Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung

Kupfer war eines der ersten der Menschheit bekannten Metalle und wurde bereits vor über 10.000 Jahren in der Steinzeit verwendet. Maßgeblich war dabei, dass Kupfer an vielen Orten in größerer Menge verfügbar war. Denn in der Frühzeit sorgten noch die natürliche Verwitterung und Abtragung für die allmähliche Freilegung von Erzlagern. Genutzt wurde vor allem das natürliche, gediegene Kupfer, das in den oberen Bereichen von Kupfererzlagern vorkommt. Im Laufe der Jahrhunderte lernten die Menschen dann immer besser mit dem Metall umzugehen und es auf vielfältigste Weise zu behandeln - etwa durch Hämmern, Erhitzen, Gießen oder das Vermischen (Legieren) mit anderen Metallen wie Blei, Silber, Zink oder Zinn. Die Entdeckung, dass Kupfer und Zinn gut zu verbinden sind, gab sogar einer ganzen Epoche ihren Namen: der Bronzezeit.

Vorkommen

Kupfer kommt in der Natur als gediegenes Metall und in Mineralien vor. Man findet den Rohstoff auf allen Kontinenten - und eine Verknappung ist nicht in Sicht, denn Kupfer wird ja nicht ver-, sondern gebraucht. Damit schont Kupfer die natürlichen Ressourcen und entspricht dem Leitbild der nachhaltigen Entwicklung.

Übrigens beträgt der Kupfergehalt in der Erdkruste durchschnittlich etwa 0,006 Prozent. In der Reihenfolge der Häufigkeit aller Elemente in der Erdkruste steht Kupfer damit an 23. Stelle. Es findet sich in Spuren in fast allen Gesteinen.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die deutsche Produktion von raffiniertem Kupfer und Kupfergusslegierungen betrug 2016 rund 706.000 Tonnen, Halbzeugproduktion (inkl. Leitmaterial) und Metallguss lagen bei 1,7 Millionen Tonnen. Große Bedeutung hat die Sekundärindustrie, da ein Großteil der deutschen Kupferproduktion aus Schrotten und kupferhaltigen Zwischenprodukten (Schlacken, Krätzen etc.) stammen. Mit einem Umsatz von 12,5 Milliarden Euro im Jahr 2016, bezogen auf die Erzeugung und die erste Bearbeitung des Metalls, nimmt die deutsche Kupferindustrie eine herausgehobene Stellung in der NE-Metallwirtschaft ein. In der Erzeugung und ersten Bearbeitung sind knapp 17.000 Mitarbeiter beschäftigt.

Physikalisch-chemische Eigenschaften

Kupfer ist das einzige Gebrauchsmetall, das in der normalen Spannungsreihe edler ist als Wasserstoff. Alle Metalle reagieren im Allgemeinen mit der Atmosphäre. Die gute Korrosionsbeständigkeit der Kupferwerkstoffe beruht auf ihrer Fähigkeit, stabile Deckschichten auszubilden, die den Werkstoff vor weiterem Korrosionsangriff schützen. Bei reinem Kupfer lässt sich dies für jeden sichtbar an den oftmals grünen Kupferdächern erkennen. Durch Zugabe von Legierungselementen wird die Deckschichtbildung positiv beeinflusst. Als einziges Metall hat Kupfer eine lachsrote Farbe.

Die hervorragendste Eigenschaft des Kupfers ist die hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, die nur noch von derjenigen des Silbers übertroffen wird.

Kupfer ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter (ca. 30 mal besser als Edelstahl). Die Wärmeleitfähigkeit von sehr reinem Kupfer liegt bei 20 °C um 395 W/mK. Die Wärmeausdehnung ist mit 17 * 10-6/K (von 25 bis 300 °C) größer als bei Eisen, jedoch geringer als bei vielen anderen Metallen. Die spezifische Wärme von Kupfer (20 bis 400 °C) beträgt 0,38 J/gK, die Schmelzwärme 214 J/g. Weiches Kupfer hat bei 20 °C einen Elastizitätsmodul von 100 kN/ mm2 und einen Schubmodul von etwa 40 kN/mm2.

Weiches Kupfer besitzt eine Zugfestigkeit von ca. 200 MPa, eine Dehngrenze von 40-80 MPa sowie eine Bruchdehnung von über 40 %. Erfolgt eine Kaltverformung, steigen die Zugfestigkeit auf mindestens 350 MPa und die Dehngrenze auf mindestens 320 MPa, jedoch sinkt dann die Bruchdehnung auf Werte unter 5 %. Reines Kupfer hat keinen warmspröden Bereich und lässt sich auch im warmen Zustand gut umformen. Gleichzeitig versprödet Kupfer auch bei tiefen Temperaturen nicht. Da Kupfer auch beachtliche Dauerschwing- Festigkeitskennwerte aufweist, ist es auch als Werkstoff für schwingende Beanspruchungen geeignet, ohne dass Sprödbrüche befürchtet werden müssen.

Industrielle Gewinnung

Ob es sich lohnt, Kupfererz abzubauen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtig ist natürlich vor allem der Gehalt des Erzes sowie die gesamte Ausdehnung der Lagerstätte, aber auch die vorhandene Infrastruktur. Kupfererze werden sowohl im Untertagebau als auch im Tagebau gewonnen. Früher galt eine Lagerstätte mit mindestens 1 bis 2 % Kupfergehalt als abbauwürdig – heute liegt der Mindestgehalt für große Tagebaue bei 0,3 %.

Die riesigen porphyrischen Kupferlagerstätten mit einem geringen Kupfergehalt des Erzes (<1 % Cu) lassen sich nur durch den kostengünstigeren Tagebau und mit modernsten Abbaumethoden wirtschaftlich nutzen. Die terrassenförmigen Tagebaue dieser Kupferlagerstätten stellen die größten Erzgruben der Welt dar. Ihre Ausmaße erstrecken sich nicht selten über mehr als einen Quadratkilometer Fläche bei Abbauteufen von mehreren hundert Metern. Der größte Kupfererztagebau ist heute die Escondida Mine in Chile, die bis zu 180.000 t Kathodenkupfer pro Jahr produzieren kann.

