Avaa päävalikko

Kupari

alkuaine, jonka järjestysluku 29
NikkeliKupariSinkki
-

Cu

Ag  
 
 
Cu-TableImage.svg
Yleistä
Nimi Kupari
Tunnus Cu
Järjestysluku 29
Luokka Metalli
Lohko d-lohko
Ryhmä 11
Jakso 4
Tiheys8,96 · 103 kg/m3
Kovuus3,0 (Mohsin asteikko)
Värimetallisen ruskea
Löytövuosi, löytäjä esihistoriallinen, -
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)63,546[1]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)135 pm
Kovalenttisäde138 pm
Van der Waalsin säde140 pm
Orbitaalirakenne[Ar] 3d104s1
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 1
Hapetusluvut+II, +I
Kiderakennepintakeskinen kuutiollinen hila (pkk)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste1 357,7 K (1 084,62 °C)
Kiehumispiste2 835 K (2 562 °C)
Höyrystymislämpö300,4 kJ/mol
Sulamislämpö13,26 kJ/mol
Höyrynpaine- Pa K:ssa
Äänen nopeus3 810 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus1,90 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,385 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus59,526·106 S/m
Lämmönjohtavuus401 W/(m·K)
CAS-numero7440-50-8
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Kupari, vanhalta suomalaiselta nimeltään vaski, on hiven- ja 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.

Suurina pitoisuuksina myrkyllinen kupari[3] on ihmiselle välttämätön hivenaine, jota tarvitaan esimerkiksi soluhengityksessä ja immuunipuolustusjärjestelmän toiminnassa.

Kupari-nimitysMuokkaa

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.[4]

 
Kuparin symboli alkemiassa eli Venus-symboli

Elimistön kupariMuokkaa

Aikuisen ihmisen maksassa, lihaksissa, luissa ja muualla elimistössä[5] on 1,4-2,1 milligrammaa kuparia painokiloa kohden[6]

Toistakymmentä tärkeää entsyymiä on riippuvaisia kuparista[4] ja kuparia tarvitaan esimerkiksi soluhengityksen mahdollistamiseen[7]. Ilman kuparia ei muodostu myöskään ultraviolettisäteiltä elimistöä suojaavaa ihopigmenttiä eikä hapettumista ehkäiseviä antioksidanttientsyymejä.[8] Kupari auttaa lisäksi flavonoideja suojaamaan DNA:ta hydroksyyliradikaalien vaurioittavalta vaikutukselta[9] ja se on todettu välttämättömäksi myös immuunijärjestelmän toiminnan kannalta[10]. Kupari-ioneilla on esimerkiksi keskeinen rooli raudan kuljettamisessa pois patogeenien ulottuvilta. Immuunipuolustus saattaa mahdollisesti myös hyödyntää kuparin myrkyllisyyttä taistellessaan patogeeneja vastaan[11].

Toisaalta on myös esitetty, että jo pienetkin kuparimäärät voisivat edistää valtimonkovettumataudin, diabeteksen sekä Alzheimerin taudin kaltaisten hermostonrappeutumissairauksien kehittymistä[12]. Vuonna 2013 julkaistussa hiirikokeessa havaittiin, että jo tavanomaisesta ruoasta saatava kuparimäärä kertyy aivoverisuonten seinämiin vaikeuttaen kuona-aineiden huuhtoutumista aivoista ja päätyy Azheimerin tautia sairastavilla hiirillä suoraan aivokudokseen[13].

Kuparin puutostautia ei juuri esiinny, koska sitä on ravinnossa riittävästi. Valtion ravitsemusneuvottelukunta esittää aikuisten suositeltavaksi päiväsaanniksi noin yhtä milligrammaa[14]. Kuparin lähteitä ovat muun muassa maksa ja sisäelimet, täysjyväviljatuotteet, peruna, pähkinät, palkokasvit ja äyriäiset. Kuparia saa usein myös vesijohtovedestä, jos putket ovat kuparia.[4]

Kupari on myrkyllistä suurina pitoisuuksina. Elimistöllä on kuitenkin hivenaineiden homeostaasiksi kutsuttu mekanismi, jonka avulla se poistaa ylimääräiset hivenaineet taikka muuttaa ne vaarattomiksi[15]. Hyvin harvinainen Wilsonin tauti aiheuttaa kuparin kertymistä kudoksiin.

