Koper is niet meer weg te denken uit onze moderne maatschappij. Wat te denken van bijvoorbeeld de toepassing in computers en in waterleidingen? Kennislinkcorrespondent Jack Voncken (TU Delft) vertelt precies wat koper is, waar het vandaan komt en over de diverse toepassingen. Ook molybdeen komt aan bod.
Koper is een scheikundig element met symbool Cu en atoomnummer 29. Het is een roodachtig overgangsmetaal, wat een element uit de kolommen 3 tot en met 12 van het periodiek systeem is.
De dichtheid van koper is 8960 kg/m3, en het smeltpunt is 1084°C. Koper wordt zeer veel toegepast, en bijna iedereen heeft er wel eens van gehoord. Ook zijn veel toepassingen van koper al heel erg oud.
Waar de naam koper vandaan komt, is niet bij iedereen bekend. Het is afgeleid van het Latijnse woord cuprum, vandaar dat het scheikundige symbool van koper ook Cu is. Cuprum komt weer van aes cyprium (‘erts van Cyprus’). Enkele duizenden jaren voor onze jaartelling (ca. 3000–2300 v. Chr.) werd koper namelijk gewonnen op dit eiland.
De belangrijkste mineralen van koper zijn chalcopyriet (CuFeS2), borniet (Cu5FeS4), chalcociet (Cu2S), digeniet (Cu9S5), covelliet (CuS), azuriet (Cu3(CO3)2(OH)2) en malachiet (Cu2CO3(OH)2). Deze mineralen worden in ruime mate in de aardkorst aangetroffen.
Kopererts wordt in hoofdzaak gewonnen in Chili, Peru en de Verenigde Staten. De grootste producent van koper is Peru. In het afgelopen decennium is vooral in Indonesië de koperproductie sterk gegroeid, want in 2009 was het land de op drie na grootste producent.
Molybdeen
Molybdeen is bij het grote publiek een vrij onbekend metaal. Het is een scheikundig element met symbool Mo en atoomnummer 42. In 1778 had Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) al molybdeenoxide weten te bereiden. Het metaal zelf is in 1781 ontdekt door de Zweed Peter Jacob Hjelm (1746–1813). Molybdeen is een grijs overgangsmetaal. De naam komt van het Griekse woord molybdos. Dit betekent zoiets als op lood lijkend.
In tegenstelling tot koper gebruiken we molybdeen pas sinds de 20e eeuw. Molybdeen wordt hoofdzakelijk gebruikt in legeringen. Verder wordt het onder andere gebruikt als katalysator in de petroleumindustrie, als pigment (in de vorm van molybdeenzouten), en in de vorm MoS2 als smeermiddel bij hoge temperaturen. Molybdeen is ook een belangrijk spore-element voor planten en heeft een heel hoog smeltpunt met 2617°C. Molybdeen-erts (met het ertsmineraal molybdeniet MoS2) wordt vooral gevonden in de VS en in China.
Ontdekking van koper, kopertijd en bronstijd
Koper komt op enkele plaatsen aan de oppervlakte in ertsvorm. Het koper in het erts heeft dan door verwering een groenige kleur, net als op oude bronzen standbeelden. Deze verweringen bestaan uit basische koperverbindingen (carbonaat, sulfaat en chloride). Meest bekend zijn de carbonaten malachiet en azuriet. Malachiet is een koper-carbonaat met de chemische formule Cu2CO3(OH)2. Azuriet is een koper-carbonaat met de chemische formule Cu3(CO3)2(OH)2.
Het verweerde koper viel op door de aparte kleur. Mensen ontdekten dat, en probeerden uit wat ze ermee konden doen. Het gebruik van koper kan wellicht op de volgende manieren zijn begonnen: men gebruikte azuriet of malachiet als verfstoffen, smeerde het op potten, of versierde er kralen mee. De oude Egyptenaren gebruikten het groene malachiet al als oogmake-up.