Derzeit stammt rund 75 % des gewonnenen Primärkupfers aus Tagebauen. Vielfach sind ursprünglich sulfidische Erzlagerstätten durch oxidierende Einflüsse im Bereich der Erdoberfläche in oxidische Mineralien umgewandelt worden. Deshalb beginnt auf vielen Lagerstätten der Bergbau von der Erdoberfläche ausgehend mit dem Abbau oxidischer Kupferminerale, um bei zunehmender Teufe nach und nach schließlich das Gebiet der sulfidischen Erze zu erreichen.

Anwendungen / Produkte

Mit der höchsten Leitfähigkeit aller Industriemetalle spielt Kupfer eine wichtige Rolle in elektrischen und elektronischen Anwendungen. Leiterbahnen aus Kupfer ermöglichen eine weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Chips. In Kraftfahrzeugen wird Kupfer unter anderem für Bremsleitungen und elektrische Antriebe verwendet, im Bauwesen wird es als Dach-, Dachrinnen- und Fassadenmaterial eingesetzt. Kupferrohre finden ihre Anwendung im gesamten Bereich der Hausinstallation - ob für den Trinkwasserbereich, die Heizungsinstallationen, die Öl- oder Gasversorgung oder auch die Flächenheizung. Aufgrund seiner antimikrobiellen Wirkung wird es auch in öffentlichen Gebäuden und Verkehrsmitteln für Haltegriffe und Türklinken eingesetzt, um die Übertragung von Krankheitskeimen zu verhindern. Als bedeutendes Funktionsmetall ist Kupfer zudem in vielen innovativen technologischen Entwicklungen zu finden.

Gesundheit

Kupfer weist eine lange Medizingeschichte auf. Seine antimikrobielle Wirkung ist bereits seit dem Altertum bekannt. Die Ägypter verwandten Kupfer zur Behandlung von Augenkrankheiten, Paracelsus beschrieb Kupfersalze als Brechmittel, in der Veterinärmedizin diente Kupfer häufig sogar als Allheilmittel. Vor der Anwendung moderner Medikamente wurde es zur Behandlung von Asthma und Keuchhusten genutzt. Kupfer ist zudem ein essentielles Spurenelement, das für zahlreiche Stoffwechselprozesse, den Knochenbau oder auch den Blutkreislauf unabdingbar ist.

Recycling

Bereits heute wird ungefähr die Hälfte des jährlichen Kupferbedarfs in Deutschland aus Recyclingmaterial gedeckt. Die Wiederverwertung von Kupfer kann deshalb als größte und wirtschaftlichste Kupfermine der Welt betrachtet werden.

Die Elektrolytische Raffination ermöglicht es, unedle und edle Verunreinigungen aus Kupfer restlos zu entfernen. Deshalb können Kupfer oder seine Legierungen aus Altmaterialien ohne Qualitätseinbußen beliebig oft recycelt werden. Und es gibt keine Qualitätsunterschiede zwischen Neumetall oder aus Altmetall hergestelltem Kupfer.

Recycling schont jedoch nicht nur die Rohstoffe, sondern hilft auch, Energie zu sparen. Denn bei der Wiederverwertung von Kupfer entfällt zum Einen der Energieaufwand, der mit dem Erzabbau, der Aufbereitung und dem Transport zu den Verarbeitungsstätten verbunden ist, zum Anderen beträgt der Energieeinsatz für das Einschmelzen des Altmaterials nur einen Bruchteil dessen, was für die Metallgewinnung aus Konzentraten erforderlich ist.

Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung

Der Name Zink leitet sich von dem lateinischen "zincum" ab. Die Etymologie geht auf das Wort "Zinke" zurück, da manche Zinkerze eine stachelige Form haben. Im Altertum wurde Zink vor allem in Form von Zinkspat als Legierungsbestandteil für die Herstellung von Messing genutzt. Die Messing-Formel, zwei Drittel Kupfer und ein Drittel Zink, war schon im 3. Jahrtausend v. Chr. Babyloniern und Assyrern bekannt. Erste schriftliche Hinweise auf zinkhaltige Kupferlegierungen finden sich bei Homer (8. Jh. v. Chr.) und dem griechischen Gelehrten Aristoteles um 330 v. Chr. In Indien und China kannte man Zink spätestens seit dem 12. Jahrhundert v. Chr. Eine gezielte Gewinnung und Verarbeitung des Metalls lässt sich für diese Regionen um 600 n. Chr. nachweisen. Über die Handelswege gelangte die Kenntnis des Metalls im Mittelalter nach Europa. Frühe schriftliche Zeugnisse aus dem 16. Jahrhundert stammen von Paracelsus und Agricola. Industriell genutzt wird Zink erst seit rund 200 Jahren. Die ersten Anwendungen erfolgten nach der Entwicklung geeigneter Walztechniken im Bauwesen.

Vorkommen

In der Natur kommt Zink niemals als elementare metallische Form vor. Vorkommen werden stets von anderen Metallen wie Kupfer, Blei und Silber begleitet. Zink-Mineralien sind weltweit verbreitet. Die bekanntesten sind: Kieselzinkerz, Rotzinkerz, Zinkblende und Zinkspat. Die Gewinnung von Zink erfolgt überwiegend aus Zinkblende (ZnS). Die wichtigsten europäischen Zink-Vorkommen findet man in Schweden und Irland. Wichtige Förderländer sind u.a. , Australien, Kanada, Peru und China.

Physikalisch-Chemische Eigenschaften

Zink ist ein weiches, silbrig-weißes Metall, das eine hexagonale Metallgitterstruktur aufweist. Das Metall hat mit ca. 419°C einen niedrigen Schmelzpunkt. An der Luft überzieht es sich schnell mit einer dünnen, schützenden Oxidschicht, die bläulich schimmert. Durch diese Oxidschicht ist es auch in Wasser sehr beständig.
Von Säuren und Laugen wird es unter Freisetzung von Wasserstoffgas leicht angegriffen und oxidiert. Zink hat in seinen Verbindungen stets die Oxidationsstufe +2. Die wichtigsten Zink-Verbindungen sind Zinkoxid, Zinkchlorid, Zinkhydroxid, Zinksulfat und Zinksulfid.

