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Metalle. Kupfer.

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Die Position von Kupfer im Periodensystem der chemischen Elemente und die Struktur des Atoms.
Kupfer ist ein Element einer sekundären Untergruppe der Gruppe I (Gruppe IB)

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In der Natur sein.
Kupfer kommt in der Natur überwiegend in gebundener Form vor und ist Bestandteil folgender Mineralien: Kupferglanz Cu2S und Malachit CuCO3 Cu(OH)2

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In der Natur sein.
Cuprit Cu2O
Kupferpyrit CuFeS2

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Kupfer gewinnen.
Der Prozess der Kupfergewinnung ist sehr komplex. Hierfür eignen sich am besten Oxide. Mit Hilfe von Koks und Kohlenoxid (II) wird in der Nichteisenmetallurgie aus Cuprit Cu2O Kupfer gewonnen.

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Physikalische Eigenschaften.
Kupfer ist ein goldrosa duktiles Metall; an der Luft überzieht es sich schnell mit einem Oxidfilm, der ihm einen charakteristischen intensiven gelblich-roten Farbton verleiht. Dünne Kupferschichten haben bei Lichteinwirkung eine grünlich-blaue Farbe.

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Schmelzpunkt 1083 ºС. Ein ausgezeichneter elektrischer Stromleiter (nach Silber an zweiter Stelle).

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Chemische Eigenschaften.
Wechselwirkung mit Nichtmetallen Mit Sauerstoff bildet Kupfer je nach Wechselwirkungstemperatur zwei Oxide: Bei 400–500 °C entsteht zweiwertiges Kupferoxid: 2Cu + O2 = 2CuO; bei Temperaturen über 1000°C entsteht Kupfer(I)-oxid: 4Cu + O2 = 2Cu2O.

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Beim Erhitzen mit Fluor entstehen Chlor-, Brom- und Kupfer(II)-halogenide: Cu + Br2 = CuBr2; mit Jod entsteht Kupfer(I)-iodid: 2Cu + I2 = 2CuI. Kupfer reagiert nicht mit Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Silizium.

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Wechselwirkung mit Säuren.
In der elektrochemischen Spannungsreihe von Metallen steht Kupfer nach Wasserstoff und interagiert daher nicht mit Lösungen verdünnter Salz- und Schwefelsäure sowie Laugen.

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Löst sich in verdünnter Salpetersäure unter Bildung von Kupfer(II)-nitrat und Stickstoff(II)-oxid auf: 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O. Reagiert mit konzentrierten Lösungen von Schwefel- und Salpetersäure unter Bildung von Kupfer(II)-Salzen und Säurereduktionsprodukten: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O; Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. Kupfer reagiert mit konzentrierter Salzsäure zu Wasserstofftrichlorcuprat (II): Cu + 3HCl = H + H2.

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Wiederherstellende Eigenschaften.
Kupfer wird durch Stickoxid (IV) und Eisenchlorid (III) oxidiert: 2Cu + NO2 = Cu2O + NO; Cu + 2FeCl3 = CuCl2 + 2FeCl2.

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Anwendung.
Reines Kupfer (99,9 % Cu) wird in der Elektroindustrie zur Herstellung von elektrischen Leitungen, Kabeln und in Wärmetauschern verwendet.

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Kupferdraht wird häufig in der Elektro- und Energietechnik, in der Telekommunikationsindustrie, im Schiffbau und in der Automobilindustrie zur Herstellung von Elektrokabeln, Drähten, Wicklungen, Funkenzündklemmen und Schmelzsicherungen verwendet

