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Bild 1: Kupferlappen der Firma rezi®
(Foto: S. Streller)

Wozu verwendet man Kupfer eigentlich?
Kupfer ist ein Metall, das uns allen gegenwärtig ist und vor allem durch seinen roten Farbton besonders auffällig ist. Es gehört mit einer Dichte von 8,92 g/cm³ zu den Schwermetallen und schmilzt bei 1083°C. Kupfer leitet sowohl den elektrischen Strom als auch Wärme sehr gut. Es besticht neben der guten Leitfähigkeit aber noch mit anderen Eigenschaften: Kupfer ist als Metall relativ weich (Mohs Härte 2,5-3), gut verformbar und dehnbar. Als Halbedelmetall ist es relativ stabil an Luft; oberflächlich oxidiert Kupfer langsam zu Kupfer(I)-oxid, das an der Oberfläche fest haftet. [3]

All diese Eigenschaften begründen die intensive und vielfältige Nutzung von Kupfer z. B. in elektrischen Kabeln, als Material für Töpfe und Pfannen, als Baumaterial für Regenrinnen und Dächer, als Münzmetall und als Wasserleitungen in Gebäuden. Der hohe Verbrauch an Kupfer ist auch der Grund für seinen Preis. Lag der Kupferpreis im Jahr 2003 noch bei ca. 1800 Euro pro Tonne sind es inzwischen über 4000 Euro pro Tonnen Rohkupfer [4]. Mit dem steigenden Rohkupferpreis steigt natürlich auch der Preis für Kupferschrott. Das hat zur Folge, dass der systematische Diebstahl von Stromkabel an Bahnstrecken, von Regenrinnen, Wasserfallrohren und Dachabdeckungen von Kapellen auf Friedhöfen inzwischen bedenkliche Ausmaße angenommen hat [5].

Ist Kupfer als Schwermetall gesundheitsschädlich?
Kupfer ist für Menschen und höhere Tiere essentiell und wird zum Aufbau bestimmter Proteine mit Enzymfunktion benötigt. Menschen enthalten ungefähr 3 mg Kupfer pro kg Körpergewicht. Weichtiere und Krebse benötigen Kupfer für den Aufbau des Atmungskatalysator Hämocyanin (statt Hämoglobin). Für Algen, Kleinpilze und Bakterien stellt Kupfer jedoch ein starkes Gift dar. Bakterien in Wasser sterben zum Beispiel ab, wenn sie sich in einem kupfernen Gefäß befinden. Auch der Haushaltstipp, eine kupferne Münze ins Blumenwasser zu legen, damit die Blumen länger frisch bleiben, beruht auf dieser Wirkung. An Kupfermünzen und Messingtürklinken halten entsprechend auch keine Bakterien. [3] Der Einsatz von Kupfer als Leitungen für Trinkwasser ist einerseits hygienisch, andererseits bedenklich, wenn der pH-Wert des Wassers unter 7,3 liegt [6], da insbesondere für Säuglinge der Kupfergehalt im Wasser gefährlich werden kann.

Die giftige Wirkung auf Kleinstlebewesen macht man sich im Schiffsbau zunutze. Dort werden sogenannte Antifoulingmittel an die Schiffrümpfe gestrichen, um den Bewuchs mit Algen und Muscheln zu verhindern. Diese Mittel sind oft kupferhaltig. Durch den damit verbundenen Eintrag des Schwermetalls in die Meere sind diese kupferhaltigen Anstriche in Verruf geraten und in Belgien und den Niederlanden bereits verboten.

Und wozu bräuchte man nun einen Kupferlappen?
Der Hersteller verspricht, dass der Kupferlappen selbst hartnäckigsten Schmutz behutsam abhebt und z. B. für die schonende Reinigung von Töpfen und Pfannen, Besteck, Fahrrädern und alle nicht lackierten Teile am Auto geeignet ist. Allerdings solle man immer genug Wasser bei der Reinigung verwenden, da Kupfer im nassen Zustand nicht kratzt [1]. So?! Ein Blick in die Ritzhärteskala von Friedrich Mohs [6] zeigt, dass Kupfer mit der dort angegebenen Härte von 3 über der von Aluminium (2,3-2,9), Gold und Zink (2,5) sowie Silber (2,7) liegt. So ganz kratzfrei dürfte die Reinigung dieser Materialien (z.B. von Silberbesteck oder Alufelgen) dann nicht erfolgen, wenngleich die verwendeten Metalle in der Regel als Legierungen vorliegen, die eine größere Härte als die reinen Stoffe aufweisen. Da normale Wischlappen und Schwämme, die in unseren Küchen oft lange Zeit feucht sind und mit Nahrungsmittelresten im Abwasch verschmutzt sind, Brutstätten von Keimen sind, könnte die antibakterielle Wirkung von Kupfer dieses Putzmittel zu einem hygienischen Lappen in der Küche werden lassen.

