Kupfergewinnung aus Erzen einfach erklärt: Rösten & Reduktion

Vor über 5000 Jahren wanderte Ötzi mit einem wertvollen Werkzeug durch die Alpen: einem Beil aus reinem Kupfer. Aber in der Natur findet man fast nie reines, glänzendes Kupfermetall. Stattdessen findet man grüne Steine wie den Malachit.

Wie haben die Menschen in der Steinzeit aus einem grünen Stein ein glänzendes Metall gemacht? In diesem Artikel zum Thema Kupfergewinnung aus Erzen lernst du die chemischen Tricks kennen, mit denen man Kupfer aus Steinen (Erzen) befreit – von den Lagerfeuern der Steinzeit bis zu riesigen modernen Fabriken.

Vorwissen

Bevor wir uns die Kupfergewinnung aus Erzen genauer ansehen, solltest du diese zwei grundlegenden Begriffe kennen:

• Chemische Reaktion: Ein Vorgang, bei dem aus den Ausgangsstoffen neue Stoffe mit völlig neuen Eigenschaften entstehen. Beispiel: Wenn Holz verbrennt, entstehen Asche und Abgase.
• Reduktion: Eine chemische Reaktion, bei der einem Metalloxid der Sauerstoff entzogen wird (meistens mithilfe von Kohlenstoff). Beispiel: $\text{Eisenoxid} + \text{Kohlenstoff} \to \text{Eisen} + \text{Kohlenstoffdioxid}$.

Aufgabentyp 1: Gewinnung von Kupfer aus Kupfercarbonat

Malachit ist ein wunderschönes grünes Mineral, das in den Alpen vorkommt. Chemisch gesehen enthält es Kupfercarbonat. Um daraus reines Kupfer zu gewinnen, nutzten die Menschen früher einen Trick in zwei Schritten.

Zuerst wird der grüne Stein stark erhitzt. Dabei zerfällt das Kupfercarbonat. Es entsteht ein schwarzes Pulver (Kupferoxid) und ein unsichtbares Gas (Kohlenstoffdioxid).

$\text{Kupfercarbonat} \to \textcolor{#FF7D57}{\text{Kupfer}}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoff}}\textcolor{#08BFFF}{\text{dioxid}}$

Das schwarze Kupferoxid enthält zwar schon Kupfer, aber der Sauerstoff (das Oxid) stört noch. Deshalb mischt man das schwarze Pulver im zweiten Schritt mit Holzkohle (die fast nur aus Kohlenstoff besteht) und erhitzt alles erneut. Der Kohlenstoff ist wie ein Magnet für den Sauerstoff: Er reißt ihn an sich und verschwindet als Gas. Zurück bleibt das reine, rötlich glänzende Kupfer!

$\textcolor{#FF7D57}{\text{Kupfer}}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoff}} \to \textcolor{#FF7D57}{\text{Kupfer}} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoff}}\textcolor{#08BFFF}{\text{dioxid}}$

Aufgabentyp 2: Moderne Kupfergewinnung und das Rösten

Heute finden wir kaum noch Malachit. Stattdessen gewinnen wir Kupfer meistens aus Kupferkies. Das ist ein Erz, das Kupfer, Eisen und Schwefel (ein Sulfid) enthält.

Hier gibt es ein Problem: Kohlenstoff kann Metalle nur aus Oxiden (Sauerstoff-Verbindungen) befreien, aber nicht aus Sulfiden! Wenn wir einfach Kohlenstoff zum Kupferkies geben, passiert gar nichts.

Deshalb müssen wir das Sulfid-Erz zuerst in ein Oxid verwandeln. Diesen Vorgang nennt man Rösten. Dabei wird das Erz zusammen mit viel Sauerstoff stark erhitzt. Der Sauerstoff verdrängt den Schwefel.