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Legierungen, die Kupfer verwenden, werden in verschiedenen Bereichen der Technik häufig verwendet, wobei die oben genannten Legierungen Bronze und Messing am weitesten verbreitet sind. Zum Beispiel in der Zusammensetzung des sogenannten Kanonenmetalls, das im 16.-18. Jahrhundert vorkam. wurde eigentlich für die Herstellung von Artilleriegeschützen verwendet, alle drei Hauptmetalle sind enthalten – Kupfer, Zinn, Zink. Heutzutage wird es aufgrund seiner hohen Duktilität in militärischen Angelegenheiten in kumulativer Munition verwendet; von Waffenhülsen. Zur Prägung von Kleingeldmünzen werden Kupfer-Nickel-Legierungen verwendet. Kupfer-Nickel-Legierungen, darunter die sogenannten. Die Legierung „Admiralty“ wird aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig im Schiffbau und bei Anwendungen eingesetzt, die mit der Möglichkeit einer aggressiven Einwirkung von Meerwasser verbunden sind.

Einführung. Zufälligerweise gab es in einer Untergruppe Kupfer, Silber und Gold: Elemente aus der Zeit der Zivilisation. Sie alle fungierten zu unterschiedlichen Zeiten als ultimatives Maß für Werte, mit anderen Worten: Geld. Diese Metalle wurden zum Schmieden von Waffen, zur Herstellung von Haushaltsgegenständen und Schmuck verwendet. Heutzutage sind Kupfer, Silber und Gold mitten im technologischen Fortschritt. Der Physiker wird ihre unübertroffene Wärme- und elektrische Leitfähigkeit hervorheben. Der Bildhauer wird die Plastizität und das schöne Aussehen bemerken. Der Juwelier und der Münzmeister werden ihn unterstützen, und der Chemiker wird sich sicherlich an die edle Trägheit und hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Metalle erinnern. Goldene Maske des Pharaos Tutanchamun. Goldnugget „Mephistopheles“ mit einem Gewicht von 20,25 g, gefunden in Sibirien. Diamantenfonds. Moskau. Silbernugget Monomachs Mütze. Bostock, spätes 13. frühes 14. Jahrhundert. Schüssel. Tschernigow der alten Rus, 12. Jahrhundert. Silber; Schmieden, Schnitzen. Es gehörte dem Fürsten Wladimir Dawydowitsch von Tschernigow.

Geschichte des Kupfers. Kupfer ist seit jeher bekannt und gehört zu den „prächtigen Sieben“ der ältesten von der Menschheit genutzten Metalle – Gold, Silber, Kupfer, Eisen, Zinn, Blei und Quecksilber. Archäologischen Daten zufolge war Kupfer den Menschen bereits vor 600 Jahren bekannt. Es stellte sich heraus, dass es das erste Metall war, das beim alten Menschen den Stein in primitiven Werkzeugen ersetzte. Dies war der Beginn des sogenannten. die Kupferzeit, die etwa 2000 Jahre dauerte. Äxte, Messer, Streitkolben und Haushaltsgegenstände wurden aus Kupfer geschmiedet und dann geschmolzen. Der Legende nach schmiedete der antike Schmiedegott Hephaistos für den unbesiegbaren Achilles einen Schild aus reinem Kupfer. Steine ​​für die 147 Meter hohe Cheopspyramide. Fresko aus Pompeji: Hephaistos zeigt Thetis den für Achilles gefertigten Schild. OK. 70 n. e. Nationalmuseum. Neapel.

Nun ist es unmöglich festzustellen, wann eine Person zum ersten Mal mit Kupfer in Berührung kam. Jedenfalls um 3000 v. Chr. e. die Ägypter konnten daraus bereits Draht herstellen. In der Natur kommt Kupfer manchmal in nativem Zustand vor, was den alten Handwerkern die Gewinnung erleichterte. Sie wussten, wie man mit Steinwerkzeugen verschiedene Produkte aus diesem Metall schmiedet. Später wurden Kupferminen erschlossen, die über den ganzen Planeten verstreut waren: in Nordamerika an den Ufern der Großen Seen, in Asien auf der Sinai-Halbinsel und in Europa auf dem Gebiet des heutigen Österreich und auf der Insel von Zypern. Experten zufolge leitet sich der lateinische Name für das Metall „Cuprum“ vom Namen dieser Insel ab. Der dem russischen Ohr bekannte Name des Metalls „Kupfer“ stammt wahrscheinlich vom altslawischen „Schmied“, was allgemein Metall bedeutete. Kupfernugget.