Der Kupferlappen im Chemieunterricht – ein Vorschlag
(Dieser Unterrichtsvorschlag ist gemeinsam mit Mario Hoffmann entwickelt worden.)

Der Öko Kupferlappen® ist neben vielen anderen – z.T. - skurrilen Produkten – nur eines, was sich in unseren Läden findet und das geeignet ist, mit Schülerinnen und Schülern Fragen zu entwickeln, die im Chemieunterricht beantwortet werden können. Ausgangspunkt für forschendes Lernen sind also Produkte des täglichen Lebens, die von den Schülerinnen und Schülern in Kleingruppen zunächst erkundet werden. Die Schülerinnen und Schüler notieren dabei alle Fragen, die in Bezug auf das Produkt und kategorisieren ggf. die Fragen. Je nach Unterrichtsziel werden eine oder mehrere Fragen ausgewählt, Vermutungen zu dieser Frage aufgestellt und ggf. eine Versuchsplanung entworfen.

Die folgenden Fragen sind entstanden, als wir uns intensiver mit dem Lappen beschäftigt haben:

• Warum heißt der eigentlich Öko-Lappen?
• Warum ist der Lappen überhaupt aus Kupfer?
• Was heißt kratzfrei?
• Gibt es Rost auch bei Kupfer?
• Welche Funktion hat das Kupfer?
• Ist die Nutzung von Kupferlappen gesundheitlich unbedenklich?
• Ist der Kupferlappen umweltfreundlich?
• Löst sich der Lappen irgendwann auf und gelangen dann Kupfer-Ionen in die Umwelt?
• Kann man mit dem Lappen genauso gut abwaschen wie mit einem Stofflappen?
• Was ist das für ein Kunststoff, mit dem das Kupfer verwirkt ist? Die Herstellerfirma schreibt von PSE, Manufactum von Nylon!

Einige der Fragen lassen sich durch gezielte Recherche beantworten, andere können experimentell untersucht werden. Wir sind zunächst der Frage „Ist der Kupferlappen umweltfreundlich?“ nachgegangen und haben zwei Vermutungen formuliert, die so auch von Schülerinnen und Schülern formuliert werden könnten:

• Der Öko Kupferlappen® ist nicht umweltfreundlich, da er von Säuren angegriffen wird und Kupfer-Ionen freisetzt, die schädlich für Organismen sind.
• Der Lappen ist umweltfreundlich, denn Kupfer ist ein edles Metall, das von keinem Stoff im Haushalt angegriffen werden kann.

Die experimentelle Prüfung dieser Vermutungen zeigen wir mit dem nachstehenden Versuch. Viele der anderen Fragen können ebenfalls experimentell untersucht werden. So bieten sich Kratzproben auf verschiedenen Materialien an, Härtebestimmungen von Feststoffen oder einfach Untersuchungen der Reinigungswirkung im Vergleich zu Stahl- oder Kunststoffschwamm.

Versuch: Beständigkeit des Öko Kupferlappens® gegenüber Haushaltsreinigern

8 Reagenzgläser werden gleich hoch mit verschiedenen Flüssigkeiten, die im Haushalt zur Reinigung verwendet werden, befüllt (z.B. Wasser, Wasser mit Spülmittel, Tafelessig, Essigessenz, Spiritus, Entkalker, verdünnte Salzsäure, Badreiniger). Zu diesen Lösungen werden gleich große Stücke des Kupferlappens gegeben und die Reagenzgläser verschlossen.