Industrielle Gewinnung

Das Zinkerz wird zunächst fein gemahlen und dann durch Flotation angereichert. Die Zinksulfide werden zunächst geröstet. Das dabei frei werdende SO2 wird zu Schwefelsäure weiterverarbeitet.
Die Zinkgewinnung aus abgerösteten Erzkonzentraten erfolgt heute fast ausschließlich auf hydrometallurgischem Weg. Dabei wird das Zink in Schwefelsäure gelöst und nach Durchlaufen mehrerer Laugenreinigungsstufen elektrolytisch abgeschieden. Das Produkt ist das so genannte SHG Zink mit einer Qualität von 99,995 Prozent Zink.

‍Anwendungen / Produkte‍

Hauptverwendungsgebiet von Zink in Deutschland ist mit 37 Prozent die Verzinkung von Stahl zum Korrosionsschutz (Auto- und Bauindustrie). 25 Prozent gehen in den Markt der Messingfabrikate. 27 Prozent Zink werden als Halbzeug in Form von Blechen (Titanzink für die Bereiche Dachdeckung, Fassade und Dachentwässerung) und für den Zinkguss verwendet. 11 Prozent finden als Zinkoxid, Zinkpulver und Zinkstaub in unterschiedlichsten industriellen Bereichen als Zusatzstoffe vielfältigste Verwendung. Beispielsweise kommen Zinkverbindungen als Stabilisatoren für Kunststoffe zum Einsatz. Zink-Sulfate verbessern Eigenschaften in der Textil- und Kunstfaserindustrie. Bei Farben und Lacken dient Zink als Aktivpigment zur Steuerung bestimmter Lackeigenschaften wie Durchtrocknung, Korrosionsschutz und Wetterbeständigkeit. Zinkoxide sind bei der Herstellung von Klebemitteln auf Natur- und Synthesekautschukbasis von großem Nutzen.
Profile, Rohre und Stangen haben eine untergeordnete Bedeutung. International wird Zink auch als Münzmetall eingesetzt.

‍Wirtschaftliche Bedeutung‍

Die deutsche zinkerzeugende und -verarbeitende Industrie gliedert sich in Metallerzeugung, Verzinkereien, Halbzeugherstellung und Gießereien. Im Bereich Feuerverzinkung wurden im Jahr 2016 in Deutschland 607.000 Tonnen Zink eingesetzt. Darunter fällt die Verzinkung von Stahlträgern, Serienprodukten, Behältern, Schlosserware und Kleinteilen. Zinkhalbzeug wird hauptsächlich zu Bändern und Blechen (Titanzink) verarbeitet. Von Bedeutung ist auch noch die Herstellung von Drähten und Anoden. Die deutschen Metallgießereien verarbeiten Zinklegierungen fast ausschließlich im Druckguss. 2014 lag die Produktion bei gut 57.000 Tonnen. Zink wird auch bei der Messingherstellung in großem Umfang eingesetzt. 2016 gingen etwa 164.000 Tonnen in diesen Bereich.

Recycling‍

Die produktbezogene Recyclingrate liegt zwischen 80 und 95 Prozent und zum Teil auch noch darüber. Der überwiegende Anteil von Zinkerzeugnissen geht in langlebige Produkte mit einer Nutzungsdauer von einigen Dutzend bis zu 100 und mehr Jahren. Messingschrott ist eine der größten Recyclingquellen für Zink. Im Messingkreislauf werden weltweit ca. 600.000 Tonnen Zink einer erneuten Nutzung zugeführt.

Zinküberzüge auf Stahlschrott können nach der Trennung von Stahl und Zink erneut zur Verzinkung verwendet werden. Auch Verzinkungsrückstände, die alle einen hohen Zinkgehalt aufweisen, werden physikalisch getrennt und dienen der Primär- und Sekundärzinkproduktion als Rohstoff. Ein hoher Anteil dient der direkten Herstellung von Zinkoxid, Zinkstaub und Zinkchemikalien. Zinkdruckgussteile als Altmaterial, hauptsächlich aus der Verschrottung von Autos und Haushaltsgeräten, sind wertvolle Vorstoffe zur Zinkerzeugung. Zinkbleche von Dächern, Fassaden, Dachrinnen sind das ideale Ausgangsmaterial zur Erzeugung von Sekundär- und Umschmelzzink. Zinkhaltige Stäube, die bei der Abgasreinigung der Elektrostahlwerke in Filtern abgeschieden werden, stellen ebenfalls wertvolle Ressourcen dar. Allein in Deutschland kommen aus diesem Bereich rund 30.000 Tonnen Zink pro Jahr in den Kreislauf zurück. Zinkhaltige Produktionsrückstände, die u.a. bei der Erzeugung von Zinkoxid bzw. Zinkstaub anfallen, werden zum überwiegenden Teil innerhalb der Industrie direkt recycelt.

Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung‍

Der Name Blei stammt vom lateinischen „plumbum metallicum“. Archäologische Funde beweisen, dass es seit ca. 2500 v. Chr. verarbeitet wurde. Es gehört somit neben Kupfer, Silber, Gold, Zinn, Eisen und Quecksilber zu den Metallen, die schon im Altertum bekannt waren. Alle bedeutenden Kulturen des Mittelmeerraums beherrschten schon früh seine Verarbeitung. Am einfachsten zugänglich war Bleiglanz, aus dem das Metall herausgeschmolzen werden konnte. In großem Stil nutzten erstmals die Römer Blei für den Bau ihrer Wasserleitungen. Der größte Teil des römischen Bleis stammte aus Minen in Spanien, in denen zeitweilig bis zu 50.000 Sklaven gearbeitet haben sollen. Blei war im alten Rom aber nicht nur ein beliebter Baustoff, sondern es wurde auch zu Trinkbechern und Essgeschirr verarbeitet. Bleiverbindungen dienten als Farben, Schminke und sogar als Heilmittel. Im Mittelalter war Blei ein wichtiger Baustoff. Um 1000 nach Christus gab es im Harz zahlreiche Bleigruben und Bleihütten. Auch die Anwendungsbereiche wurden mit der Zeit vielfältiger: So wurden kirchliche und weltliche Repräsentationsgebäude mit Dächern aus Bleiplatten versehen, und man fertigte Bleigläser. Aus Blei waren die Lettern für den Buchdruck und die Kugeln für Gewehre und Pistolen. Bis in die 20er Jahre des 20. Jahrhunderts stieg es zum wichtigsten Nichteisenmetall auf.