Anwendung von Kupfer. Kupfer wird seit langem im Bauwesen verwendet: Die alten Ägypter bauten Kupferwasserleitungen; Die Dächer mittelalterlicher Burgen und Kirchen waren mit Kupferblechen gedeckt, beispielsweise war das berühmte Königsschloss in Helsingør (Dänemark) mit Kupferdächern gedeckt. Münzen und Schmuck wurden aus Kupfer hergestellt. Aufgrund seines geringen elektrischen Widerstands ist Kupfer das wichtigste Metall in der Elektrotechnik: Mehr als die Hälfte des produzierten Kupfers wird für die Herstellung von elektrischen Leitungen für Hochspannungsübertragungen und Schwachstromkabeln verwendet. Selbst geringfügige Verunreinigungen im Kupfer führen zu einer Erhöhung seines elektrischen Widerstands und großen Stromverlusten. Die Rümpfe von Schiffen sind mit Kupferzinn ummantelt. Hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ermöglichen die Herstellung von Kupferteilen für Wärmetauscher, Kühlschränke, Vakuumgeräte, Rohrleitungen zum Pumpen von Ölen und Kraftstoffen usw. Kupfer wird auch häufig in der Galvanisierung zum Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf Stahlprodukte verwendet. Wenn beispielsweise Stahlgegenstände vernickelt oder verchromt werden, wird auf ihnen vorab Kupfer abgeschieden; in diesem Fall hält die Schutzschicht länger und ist wirksamer. Kupfer wird auch beim Galvanisieren (d. h. bei der Reproduktion von Produkten durch Erzielung eines Spiegelbilds) verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Metallmatrizen zum Drucken von Banknoten und bei der Reproduktion skulpturaler Produkte.

Bronze. Waffen aus Bronze aus der Juni-Zeit in China. Antike Metallurgen lernten, Kupfer aus Erzen zu gewinnen und ihm Zusätze hinzuzufügen, die die Eigenschaften der Legierung verbesserten. Durch das Mischen von Kupfer mit Zinn erhielten sie Bronze. Es war eine so wichtige Phase in der Menschheitsgeschichte, dass wir sie Bronzezeit nennen. Die ungewöhnlich einfache Methode zur Gewinnung der Legierung (die Flamme eines Feuers schmilzt eine Mischung aus Zinn und Kupfer) ermöglichte es Handwerkern, daraus verschiedene Werkzeuge, Werkzeuge und natürlich Waffen herzustellen. Bronze ist härter als Kupfer, stabil an der Luft, lässt sich leicht zu verschiedenen Produkten verarbeiten, lässt sich aber leichter schmelzen. Die alten Griechen, Mesopotamier und japanischen Handwerker waren in der Lage, besonders hochwertige Legierungen herzustellen. Daher ist es kein Zufall, dass Aufstieg und Niedergang von Staaten in direktem Zusammenhang mit dem Entwicklungsstand der Metallurgie standen.

Bronzeprodukte wurden bei den alten Ägyptern, Assyrern und Etruskern verwendet. In Griechenland und Rom wurden wunderschöne Bronzestatuen gegossen; Viele von ihnen sind bis heute erhalten geblieben, etwa die berühmte Reiterstatue des Marcus Aurelius in Rom oder eines der sieben Weltwunder, der Koloss von Rhodos. Für skulpturale Werke im Freien, insbesondere an Orten mit feuchtem Klima, ist Bronze vorzuziehen, da sich auf der Oberfläche mit der Zeit eine dichte grünlich-braune Schicht, eine Patina, bildet, die das Metall vor weiterer Oxidation schützt. Auch die Schilde römischer Legionäre waren mit Bronze umwickelt. Schild eines römischen Legionärs.