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Bild 2: Stücke des Kupferlappens in Haushaltsreinigern - von links nach rechts: 1. Wasser – 2. Wasser mit Spülmittel (Denkmit)– 3. Wasser mit Badreiniger (Denkmit) 1:1 – 4. Wasser mit Tafelessig 1:1 – 5. Essigessenz – 6. Brennspiritus – 7. Bio-Schnellentkalker – 8. Salzsäure (1%)
(Foto: S. Streller)

In regelmäßigen Zeitabständen (Stunden und Tage) werden einige Tropfen aus jedem Reagenzglas entnommen und mit konzentriertem Ammoniak versetzt. Eine Blaufärbung (Kupfertetramminkomplex) zeigt die Anwesenheit von Kupfer(II)-Ionen.

Entsorgung: Lösungen zum Schwermetallabfall geben

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Bild 3: Stücke des Kupferlappens in Haushaltsreinigern nach 72 Stunden – von links nach rechts: 1. Wasser – 2. Wasser mit Spülmittel (Denkmit) – 3. Wasser mit Badreiniger (Denkmit) 1:1 – 4. Wasser mit Tafelessig 1:1 – 5. Essigessenz – 6. Brennspiritus – 7. Bio-Schnellentkalker – 8. Salzsäure (1%)
(Foto: S. Streller)

Auffällig sind die Färbungen in den Gläsern mit Badreiniger (enthält Milch- und Ameisensäure), Tafelessig, Essigessenz, Schnellentkalker (enthält Citronensäure) und verdünnter Salzsäure, obwohl die Säuren keine oxidierenden Säuren sind. Eine Reaktion mit Kupfer ist eigentlich nicht möglich ebenso wenig die Entstehung von Wasserstoff.

Wie kann dieses Ergebnis erklärt werden? Zwei Möglichkeiten der Erklärung bieten sich an: 1. Da Kupfer an der Luft oxidiert, besitzt der Kupferlappen bereits einen Überzug von Kupfer(I)-oxid. 2. Da alle Reagenzgläser offen sind und Luftsauerstoff hinzutreten kann, kann auch in der Lösung Kupfer oxidieren. Das entstandene Kupfer(I)-oxid wiederum oxidiert in feuchtem Zustand leicht zu Kupfer(II)-hydroxid [3].

4 Cu + O₂ -> 2 Cu₂O
2 Cu₂O + O₂ + 4 H₂O -> 4 Cu(OH)₂

Die so entstandenen Kupfer(II)-Ionen färben die Lösung blau (nach Zugabe von Ammoniak wird die blaue Farbe durch die Bildung eines Kupfertetramminkomplexes intensiver) bzw. wird die Lösung durch die Bildung des Chlorokomplexes in Salzsäure grün.

Grüne Färbung: Cu²⁺ + 4 Cl^- -> [Cu(Cl)₄]^2-
Blaue Färbung: Cu²⁺ + 4 NH₃ -> [Cu(NH₃)₄]²⁺

Mit diesem Versuch konnten wir zeigen, dass der Öko Kupferlappen® von gängigen Reinigungsmitteln mit der Zeit angegriffen wird. Gleichwohl reinigt natürlich niemand tagelang einen Gegenstand und so wird bei normaler Putzzeit von einigen Minuten noch kein Kupfer in Lösung gehen. Doch mit der Zeit und bei häufiger Verwendung oxidiert so ein Kupferlappen und die entstandenen Kupfer-Ionen gelangen dann über das Abwasser in die Umwelt. Inwieweit der Kupferlappen nun das Prädikat „ÖKO“ verdient hat, muss letztlich jeder selbst entscheiden.

Literatur:
[1] http://www.rezi.at/de (Zugriff 21.3.2016; 12:59)
[2] http://www.manufactum.de/kupferlappen-p761586/ (Zugriff 21.3.2016; 13:25)
[3] A. F. Holleman, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1995, 101. Auflage, S. 1320ff.
[4] http://www.boerse.de/historische-kurse/Kupfer/XC0005705501_seite,255,anzahl,20 (Zugriff 8.5.2016; 8:04)
[5] http://buero-rohm.de/reportagen/gestoerte-totenruhe (Zugriff 8.5.2016; 8:09)
[6] http://www.bfr.bund.de/de/presseinformation/1998/04/kupferrohre_nicht_fuer_alle_trinkwasserinstallationen_geeignet-841.html (Zugriff 21.3.2016; 14:14)
[7] Herrmann, K.: Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen. Expert-Verlag, Renningen, 2007.

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