Vorkommen‍

Blei kommt nur an wenigen Stellen gediegen vor. Bleierze sind häufig vergesellschaftet mit anderen Metallen: zum Beispiel mit Zink, Kupfer oder Antimon. Von wirtschaftlicher Bedeutung ist insbesondere Bleiglanz, eine sulfidische Verbindung. Die größten Vorkommen findet man in den Vereinigten Staaten, Australien, der GUS-Staaten und Kanada. Die größten Förderländer in Europa sind Schweden und Polen. In Deutschland wurde Bleierz im Erzgebirge, im Harz, in der Eifel und im Ruhrgebiet abgebaut. Anfang der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts wurde der Blei-Bergbau in Deutschland eingestellt.

‍Physikalisch-chemische Eigenschaften‍

Blei ist ein verformbares, mattgraues Metal. Es kristallisiert in nur einer Modifikation mit kubisch flächenzentriertem Gitter. Das Metall ist so weich, dass es auf Papier einen grauen Abrieb hinterlässt. An frischen Schnittstellen glänzt es silbrig. Das Metall ist mit 327°C niedrigschmelzend. An Luft bildet es aber sofort eine dünne, schützende Oxidschicht. In hartem Wasser ist Blei sehr beständig; in enthärtetem, CO₂-reichem Wasser wird es unter Bildung von Bleihydrogencarbonat gelöst. Auch von Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure wird es zersetzt. Blei hat eine sehr geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration ist seine wichtigste Oxidationsstufe +2.‍

Industrielle Gewinnung‍

Die wichtigsten Förderländer für Bleierz sind die GUS-Staaten, die Vereinigten Staaten, Australien und Kanada. Die Bleigewinnung umfasst mehrere Schritte: Dem Erzabbau und der Aufbereitung zu einem stark angereicherten Bleikonzentrat folgt die Hüttentechnik. Die bedeutendste Methode besteht im Sinterrösten. Dabei werden die schwefelhaltigen (sulfidischen) Vorstoffe in einem ersten Verfahrensschritt unter Verbrauch von Luftsauerstoff in Bleioxide und gasförmiges Schwefeldioxid überführt. Danach wird das Schwefeldioxid zu Schwefelsäure weiterverarbeitet, während das Bleioxid im Sinter zu Blei reduziert wird. Das noch stark verunreinigte "Werkblei" wird schließlich in komplexen Raffinationsprozessen von weiteren Metallen gereinigt, bis es einen Reinheitsgrad von 99,9 Prozent und mehr hat. Moderne kontinuierliche Direkt-Bleischmelzprozesse wie das QSL- oder Badschmelzverfahren ersetzen heute das herkömmliche zweistufige Röst-Reduktionsverfahren durch einen einstufigen Prozess. Die staubförmigen Emissionen (vor allem Blei und Cadmium) konnten drastisch reduziert werden.

Anwendungen / Produkte‍

Blei ist ein vielseitiges Metall, das weder aus technischen Anwendungen noch aus persönlichen Lebensbereichen wegzudenken ist. Blei wird heute vorwiegend als Energiespeicher und Schutzwerkstoff verwendet. Sein größtes Anwendungsgebiet ist die Energiespeicherung in Akkumulatoren: z. B. den Starterbatterien in Kraftfahrzeugen. Seine hohe Dichte macht es besonders geeignet zur Abschirmung: So schützt es in der Medizintechnik vor Röntgenstrahlung und Radioaktivität, im Bauwesen dient es dem Schallschutz. Blei ist ein wichtiger Legierungsbestandteil. Seine chemische Beständigkeit gegenüber Säuren macht Blei zudem zu einem wertvollen Werkstoff zur Auskleidung von Rohrleitungen und Apparaten in der chemischen Industrie. Bleioxide werden zur Herstellung von Pigmenten für Farben und Lacke, optischen Gläsern und Halbzeugen eingesetzt. Insgesamt werden in Deutschland ca. 14 Prozent  des Bleis als Halbzeug verarbeitet.

Wirtschaftliche Bedeutung‍

Weltweit werden 11,3 Millionen Tonnen Blei verwendet, davon 1,6 Millionen Tonnen in Europa. Die europäische Bleiproduktion aus importierten Bleierzen und Recyclingblei betrug 2014 rund 1,7 Millionen Tonnen.

Gesundheit‍

Bleiverbindungen sind gesundheitsgefährdend. Daher war die Bleiaufnahme durch Stäube und Dämpfe in früheren Zeiten ein großes Problem in der Arbeitswelt. Heute ist der Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz aber dank strenger Schutz- und Kontrollvorschriften umfassend gewährleistet. Mit der Einführung von bleifreiem Benzin ist darüber hinaus die bedeutendste allgemeine Emissionsquelle für Bleiverbindungen beseitigt worden. Moderne Umwelttechnologien zur Luftreinhaltung und Abwasserbehandlung haben weiteren Anteil daran, dass auch die industriell bedingten Bleiemissionen in den letzten Jahrzehnten ständig zurückgegangen sind und keine Gesundheitsbelastung darstellen. Recycling Der Metallhandel erfasst Bleischrotte in Form von Blechen, Rohren und Kabelmänteln. Entsprechend der industriellen Verwendung entfällt die weitaus größte Menge des Schrottaufkommens auf Altbatterien: Über 100.000 Tonnen Blei werden in der Bundesrepublik Deutschland über das Batterierecycling zurückgewonnen. Das entspricht einer produktbezogenen Recyclingrate von rund 90 Prozent. Ähnliches gilt für die übrigen Anwendungsgebiete.

Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung

Nickel wurde nach den gleichnamigen Bergkobolden benannt, die – so glaubten die mittelalterlichen Bergleute – Kupfer in das damals wertlose Nickelerz („Kupfernickel“ = falsches Kupfer) verwandelten. Zwar sind Nickellegierungen schon aus dem antiken Griechenland bekannt, doch sie wurden ohne das Wissen hergestellt, dass es sich bei Nickel um ein eigenes Metall handelt. So findet man in metallischen Gebrauchsgegenständen aus China, die ungefähr 2000 v. Chr. hergestellt wurden, einen Nickelanteil von bis zu 20 Prozent. Im Jahr 1751 erkannte der schwedische Bergbauingenieur Axel F. Cronstedt die wahre Natur des Elements. Dennoch setzte sich die Erkenntnis, dass es sich beim 'Kupfernickel' nicht um eine besondere Form von Kupfererz, sondern um ein eigenständiges Element handelte, nur langsam durch. Erst Torbern Bergman konnte die Existenz von Nickel belegen, indem er 15 Jahre nach der Entdeckung Nickel mit wesentlich höherem Reinheitsgrad herstellte. Seit Mitte des 19. Jahrhundert erlangte das Metall große wirtschaftliche Bedeutung, nachdem der Engländer Michael Farraday 1843 ein Verfahren zur galvanischen Vernickelung vorgestellt hatte.

‍Vorkommen‍

Nickel ist am Aufbau der Erdkruste mit 1,5·10-2 % beteiligt. Elementares Nickel findet sich mit Eisen legiert in Meteoriten. Es wird allgemein angenommen, dass die Erde einen Eisen-Nickel-Kern aufweist. Für die Nickelgewinnung sind vor allem nickelhaltige Magnetkiese, die das Metall als Pentlandit (Eisennickelkies) (Fe, Ni) 9S8 enthalten, sowie silicatische bzw. oxidische Erze, die Nickel als Garnierit (Numeait) (Mg, Ni)3Si2O5(OH)4 enthalten, von Bedeutung. Weitere wichtige Nickelerze sind Mitterit (Gelbnickelkies, Haarkies) NiS, Nickelin (Rotnickelkies) NiAs, Chloanthit (Weißnickelkies) NiAs2-3, Gersdorffit (Arsennickelkies) NiAsS und Breithauptit (Antimonnickel) NiSb. Als Spurenelement ist Nickel in Böden mit etwa 40 ppm, in Pflanzen mit etwa 0,5 ppm enthalten.
Das Metall ist häufig mit Cobalt, Antimon und Platingruppenelementen (PGEs) als auch Edelmetallen wie Gold und Silber vergesellschaftet. Zumindest in kleinen Mengen kommen seine Mineralien praktisch überall vor. Von wirtschaftlicher Bedeutung ist die Gewinnung von (Nickel-)Magnetkies (Pentlandit) und Garnierit, die aus sulfidischen Lagerstätten hereingewonnen werden. In den vergangenen Jahrzehnten hat die Förderung von Nickel aus lateritische Erzen massiv an Bedeutung gewonnen. Dort werden vor allem Garnierit und Goethit gewonnen. Abbauwürdige Vorkommen von sulfidischen und lateritischen Erzen findet man in Kanada, den GUS-Staaten, Neukaledonien, Australien und Kuba.

Physikalisch-chemische Eigenschaften‍

Nickel ist ein verformbares, dehnbares, silbrig-weißes Metall, das die kubisch-dichteste Metallgitterstruktur aufweist. Es ist nicht-rostend , schmiedbar, magnetisch und elektrisch leitend, Entsprechend der Mohs'schen Skala beträgt seine Härte 3,8. Nickel wird durch eine dünne Oxidschicht passiviert, so dass es gegen Luft und Wasser sehr beständig ist. Abgesehen von konzentrierter Salpetersäure wird es von Säuren langsam unter Freisetzung von Wasserstoffgas zersetzt. In Alkalilaugen ist es nicht löslich. Das Metall bildet leicht Legierungen mit Eisen, Kupfer, Mangan etc. aus. In Verbindungen spielt praktisch nur die Oxidationsstufe +2 eine Rolle, obwohl zum Teil auch +4, +3 und +1 vorkommen.

Industrielle Gewinnung

Generell wird zwischen pyro- und hydrometallurgischen Verfahren zur Gewinnung von Nickel unterschieden. Bei der pyrometallurgischen Verarbeitung wird das aus dem Erz stammende Konzentrat unter Zufuhr und Nutzung entstehender Wärme-Energie geschmolzen. Bei hydrometallurgischen Verfahren wird hingegen eine Gewinnung des Metalls durch eine Laugung erreicht. Dabei entscheiden die im Erz enthaltenen Wertminerale, welches Verfahren anzuwenden ist.

Bei sulfidischen Erzen wird Nickel durch eine pyrometallurgische Verarbeitung gewonnen. Aus den nickelhaltigen sulfidischen Erzen wird dazu das Wertmineral per Flotation aufkonzentriert. Im Folgenden wird dieses Konzentrat über die Arbeitsschritte Rösten, Schmelzen und Konvertierenzu einer Matte mit einem Nickelgehalt von 40%-80% verarbeitet. In der Endraffination wird ein Nickelgehalt von >99% erreicht.

Bei lateritischen Erzen richtet sich die Verarbeitung nach dem vorliegenden Erztyp. Oberflächennahe Erze (Limonite) weisen einen geringeren Nickelgehalt auf und werden hydrometallurgisch erschlossen. Die Laugung mit Schwefelsäure erfolgt dabei unter Druck, Das daraus gewonnene Zwischenprodukt mit einem Nickelgehalt von 40-60% wird durch Raffination auf einen Nickelgehalt >99% aufkonzentriert. Tiefer liegende nickelreiche Erze (Saprolithe) werden pyrometallurgisch aufgeschlossen. Nach dem Trocknen im Drehofen werden diese im Elektroofen geschmolzen. Das daraus resultierende Ferronickel weist einen Nickelgehalt von >25% auf und wird bei der Edelstahlherstellung als Rohstoff eingesetzt.

