) ja New York (COMEX). Lisäksi esimerkiksi Shanghain (SHMEX) antaa noteerauksen, jota käytetään Kiinan sisäisillä markkinoilla. Kuparin hinnoittelussa käytetään yksikkönä USD/t.

Kuparin hinta vaihteli suuresti varsinkin vuosien 1995 ja 2006 välillä. Joulukuussa 2001 sen hinta oli noin 1500 USD/t. Huhtikuussa 2006 sen hinta lähestyi 7000 dollaria tonnilta.[8]

Futuurit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Päivittäisen käteisnoteerauksen lisäksi pörssit antavat kuparille ja muillekin hyödykkeille futuurihintoja. Kuparin tärkein futuuri on 3 kk. Futuuri on kalliimpi tai halvempi kuin käteisnoteeraus - markkinatilanteen mukaan.

Kolmen kuukauden kuparifutuurilla on vahva historiallinen tausta. Ennen järjestäytynyttä metallipörssiaikaa kuparilasteista käytiin kauppaa Lontoon kahviloissa. Lastin hinta oli eri riippuen siitä oliko se vielä lähtösatamassaan Etelä-Amerikassa vai perillä Lontoossa. Noihin aikoihin malmilaivan matka Atlantin poikki kesti 3 kk.

Puhtaat kuparilaadut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hapeton kupari valetaan siten, että sulaan kupariin ei pääse happea. Hapen pääsy sulaan on estetty peitostamalla sula esimerkiksi puuhiilellä tai käyttämällä sulatuksessa vakuumiuunia. Hapeton kupari on sähkönjohtavuudeltaan paras kaikista kuparilaaduista. Sen johtavuus on vähintään 100 %I.A.C.S, mutta tyypillisesti johtavuus on luokkaa 101–101,8 %I.A.C.S. Hapettoman kuparin puhtauden on oltava luokkaa 99,99 % sillä sen sähkön- ja lämmönjohtokyky on erittäin herkkä epäpuhtauksille. Esimerkiksi jo muutaman kymmenen ppm:n rautapitoisuus aiheuttaa noin prosentin laskun johtavuudessa. Mikäli halutaan kuparikappaleelle paremmat lujuusominaisuudet korotetuissa lämpötiloissa voidaan käyttää pientä (n. 500 ppm) hopeaseostusta. Elektroniikka- ja kryogeniikkasovelluksiin on kehitetty omat erikoispuhtaat laadut. Tyypillisiä sovelluksia ovat virtakiskot ja kommutaattoriprofiilit.

Deoksidoiduissa kupareissa metalliliuoksessa oleva vapaa happi on sidottu deoksidointiaineilla, tyypillisimmin fosforilla. Näitä kuparilaatuja käytetään esimerkiksi vesijohtoputkissa ja päällystysteollisuuden sovelluksissa. Fosforiseostuksen määrä on 150–600 ppm, riippuen siitä mitä ominaisuuksia halutaan korostaa.

Yleisin kuparilaatu on happikupari, jota käytetään esimerkiksi kuparijohdoissa ja kuparikatoissa. Sulaan liuennut happi muodostaa kiinteässä olomuodossa linssimäisiä rakenteita. Happikupari ei ole yhtä allerginen epäpuhtauksille kuin hapeton kupari, koska happilinssit sitovat tehokkaasti epäpuhtauksia. Toisaalta happikuparin johtokyky on alhaisempi kuin hapettoman kuparin, eikä sitä voida käyttää pelkistävissä olosuhteissa. Tyypillinen happikuparisovellus on kuparikatto.

Puhtaimpia kuparilaatuja valmistetaan elektrolyyttisella puhdistuksella.

Seostetut kuparilaadut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuparia seostettaessa tehdään aina kompromissi eri ominaisuuksien välillä. Kuparin sähkön- ja lämmönjohtavuus laskevat aina seostettaessa.