De kopertijd – die ook wel de kopersteentijd wordt genoemd (Chalcolithicum of Äneolithicum) – is een archeologische cultuurperiode. Deze periode wordt ook wel als het laatste deel van de jonge steentijd (Neolithicum) beschouwd. Hierin leerde de mens het metaal koper te bewerken en er gereedschappen van te maken. Doorgaans wordt de kopertijd gedateerd tussen 5500–3300 v. Chr.
De oudste kopervondsten stammen uit Mesopotamië en Anatolië. Opgravingen in het noorden van wat tegenwoordig Irak is, vertellen ons dat de mens al koper gebruikte rond 8700 v. Chr. Aanvankelijk gebruikten de mensen alleen koper zoals dat in de natuur voorkomt als erts: malachiet en azuriet. Het oudst bekende koperen gebruiksvoorwerp is circa 7000 jaar oud (5000 v. Chr.).
Het Midden-Oosten is waarschijnlijk de bakermat van het gebruik van metalen door de mens. Sinds ca. 3000 v. Chr. gebruiken mensen daar al brons, een legering van koper en tin. Tinerts was nog zeldzamer was dan kopererts, en dus werd dit een waardevol materiaal. Het werd over grote afstanden vervoerd, en tegen hoge prijzen verhandeld. De kennis van het maken van brons heeft zich langzaamaan verspreid door Europa. De Bronstijd duurde tot ca. 800 v. Chr.
Moderne toepassingen van koper
Koper wordt vandaag de dag gebruikt als zuiver metaal, maar ook in tal van legeringen (bijvoorbeeld messing, een legering van koper en zink, met
40% zink), en in brons (koper en tin met ca. 10–30% tin).
Koper is een vrij zacht metaal. Het is dus buigzaam en eenvoudig te vervormen. Koper heeft een groot geleidingsvermogen voor warmte. Ook is koper één van de beste geleiders van elektriciteit, en wordt daarom veel gebruikt in elektrische leidingen. Ook industrieel wordt het op grote schaal gebruikt. Een aantal belangrijke toepassingen van koper zijn in de vorm van draad als elektriciteitskabel, in elektromagneten en in elektromotoren (in de wikkelingen), in munten (bijvoorbeeld in die van 1, 2 en 5 eurocent) en als brons in kunstwerken en standbeelden. Ook in de waterzuivering wordt koper gebruikt. Men past daar het zout koper(II)sulfaat (CuSO4) toe.
Koperertsen
Koperertsen worden gevormd door magmatische en hydrothermale processen. Er zijn een tweetal hoofdtypen. Het eerste betreft de zogenaamde porfirische koperertsen. Een porfier (ook wel: porfirisch gesteente) is een stollingsgesteente met relatief grote kristallen omgeven door kleinere kristallen. Het tweede type is dat van de zogenaamde stratiforme (laagvormige) afzettingen.
Porfirische koperertsen
De meeste porfirische koperertsen zijn van Krijt-ouderdom of jonger (jonger dan 145 miljoen jaar). Oudere ertsen zijn meestal door erosie verdwenen. Deze ertsen zijn gerelateerd aan grootschalige intrusies (indringingen) van gesmolten gesteente in de ondergrond (magma). Dat gesmolten gesteente was van granitische of granodioritische samenstelling en is tot op een halve km onder het aardoppervlak doorgedrongen en daar gestold. Granodioriet is een aan graniet verwant stollingsgesteente, dat echter minder silica (SiO2) bevat. Granodioriet bevat 63–68% silica, graniet ongeveer 70% of zelfs meer.
De porfirische koperertsen worden gekenmerkt door een wirwar van kleine adertjes met kopersulfide-mineralen in (door de invloed van kopervoerende vloeistoffen) omgezet granietgesteente. In deze adertjes vinden we koper als metaalsulfides (chalcopyriet, CuFeS2, chalcociet, Cu2S, borniet Cu5FeS4). Ook molybdeen (Mo) in de vorm van molybdeniet (MoS2) is een regelmatig voorkomend mineraal.