Anwendungen / Produkte‍

Nickel ist ein vielseitig einsetzbares Metall. Von hoher Bedeutung ist sein Einsatz als Legierungsmetall: Schon geringe Nickelzusätze erhöhen die Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl. Mehr als die Hälfte des weltweiten Nickelbedarfs dient zur Herstellung und Veredlung nichtrostender Stähle: für Geschirrspüler, Besteck, Kochgeschirr, Rolltreppen, Tankwagen und medizinische Instrumente und viele weitere Produkte. Da Stahl unter Beigabe von Nickel auch bei Temperaturen von minus 200° Celsius nicht brüchig wird, eignen sich nickelhaltige Stähle für Kältemaschinen und Behälter zur Lagerung flüssiger Gase. Nickel ist ebenso Basismetall für Hochleistungs- und Superlegierungen. Deshalb werden diese Legierungen für besonders anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt: in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der Energie- und Umwelttechnik, in Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektrotechnik und Elektronik. Mit Hilfe von Superlegierungen aus Nickelchromeisen wurden neue Hochleistungswerkstoffe entwickelt, die in der Abwassertechnik, Ölfeldtechnik, bei Rauchgasentschwefelungsanlagen, Gasturbinen und Reaktoren eingesetzt werden.

Bei der Einführung des Euro spielte Nickel eine entscheidende Rolle. Die Ein- und Zwei-Euromünzen werden aus nickelhaltigen Materialien unterschiedlicher Werkstoffgruppen hergestellt, mit einem hohen Maß an Automaten- und Fälschungssicherheit.

Neben dem Einsatz als Legierungselement findet Nickel in der Oberflächenbeschichtung Anwendung. Von wachsender Bedeutung ist des weiteren der Einsatz von Nickel in Batterien für Elektro-Autos und Hybridfahrzeige als auch in Katalysatoren, die bspw. in der petrochemischen Industrie zur Entschwefelung eingesetzt werden.

Wirtschaftliche Bedeutung Nickel‍

Die weltweite Hüttenproduktion von Nickel belief sich 2014 auf rund zwei Millionen Tonnen. Hauptproduzenten sind China, Russland, Japan, Australien und Kanada. Im Gegensatz zu anderen europäischen Ländern ist die Erzeugung von Nickelerzen in Deutschland seit Anfang der 90er Jahre eingestellt. In Deutschland wird Halbzeug aus Nickel und Nickellegierungen aus importiertem Nickel (Walz-, Press- und Ziehprodukte) produziert.

Recycling

Nickel wird überwiegend als Legierungsmetall verwendet und nur selten als Nickelmetall zurückgewonnen. Da Nickel aber vor allem in der Stahlveredlung eingesetzt wird, sind nickelhaltige Edelstahlschrotte eine der ergiebigsten Altmetallquellen. Bei der Herstellung und Verschrottung von Anlagen und Einrichtungen in der chemischen Industrie, der Lebensmittel- und Haushaltsindustrie sowie im medizinischen Bereich fallen große Mengen Edelstahlschrott in den unterschiedlichsten Zusammensetzungen an. Schätzungen gehen davon aus, dass rund die Hälfte des in Deutschland hergestellten Edelstahls aus diesen Schrotten gewonnen wird. Vor dem erneuten Wiedereinschmelzen in den Edelstahlwerken stehen auch hier das Sammeln, Sortieren und Aufbereiten der verschiedenen Sorten durch den Metallhandel. Die Behandlung von Schrotten, die neben hohen Nickelanteilen auch andere wertvolle Metalle enthalten, erfordert umfangreiche Materialkenntnisse und spezielle technische Einrichtungen. Die Recyclingrate von Nickel aus Altprodukten wird auf über 70 Prozent geschätzt.

Entdeckung und kulturhistorische Entwicklung‍

Der Name Aluminium leitet sich aus dem lateinischen Begriff für Alaun „alumen“ ab. Dies ist eine seit dem Altertum bekannte Aluminiumverbindung (Kaliumaluminiumsulfat), die zum Gerben von Leder und in der Medizin als blutstillendes Präparat eingesetzt wurde. Im Jahre 1825 gelang dem dänischen Chemiker Hans Christian Oersted die Isolierung von – noch unreinem – Aluminium, indem er Aluminiumchlorid mit Kalium reduzierte. Friedrich Wöhler verbesserte die Oersted-Methode und konnte 1827 als Erster reines Aluminium isolieren. Aus dem Wöhler´schen Reduktionsverfahren entwickelten Bunsen und Deville 1854 unabhängig voneinander eine technische Gewinnungsmethode, die auf der Reduktion des Gemisches NaCl x AlCl3 mit Natrium beruhte - eine teure Sache, bis zur Erfindung der Dynamomaschine. Im Jahr 1886 stellten der Amerikaner Charles M. Hall und der Franzose Paul-Louis Toussaint Héroult das elektrolytische Verfahren (Hall-Héroult-Verfahren) zur Aluminiumherstellung vor, das den Weg für den großtechnischen Einsatz des Leichtmetalls ebnen sollte.

‍Vorkommen‍

Der Anteil von Aluminium am Aufbau der Erdkruste liegt bei 8 Prozent. Es ist somit das dritthäufigste Element und das häufigste Metall der Erdkruste; Eisen folgt mit einem Anteil von ca. 6 Prozent. Man findet Aluminium in der Natur nicht in Reinform, sondern stets an Sauerstoff gebunden. Es ist allgegenwärtig in Feldspäten und Glimmern oder in deren Verwitterungsprodukten. Das bekannteste Aluminium-Mineral ist Bauxit, das im Tagebau gewonnen wird. Der Name leitet sich von dem französischen Ort Les Baux ab, wo es erstmals abgebaut wurde. Bei Bauxit handelt es sich um ein Sedimentgestein, das in seiner Zusammensetzung starke Schwankungen aufweist. Im Wesentlichen setzt es sich aus Aluminiumoxid (40-60 Prozent), Eisenoxid (5-30 Prozent) und Siliciumoxid (1-15 Prozent) zusammen. Das Eisenoxid bedingt die meist rötliche Färbung von Bauxit. Abbauwürdige Bauxit-Vorkommen findet man zum Beispiel in Brasilien, China, Australien, Neu-Guinea, in Westafrika und Indien.

Physikalisch-chemische Eigenschaften‍

Aluminium ist ein weiches, silberweißes Leichtmetall. Es ist reaktionsfreudig und bildet anLuft schnell eine dünne schützende Oxidschicht, wodurch es sehr korrosionsbeständig wird. Dass Aluminium eine große Affinität zu Sauerstoff hat, wird daran deutlich, dass es in der Natur häufig an Sauerstoff gebunden ist. Technisch kann Aluminium durch das sog. Eloxal-Verfahren gehärtet werden, indem durch anodische Oxidation die Oxidschicht verstärkt wird. Mit Salzsäure und Natronlauge reagiert Aluminium heftig. Das Verhalten gegenüber Schwefelsäure ist bereits schwächer, während es sich passiv gegenüber kalter Salpetersäure verhält. Das Metall hat gute thermische und elektrische Eigenschaften, die etwa zu zwei Dritteln denen von Kupfer entsprechen. Aufgrund der Elektronenkonfiguration hat das Element drei Valenzelektronen. Sein Oxidationszustand ist deshalb +3.