Aus Bronze wurden der von A. S. Puschkin in St. Petersburg verherrlichte „Bronzereiter“ und das Denkmal für Minin und Poscharski auf dem Roten Platz in Moskau gegossen. Aufgrund seiner besonderen mechanischen Eigenschaften und guten Gusseigenschaften ist Bronze ein ideales Metall zum Gießen von Glocken mit lautem und schönem Klang. Jeder kennt die riesige, fast 202 Tonnen schwere „Zarenglocke“ im Moskauer Kreml, gegossen von den russischen Meistern I. F. und M. F. Matronin. Früher wurden auch Waffen aus Bronze hergestellt; Die größte davon, die Zarenkanone (39,3 Tonnen), war für die Verteidigung des Moskauer Kremls bestimmt und wurde 1586 von Meister A. Chokhov von E. M. Falcone gegossen. „Bronzereiter“. Sankt Petersburg. Die Zarenglocke wurde in den Jahren im Auftrag der Kaiserin Anna Ioannowna gegossen. Die Moskauer Gießereiarbeiter Iwan Motorin und sein Sohn Michail ersetzten die Große Himmelfahrtsglocke, die bei einem Brand in der Stadt zerbrochen war.

Zarenkanone. Meister Andrey Chokhov Jahr. Das Denkmal für den Kaufmann Kusma Minin und Fürst Dmitri Poscharski wurde nach dem Entwurf des Künstlers I. P. Martos geschaffen und vom Gießermeister der Akademie der Künste V. P. Ekimov in Bronze gegossen und am 20. Februar 1818 eröffnet.

Und jetzt werden Skulpturen aus Bronze gegossen, Kronleuchter, Kandelaber, Kerzenständer sowie Teile verschiedener Mechanismen (z. B. Lager) hergestellt. Wie schon vor vielen Jahrhunderten werden Kupfer und Kupferschrott mit Zinn zu Bronze verschmolzen. Nur nicht in Erdöfen, sondern in modernen Elektroöfen. Damit Kupfer und Zinn beim Schmelzen nicht oxidieren und Bronze besonders langlebig ist, werden der Charge vor dem Gießen Phosphorverbindungen zugesetzt. Aufgrund der Zinnknappheit und des hohen Preises wird Zinnbronze nach und nach durch andere Bronzen ersetzt, so Ch. arr. Aluminium. Aluminiumbronze mit bis zu 11 % Al weist gute mechanische Eigenschaften auf und ist in Meerwasser und sogar in verdünnter Salzsäure stabil. Diese sehr haltbare Legierung wird bei der Herstellung von Rohrleitungen, Teilen von Dampfturbinen und Flugzeugtriebwerken usw. verwendet. Von 1926 bis 1957 wurden in Russland „Kupfer“-Münzen aus Aluminiumbronze geprägt. Lager für Diesellokomotiven, Schiffsmotoren und Wasserturbinen sind es aus Bleibronze gefertigt. Berylliumbronze ist außergewöhnlich fest und langlebig und dient aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften als Material für Federn, die praktisch keine Ermüdung kennen (bis zu 20 Millionen Lastwechsel aushalten). Sankt Petersburg. Bronzedenkmal für Ostap Bender in der Italianskaya-Straße. Bildhauer Albert Charkin.