EsiintyminenMuokkaa

Kuparia esiintyy monissa malmeissa, kuten kuparikiisussa. Tärkeimmät malmit ovat sulfideja, oksideja ja karbonaatteja. Joskus kuparia löytyy luonnossakin metallisena, siis vapaana alkuaineena.[16] Sen työstäminen vaikka langaksi on helppoa, ja siitä tehtyjä 10 000 vuotta vanhoja koruja onkin löydetty Irakin pohjoisosista.[4] Vasta myöhemmin opittiin eristämään kuparia malmeista, ensin todennäköisesti malakiitista, joka on kuparikarbonaattia.[4]

Suuria kupariesiintymiä on Yhdysvalloissa, Kanadassa, Chilessa, Perussa, Sambiassa ja Kinshasan Kongossa.[17]

KäyttöMuokkaa

Kuparin yhdisteitä käytetään sieni- ja bakteerimyrkkyinä.

Jo 5 000 vuotta sitten huomattiin, että kuparia voi vahvistaa lisäämällä siihen kolmannes tinaa. Tämä metalliseos, lejeerinki, on puhdasta kuparia paljon vahvempaa ja sitä kutsutaan myös pronssiksi.[4] Pronssista alettiin valmistaa erilaisia teräaseita, joiden terän sai hyvin teräväksi. Kuparista on valmistettu aseita, koruja ja työkaluja jo ainakin 8 000 vuotta.[18]

Euroopassa siirryttiin pronssikaudelle noin vuonna 2300 eaa., mutta jo yli tuhat vuotta aikaisemmin pronssia tiedetään hyödynnetyn Egyptissä, Mesopotamiassa ja Indus-joella.[4] 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.[4]

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[4], ja kuparin hinta on ollutkin viime vuosina nousussa.

Sinkkiä lisäämällä saadaan kuparista messinkiä.[4] 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 maailmanmarkkinahintaMuokkaa

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 1 500 USD/t. Huhtikuussa 2006 sen hinta lähestyi 7 000 dollaria tonnilta.[19]

FutuuritMuokkaa

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 kuukautta.

Puhtaat kuparilaadutMuokkaa

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 elektrolyyttisellä puhdistuksella.

Seostetut kuparilaadutMuokkaa

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 pronssitMuokkaa

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.

RahametallitMuokkaa

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][20]

Merkittävimmät esiintymisalueetMuokkaa

LähteetMuokkaa

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

ViitteetMuokkaa

  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. Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008, s. 77
  4. 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).
  5. Copper Merck Manual Home Health Handbook. 2008. Merck Sharp & Dohme Corp., a subsidiary of Merck & Co., Inc.. Viitattu 7 April 2013.
  6. Copper in human health copper.org.
  7. Effects of waterborne copper on oxidative stress and immune responses in red seabream, Pagrus major. https://link.springer.com/article/10.1007/s13273-018-0032-2
  8. Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008, s. 77
  9. Free radicals, natural antioxidants, and their reaction mechanisms. 12th March 2015. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c4ra13315c
  10. The Role of Copper and Zinc Toxicity in Innate Immune Defense against Bacterial Pathogens. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4521016/#FN1
  11. The Role of Copper and Zinc Toxicity in Innate Immune Defense against Bacterial Pathogens. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4521016/#FN1
  12. Ikääntyvien kupari- ja rauta-altistusta tulisi vähentää. Lääkärilehti 8.4.2010. https://www.laakarilehti.fi/ajassa/ajankohtaista/ikaantyvien-kupari-ja-rauta-altistusta-tulisi-vahentaa/
  13. Kupari altistaa Alzheimerin taudille. 21.8.2013. https://www.tiede.fi/artikkeli/uutiset/kupari_altistaa_alzheimerin_taudille
  14. https://www.leipatiedotus.fi/media/pdf-tiedostot/ravitsemussuositukset_2014_fi_web.2.pdf
  15. The Role of Copper and Zinc Toxicity in Innate Immune Defense against Bacterial Pathogens. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4521016/#FN1
  16. John Hudson: Suurin tiede, s. 15. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5.
  17. CRC: C.R.Hammond: The Elements 4–9
  18. Tieteen Kuvalehti Nro 7/2008 s. 77
  19. Copper price nears $7,000 a tonne BBC. Viitattu 10.5.2007.
  20. http://www.mint.fi/fi/materiaali

Aiheesta muuallaMuokkaa