Industrielle Gewinnung‍

Der Rohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, das zu 90 Prozent in den Ländern des Tropengürtels vorkommt. Hauptfördergebiete sind Australien, Westafrika, Jamaika, China, Indien und Brasilien. Die Metallgewinnung erfolgt in einem zweistufigen Verfahren. Zunächst wird im sogenannten Bayer-Prozess unter Druck und Hitze aus dem Bauxiterz das Aluminiumhydroxid extrahiert, das anschließend durch Glühen zu Aluminiumoxid (Tonerde) gebrannt wird. Als Rückstandsprodukt fällt Rotschlamm an, der auf Deponien abgelagert wird. Aluminiumoxid ist das Ausgangsprodukt für die zweite Gewinnungsstufe: den Elektrolyseprozess. Eine Schmelze aus Tonerde und dem Flussmittel Kryolith wird mit Hilfe von Strom in flüssiges Aluminium und Sauerstoff getrennt. Aus zwei Tonnen Aluminiumoxid wird so eine Tonne Primäraluminium gewonnen.

‍Anwendungen / Produkte‍

Aluminium wird in nahezu allen Gebieten der Technik und des täglichen Lebens eingesetzt. Sein geringes Gewicht hilft im Verkehrssektor - ob als Motorblock oder Karosserie im PKW, als ICE-Mittelwagen oder im Flugzeugbau - Treibstoff bzw. Energie zu sparen. Im Bauwesen sind die Langlebigkeit und die Wartungsfreiheit von Fenstern, Fassaden und Dächern aus Aluminium gefragt. In der Verpackung schützt es aufgrund seiner Barriere-Eigenschaft Lebensmittel und Pharmazeutika. Seine gute Leitfähigkeit macht es für die Elektrotechnik interessant.

‍Wirtschaftliche Bedeutung‍

Die Verwendung von Aluminium in Deutschland belief sich 2016 auf rund 3,3 Millionen Tonnen. Wichtigster Verwendungssektor ist der Verkehr, gefolgt von Bauwesen, Maschinenbau, Verpackung, Eisen- / Stahlindustrie und Elektrotechnik. Insgesamt wurden 2016 gut 547.000 Tonnen Aluminium erzeugt, die Sekundärhütten produzierten 723.000 Tonnen Recycling-Aluminium. Die Produktion von Halbzeug (Walz- und Strangpressprodukte sowie Drähte und Schmiedeteile) betrug 2,4 Millionen Tonnen, der Formguss lag bei 1,1 Millionen Tonnen. Die Aluminiumweiterverarbeitung erstreckt sich auf die Herstellung von Folien und dünnen Bändern (2016: 267.000 Tonnen), auf die Fertigung von Tuben, Aerosol- und sonstigen Dosen (2016: 42.000 Tonnen) sowie auf die Produktion von Aluminiumpulver (2016: 28.000 Tonnen). Der gesamte Branchenumsatz von 12,5 Milliarden Euro wird von rund 41 200 Mitarbeitern in 167 Betrieben erwirtschaftet.

Gesundheit‍

Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit in unterschiedlichen Verbindungen Bestandteil nahezu aller Gesteine und Böden. Es ist ungiftig und daher ernährungsphysiologisch unbedenklich. Im Durchschnitt werden über die Nahrung täglich etwa zwei bis fünf Milligramm in Form von Aluminiumverbindungen aufgenommen. Der größte Teil davon wird durch die Nieren über den Urin wieder ausgeschieden.

‍Recycling‍

Für die Erzeugung von einer Tonne Primäraluminium sind rund 13,5 MWh Strom erforderlich. Bliebe der Blick allein auf die Primärerzeugung konzentriert, übersähe man allerdings, dass die einmal eingesetzte Energie im Metall gespeichert bleibt und im Recyclingprozess "reaktiviert" wird. Nicht zuletzt auf Basis  des niedrigen Schmelzpunktes (660°C) sind nur ca. fünf Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie beim Recycling von Aluminium erforderlich. Energievergleiche von Werkstoffen werden mit Bezug zum Endprodukt und zu dessen Lebenszyklus aussagekräftig: So senkt der Einsatz von Aluminium in Autos den Kraftstoffverbrauch und hilft obendrein, knappe Ressourcen wie Mineralöl zu schonen. Im Bauwesen tragen die Wartungsfreiheit und die Langlebigkeit der Aluminiumprodukte zu Energieeinsparungen bei. Mit einem Kilogramm Aluminium können weit mehr Lebensmittel verpackt werden als mit anderen Metallpackstoffen. In der Langfristbetrachtung ergibt sich für den Werkstoff Aluminium daher eine positive Energiebilanz. Da Aluminium nach der Verwendung einen hohen Schrottwert besitzt und seine Werkstoffqualität beim Recycling nicht einbüßt, hat sich schon früh eine gut funktionierende Sekundärwirtschaft herausgebildet: z. B. als Altschrott aus den Bereichen Verkehr, Bau, Elektronik oder Verpackung. Die Metallkreisläufe sind heute weitgehend geschlossen.

Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung‍

Magnesium wurde nach der Region Magnesia (heute Magnisia) in Griechenland benannt. Bereits um 1755 wurden Calcium- und Magnesiumsalze von dem Schotten Joseph Black beschrieben. Eine Reindarstellung der Elemente war aber zu seiner Zeit noch nicht möglich. Erst dem Engländer Humphry Davy gelang dies 1808 mittels elektrolytischer Spaltung von Magnesiumoxid. Diese noch stark verunreinigte metallische Form nannte er "Magnium". Erst später erhielt Magnesium seinen heute gültigen Namen, um eventuelle Verwechslungen mit Mangan zu vermeiden. Ziemlich genau zwanzig Jahre später waren die präparativen Methoden soweit verfeinert, dass Bussy und Liebig Magnesium hoher Reinheit darstellen konnten. In der Zeit um 1890 begann man schließlich mit der großtechnischen Herstellung des Metalls.