Messing. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Obwohl Zink erst im Mittelalter entdeckt wurde, war Messing schon den alten Römern bekannt, die es durch Verhüttung von Kupfererzen mit Zinkerzen ohne Zugang zu Luft gewannen. Um Messing die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, werden seiner Zusammensetzung häufig Legierungsmetalle wie Al, Mn, Ni, Fe usw. in kleinen Mengen zugesetzt. Messing schmilzt leichter als Kupfer, ist jedoch härter. Messing ist gut geschmiedet, in Bleche gestanzt, gestanzt, zu Draht gezogen und hochglanzpoliert (auf Hochglanz). Daraus hergestellte Produkte können gehärtet werden. Bei Bedarf kann Messing im elektrochemischen Verfahren auf die Oberfläche anderer Metalle aufgebracht werden. Wichtig ist, dass Messing deutlich günstiger ist als Kupfer. Messing wird im Maschinenbau und in der Elektrotechnik verwendet; Es wird zur Herstellung von Teilen verschiedener Mechanismen, Wasser- und Gashähnen, Kühlerrohren, Türgriffen, Scharnieren und Patronenhülsen verwendet. Messing mit Aluminiumzusatz ähnelt im Aussehen Gold; daraus werden Abzeichen, Embleme und Medaillen hergestellt. Wenn die Legierung relativ wenig Zink enthält (bis zu 18 %), weist Messing einen rötlichen Farbton auf. Beispielsweise wird Messing mit bis zu 10 % Zink als Tombak bezeichnet. Aus dieser Legierung wurden von 1961 bis 1991 in Russland „Kupfer“-Münzen im Wert von 1 bis 5 Kopeken geprägt. Legierungen mit einem hohen Zinkgehalt (bis zu 50 %) haben eine gelbe Farbe und werden Messing genannt. Sie werden durch Walzen, Pressen und Ziehen perfekt verarbeitet und daraus hochwertige Gussteile gewonnen.

Andere Legierungen. Neben anderen Legierungen stellen wir fest, dass Monelmetall (% Kupfer, % Nickel und Zink mit Zusätzen von Blei, Zinn und Eisen) früher „wie Silber“ für die Herstellung von Besteck und Schmuck verwendet wurde. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit sowie seiner guten Duktilität wird es heute in der Chemie-, Schiffbau-, Medizin-, Öl-, Textil- und anderen Industrie eingesetzt. Aber Konstantan, Manganin, Chromel und Kopel verändern ihren Widerstand bei starken Temperaturschwankungen nahezu nicht und dienen daher in der Elektrotechnik treu zur Herstellung von Thermoelementen – sehr empfindlichen Geräten zur Temperaturmessung. Ausgleichsdrähte, Rheostate und Teile von Heizgeräten werden ebenfalls aus Chromel und Copel hergestellt. Mangonin wird zur Herstellung von Referenzwiderständen und Elementen von Messgeräten verwendet.

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Kupfer ist ein Element der sekundären Untergruppe der ersten Gruppe, der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D.I. Mendelejew, mit der Ordnungszahl 29. Es wird mit dem Symbol Cu (lat. Cuprum) bezeichnet. Der einfache Stoff Kupfer ist ein duktiles Übergangsmetall von goldrosa Farbe (rosa, wenn kein Oxidfilm vorhanden ist). Es wird seit langem von Menschen häufig verwendet.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer: Ein goldrosa duktiles Metall, das an der Luft schnell mit einem Oxidfilm bedeckt wird, der ihm einen charakteristischen intensiven gelblich-roten Farbton verleiht. Dünne Kupferschichten haben bei Lichteinwirkung eine grünlich-blaue Farbe. Kupfer bildet ein kubisch flächenzentriertes Gitter. Kupfer hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit (an zweiter Stelle in der elektrischen Leitfähigkeit nach Silber, Leitfähigkeit bei 20°). Es hat zwei stabile Isotope – 63 Cu und 65 Cu – sowie mehrere radioaktive Isotope. Das langlebigste davon, 64 Cu, hat eine Halbwertszeit von 12,7 Stunden und zwei Zerfallsmodi mit unterschiedlichen Produkten. Es gibt eine Reihe von Kupferlegierungen: Messing – mit Zink, Bronze – mit Zinn und anderen Elementen.