Molybdeen wordt dan ook vaak als bijproduct van koper gewonnen in dit soort ertsen. In deze ertsen komen doorgaans ook kleine hoeveelheden goud en zilver voor, welke eveneens als bijproduct worden gewonnen. Er bestaan afzettingen van dit soort die meer molybdeen dan koper bevatten, de zogenaamde porfirische molybdeenertsen. De bekendste hiervan zijn de Climax- en Henderson-afzettingen in Colorado, VS. De Climax-mijn is uitgeput en gesloten. Economisch winbare ertsen van molybdeen zijn alleen als afzettingen bekend.
De porfirische ertsen zijn gewoonlijk niet erg rijk. De gehaltes zijn bijvoorbeeld 0,5–1,0% Cu, en 0,1–0,5% Mo. De ertslichamen zijn echter vaak zeer groot, en bevatten vele tientallen miljoenen tot honderden miljoenen tonnen erts. Het gemiddelde gehalte is 0,56% Cu. De Chuquicamata-mijn in Chili is één van de grootste dagbouwmijnen ter wereld, met een lengte van 4,3 km, een breedte van 3 km en een diepte van meer dan 900 m. In Europa komen aderafzettingen met kopererts gerelateerd aan de porfirische afzettingen voor bij Bor in Servië.
Stratiforme koperertsen
Een ander type afzetting wordt gevormd door de zogenaamde stratiforme (laagvormige) afzettingen. Hierbij is het water voor de Cu-voerende ertsoplossingen afkomstig van ontwatering van sedimenten als gevolg van compactie (samendrukking). Deze afzettingen komen voor in gebieden waar slenkvorming optreedt, zoals in Afrika.
Het water – dat gewoonlijk chloride bevat – percoleert bij de breukzones door sedimentair gesteente (afzettingsgesteente) dieper de aarde in, waarbij het koper opneemt. Dit laatste komt omdat het water steeds warmer wordt en zo makkelijker ionen opneemt. Daar waar deze oplossingen zwavelhoudende mineralen, zoals anhydriet (CaSO4) ontmoeten, slaan sulfides neer, zoals chalcopyriet, borniet, e.d. Molybdeen komt niet in dergelijke ertsen voor.
Een bekend voorbeeld is de zogenaamde Afrikaanse Kopergordel (African Copperbelt). Deze sterkt zich boogvorming uit door Zambia, Congo, Angola en Namibië. Het betreft ongeveer twintig verertsingen met samen 5 miljard ton erts met een gehalte variërend van 2,5–4,5% Cu en 0,2% kobalt (Co). Het kobalt wordt als bijproduct gewonnen.
Koperconsumptie en koperprijs
Koper wordt evenals andere metalen verhandeld op internationale metalenbeurzen, zoals de London Metal Exchange (LME).
Er is meer vraag naar koper dan er op de wereldmarkt wordt aangeboden. Als gevolg hiervan dalen de voorraden aan koper en is de prijs hoog. De prijs van koper steeg in 2011 naar een recordniveau. Op 4 februari kwam de prijs van koper op 10.000 US$/ton te liggen. Dit was toen het hoogste bedrag ooit. De prijs is nu weer wat gedaald, naar 8781 US$/ton (data 19 september 2011). In 2001 was de prijs van koper nog ongeveer 1500 US$/ton. Ter vergelijk: het veel duurdere molybdeen kostte op 19 september 2011 ongeveer 31.500 US$/ton.
Hoewel er nog steeds koperertsen worden gevonden, lijkt het erop dat de grootste ertslichamen wel gevonden zijn en geëxploiteerd worden. Dat zou kunnen betekenen dat koper in de toekomst nog duurder wordt dan nu het geval is.
Zie ook (Kennislink):
- Goud, Goudertsen en Goudwinning (Kennislinkartikel)
- IJzer, ijzererts en ijzer maken (Kennislinkartikel)
- De ijzerertsen van Kiruna, Zweden (Kennislinkartikel)
- Nikkel en Nikkelertsen (Kennislinkartikel)
- Ontstaansgeschiedenis van de steenkolenwinning in Nederland (Kennislinkartikel van Gea)
- Zeldzame Aardelementen (Kennislinkartikel)
- London Metal Exchange (Engels)
- De Los Bronces afzetting (Engels)