‍Vorkommen‍

Magnesium ist nach Calcium das zweithäufigste Erdalkalimetall. Es ist allgemein verbreitet und mit einem Anteil von ca. zwei Gewichtsprozent das achthäufigste Element in der Erdkruste. Elementar kommt es in der Natur nicht vor, sondern nur in Verbindungen wie Carbonaten, Silicaten und Sulfaten. Als Dolomit, einem Calcium- und Magnesiumcarbonat (CaCO3 x MgCO3), bildet es ganze Gebirgszüge. Andere wichtige Magnesium-Mineralien sind: Magnesiumcarbonate wie Magnesit (Bitterspat); Silikate wie Olivin, Serpentin; Magnesiumsulfate wie Kieserit sowie Chloride wie Carnallit. Große Mengen von Magnesiumsalzen befinden sich auch in den Weltmeeren, wo es als Chlorid auftritt.

‍Physikalisch-chemische Eigenschaften‍

Magnesium ist ein relativ weiches, silbrig-glänzendes Metall. Es ist sehr leicht und gut dehnbar. Das Metall überzieht sich an der Luft nach und nach mit einer grauen Oxidschicht, die es vor weiteren Reaktionen schützt. Wird das Leichtmetall erhitzt, verbrennt es mit sehr heller, weißer Flamme zu Magnesiumoxid, die nur schwer zu löschen ist. Mit Säuren reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas; von Laugen wird es dagegen nicht angegriffen. Magnesium ist ein recht guter elektrischer Leiter, wobei seine Leitfähigkeit nur etwa zu einem Drittel der von Kupfer entspricht. Wie die anderen Elemente seiner Gruppe hat es aufgrund seiner Elektronenkonfiguration in Verbindungen ausschließlich die Oxidationsstufe +2.

‍Industrielle Gewinnung‍

Zur Herstellung von reinem Magnesium sind zwei Verfahren von Bedeutung. Das bedeutendere ist die Herstellung durch Schmelzflusselektrolyse von wasserfreiem Magnesiumchlorid, das nach dem sogenannten DOW-Verfahren aus Meerwasser gewonnen wird. (Ausfällung von Magnesiumhydroxid durch Zugabe von Kalkmilch und spätere Umwandlung in Magnesiumchlorid durch Zugabe von Salzsäure.)

Nach einem in Deutschland entwickeltem Verfahren  kann das Magnesiumhydroxid durch Calcinieren, bzw. durch kräftiges Erhitzen zunächst in Magnesiumoxid und dann unter Zusatz von Kohle und Chlor in Schachtöfen zu Magnesiumchlorid umgesetzt werden. Die nachfolgende Schmelzflusselektrolyse erfolgt bei ca. 800°C und 5-7 Volt unter Zusatz von Kaliumchlorid und Calciumchlorid zur Schmelzpunkterniedrigung. Die Herstellung von Magnesium ist relativ energieaufwendig, jedoch kann das Metall immer wieder ohne Qualitätsverlust recycelt werden.

Nach dem zweiten Verfahren wird Magnesium durch die thermische Reduktion von Magnesiumoxid hergestellt. Der Prozess findet in Elektroöfen bei ca. 2000°C statt. Als Reduktionsmittel eignen sich Koks und Calciumcarbid.

‍Anwendungen / Produkte‍

Reines Magnesium wird in der Technik aufgrund der geringen Härte und der hohen Korrosionsanfälligkeit kaum verwendet. Magnesiumlegierungen, zum Beispiel mit Aluminium, zeichnen sich jedoch durch ihre geringe Dichte, ihre hohe Festigkeit und ihre Korrosionsbeständigkeit aus. Daher werden diese zum Bau von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und Maschinenbauteilen häufig eingesetzt. Mit Dichten von 1,3 bis 1,9 g/cm³ sind technische Magnesiumlegierungen die leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe überhaupt.

Auch Aspekte wie die praktisch unbegrenzte Verfügbarkeit und prinzipiell gute Recyclingfähigkeit weisen auf eine überlegene Stellung von Magnesiumlegierungen im Rahmen zukünftiger Entwicklungen des Maschinen- und Fahrzeugbaus hin.

‍Wirtschaftliche Bedeutung‍

Die weltweite Hüttenproduktion von Magnesium lag im Jahr 2014 bei etwa einer Million Tonnen. Hauptproduzenten sind China (mit deutlichem Abstand der größte Produzent), die USA, Israel, Russland und Kasachstan. In Deutschland wird kein Primär-Magnesium hergestellt. Die deutsche Produktion von Magnesium-Gussteilen lag 2016 bei 17.000 Tonnen.

Recycling‍

Magnesium kann ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Aufgrund der Oxidationsanfälligkeit von Magnesium ist das Recycling von Magnesiumschrott jedoch ein sehr anspruchsvoller Prozess und daher nicht stark verbreitet.

Druckguss ist das häufigste Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung. Der dabei anfallende Ausschuss kann durch Recycling nahezu vollständig in den Produktionsprozess zurückgeführt werden. Aber auch Magnesiumspäne und Schlacke können in einem aufwendigen Verfahren recycelt werden. Durch ein Closed-Loop-Recycling-System kann der Bedarf an Primärmaterial um bis zu 50 Prozent gesenkt werden. Je nach Verfahren variiert der Energeieinsatz. Der Energiebedarf beim  Schmelzverfahren beträgt nur rund 50 Prozent der Energiemenge, die für die Destillation erforderlich ist.

Ein Großteil des im Umlauf befindlichen Aluminiums wird über das etablierte Recycling von Aluminium-Magnesium-Legierungen im Kreislauf geführt. Darüber hinaus findet ein Recycling von sauberem, kompaktem Magnesium-Neuschrott mit bekannter Zusammensetzung statt.

Wesentliche Voraussetzungen für die weitere Erhöhung der Recyclingrate sind die Werkstoffkennzeichung und ein recycling-freundliches Konstruieren, die die Demontage kompakter verunreinigungsarmer Teile erlauben.