Gehalt in der Natur: Kupfer kommt in der Natur sowohl in Verbindungen als auch in nativer Form vor. Von industrieller Bedeutung sind Chalkopyrit CuFeS 2 , Chalkosin Cu 2 S und Bornit Cu 5 FeS 4 . Zusammen mit ihnen kommen auch andere Kupfermineralien vor: Covellit CuS, Cuprit Cu2O. Manchmal kommt Kupfer in nativer Form vor, die Masse einzelner Cluster kann 400 Tonnen erreichen. Kupfersulfide werden hauptsächlich in hydrothermalen Adern mittlerer Temperatur gebildet. Kupfervorkommen finden sich häufig auch in Sedimentgesteinen – Kupfersandsteinen und -schiefern. Die bekanntesten Lagerstätten dieser Art sind Udokanskaya in der Region Tschita, in Kasachstan und in Deutschland. Weitere ergiebigste Kupfervorkommen befinden sich in Chile und den Vereinigten Staaten. Das meiste Kupfererz wird im Tagebau abgebaut.

Methoden zur Kupfergewinnung Zur Kupfergewinnung werden pyro-, hydro- und elektrometallurgische Verfahren eingesetzt. Der pyrometallurgische Prozess der Kupfergewinnung aus Sulfiderzen vom Typ CuFeS 2 wird durch die Gesamtgleichung ausgedrückt: 2CuFeS 2 + 5O 2 + 2SiO 2 = 2Cu + 2FeSiO 3 + 4SO 2. Hydrometallurgische Verfahren zur Kupfergewinnung basieren auf der selektiven Auflösung von Kupfermineralien in verdünnten Lösungen von Schwefelsäure oder Ammoniak, aus den resultierenden Lösungen wird Kupfer durch metallisches Eisen ersetzt: CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4. Reines Kupfer wird durch Elektrolyse gewonnen: 2CuSO 4 + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4; An der Kathode wird Kupfer freigesetzt, an der Anode wird Sauerstoff freigesetzt.

Chemische Eigenschaften von Kupfer: Kupfer ist ein Metall mit geringer Aktivität. Unter normalen Bedingungen interagiert es nicht mit Wasser, Alkalilösungen, Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure. In stark oxidierenden Säuren (z. B. Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure) löst sich Kupfer jedoch wie folgt auf: Cu + 8HN0 3 = 3Cu(N0 3) 2 + 2NO + 4H 2 0 verdünntes Cu + 4HN0 3 = Cu (N0 3) 2 + 2N0 2 + 2H 2 0 konzentriert

Kupferpulver reagiert bei Raumtemperatur mit Chlor, Schwefel und Brom: Bei 300-400 °C reagiert es mit Schwefel und Selen:

Verwendung von Kupfer: In der Elektrotechnik: Kupfer wird in der Elektrotechnik häufig zur Herstellung von Stromkabeln, Drähten oder anderen Leitern verwendet, beispielsweise in der Verdrahtung gedruckter Schaltkreise. Kupferdrähte wiederum werden auch in den Wicklungen energiesparender Elektroantriebe und Leistungstransformatoren eingesetzt. Für diese Zwecke muss das Metall sehr rein sein: Verunreinigungen verringern die elektrische Leitfähigkeit stark. Wärmeübertragung: Eine weitere nützliche Eigenschaft von Kupfer ist seine hohe Wärmeleitfähigkeit. Dies ermöglicht den Einsatz in verschiedenen Wärmeabfuhrgeräten und Wärmetauschern, zu denen auch bekannte Heizkörper zum Kühlen, Klimatisieren und Heizen gehören.

Verwendung in Legierungen: Schmucklegierungen: Im Schmuckbereich werden häufig Legierungen aus Kupfer und Gold verwendet, um die Widerstandsfähigkeit von Produkten gegen Verformung und Abrieb zu erhöhen, da reines Gold ein sehr weiches Metall ist und diesen mechanischen Einflüssen nicht standhält. Andere Anwendungen: Kupfer ist der am häufigsten verwendete Acetylen-Polymerisationskatalysator. Kupfer wird häufig in der Architektur verwendet.