$\text{Metall}\textcolor{#FFCE51}{\text{sulfid}} + \textcolor{#08BFFF}{\text{Sauerstoff}} \to \text{Metall}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}} + \textcolor{#FFCE51}{\text{Schwefel}}\textcolor{#08BFFF}{\text{dioxid}}$

Jetzt haben wir ein Metalloxid. Ab hier funktioniert wieder der gleiche Trick wie in der Steinzeit: Wir geben Kohlenstoff dazu, um das reine Metall zu gewinnen (Reduktion).

$\text{Metall}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoff}} \to \text{Metall} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoff}}\textcolor{#08BFFF}{\text{dioxid}}$

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du ein Erz hast, das auf "-sulfid" endet, musst du immer diesen zweistufigen Plan anwenden:

1. Schritt 1: Das Rösten: Verwandle das Sulfid in ein Oxid, indem du es mit Sauerstoff reagieren lässt.
2. Schritt 2: Die Reduktion: Befreie das Metall aus dem Oxid, indem du Kohlenstoff hinzufügst.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Nachweis der Zersetzungsprodukte von Erzen

Wenn wir im Chemieraum grünes Kupfercarbonat (wie Malachit oder Azurit) erhitzen, können wir die chemische Reaktion genau beobachten und beweisen, welche neuen Stoffe entstehen.

Wenn das grüne Pulver heiß wird, verändert es seine Farbe und es bleibt ein schwarzer Rückstand im Reagenzglas zurück. Dieser schwarze Stoff ist das Kupferoxid.

Gleichzeitig blubbert ein unsichtbares Gas aus dem Pulver heraus. Um zu beweisen, dass es sich dabei um Kohlenstoffdioxid handelt, leiten wir das Gas durch einen Schlauch in ein zweites Reagenzglas, das mit Kalkwasser gefüllt ist. Kalkwasser ist normalerweise durchsichtig wie normales Wasser. Sobald aber Kohlenstoffdioxid hineingelangt, bildet sich eine weiße Trübung (es wird milchig). Das ist der eindeutige Beweis für Kohlenstoffdioxid!

Erhitzen von Malachit

Ziel: Wir weisen nach, was beim Erhitzen von Kupfercarbonat entsteht.

Materialien: 1 Spatelspitze Malachit-Pulver (Kupfercarbonat), 5 ml Kalkwasser, 2 Reagenzgläser, durchbohrter Stopfen mit gewinkeltem Glasrohr, Bunsenbrenner.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schutzbrille tragen! Das Glas wird sehr heiß. Nur unter Aufsicht der Lehrkraft durchführen.

Durchführung:

1. Fülle das Malachit-Pulver in das erste Reagenzglas und verschließe es mit dem Stopfen und dem Glasrohr.
2. Fülle das Kalkwasser in das zweite Reagenzglas.
3. Tauche das Ende des Glasrohrs in das Kalkwasser.
4. Erhitze das Malachit-Pulver vorsichtig mit dem Bunsenbrenner.

Beobachtung: Das grüne Pulver färbt sich langsam tiefschwarz. Gleichzeitig steigen im zweiten Reagenzglas Gasbläschen auf und das durchsichtige Kalkwasser wird milchig-weiß.

Erklärung: Die schwarze Farbe zeigt, dass sich das grüne Kupfercarbonat in schwarzes Kupferoxid verwandelt hat. Die weiße Trübung im Kalkwasser beweist, dass bei dieser Zersetzung Kohlenstoffdioxid-Gas entstanden ist.

Wichtige Erkenntnisse

• Kupfercarbonat (Malachit): Zerfällt beim Erhitzen in schwarzes Kupferoxid und Kohlenstoffdioxid.
• Kalkwasserprobe: Kohlenstoffdioxid färbt durchsichtiges Kalkwasser milchig-weiß.
• Rösten: Sulfid-Erze müssen zuerst mit Sauerstoff erhitzt werden, um sie in Oxide zu verwandeln.
• Reduktion: Kohlenstoff kann Metalle nur aus Oxiden befreien, nicht aus Sulfiden.