Yleisesti tunnettuja ja käytettyjä seostettuja kuparilaatuja ovat:

  • Kromikupari
  • Zirkonikupari
  • Telluurikupari
  • Fosfori-rauta -kupari
  • Dispersiolujitettu GlidCop(R)1 Cu+Al2O3

Messingit ja pronssit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Runsaasti seostettuja kupareita kutsutaan messingeiksi tai pronsseiksi. Messingissä kuparin seosaineena on käytetty sinkkiä (5 - 40 %). Tyypillisin pronssin seosaine on tina, mutta myös muita runsaasti seostettuja kuparilaatuja kutsutaan pronsseiksi.

Rahametallit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Historialliset rahametallit olivat kulta, hopea ja kupari. Esimerkiksi vuosina 1644 – 1776 kierrossa olleet ruotsalaiset plooturahat, taalerit, oli valmistettu puhtaasta kuparista.

Suomessa lyötiin markka-aikana kuparista yleensä pieniarvoisimmat kolikot:

  • 1, 2 ja 5 penniä, sarjat 1881, 1894 ja 1917
  • 5 penniä 1918, kansanvaltuuskunta.
  • 1, 2 ja 5 penniä, sarja 1918
  • 5, 10, 25, 50 penniä ja 1 markka, sarja 1943
  • 1 ja 5 penniä, sarja 1963

Viime vuosina pinnoitetut teräskolikot ovat voittaneet markkinaosuutta kupariseoskolikoilta. Tähän on vaikuttaneet kehittyneet valmistusmenetelmät ja kuparin maailmanmarkkinahinnan huikea nousu. Esimerkiksi euromaissa 1, 2 ja 5 sentin kolikot ovat kuparipinnoitettua terästä, joissa kuparipinnoitteen paksuus on keskimäärin 25 mikrometriä.

Rahametalleina käytetään runsaasti myös kuparivaltaisia metalliseoksia, kuten:

  • Nikkelikupari (75 % Cu, 25 % Ni), vaaleanharmaata, esimerkiksi kahden euron rengas, Suomessa aikaisemmin 1 markka vuosina 1969-1989 sekä 10 ja 50 penniä vuodesta 1990
  • Nordic Gold (89 % Cu, 5 % Al, 5 % Zn, 1 % Sn), keltaista, esimerkiksi 10, 20 ja 50 eurosenttiä
  • Alumiinipronssi (92 % Cu, 6 % Al, 2 % Ni), keltaista, Suomessa esimerkiksi 10, 20 ja 50 penniä, sarja 1963
  • Nikkelimessinki (75 % Cu, 20 % Zn, 5 % Ni), keltaista, esimerkiksi yhden euron rengas.

Nykyiset 1 ja 2 euron kolikot valmistetaan seuraavista metalliseoksista:

  • 1 euro: rengas nikkelimessinkiä (75 % Cu, 20 % Zn, 5 % Ni), keskusta nikkelikuparilla (75 % Cu, 25 % Ni) päällystettyä nikkeliä
  • 2 euroa: rengas nikkelikuparia (75 % Cu, 25 % Ni), keskusta nikkelimessingillä (75 % Cu, 20 % Zn, 5 % Ni) päällystettyä nikkeliä[22][9]

Merkittävimmät esiintymisalueet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaupallisesti hyödynnettyjä kuparikaivoksia on Etelä-Amerikassa, lähinnä Chilessä ja Perussa, Indonesiassa ja Kiinassa. Tärkein tuottajamaa on Chile.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • HS 16.1.2007 D2 (lisätietoja)
  • Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008 s. 77

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
  2. Kuparin kansainvälinen kemikaalikortti
  3. a b c d e f g h i j Marko Hamilo: Kyproksen metalli päätti kivikauden Helsingin Sanomat 16.1.2007 s. D2 (alkuainesarjan artikkeli kuparista).
  4. Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008, s. 77
  5. John Hudson: Suurin tiede, s. 15. Suom. Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002.
  6. CRC: C.R.Hammond: The Elements 4-9
  7. Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008 s. 77
  8. Copper price nears $7,000 a tonne BBC. Viitattu 10.05.2007.
  9. http://www.mint.fi/fi/materiaali

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]