Kupari

Kupari, vanhalta suomalaiselta nimeltään vaski, on metallinen alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Cu (). ja CAS-numero 7440-50-8. Vapaana alkuaineena esiintyessään se on punaruskea, venyvä, pehmeä ja sitkeä metalli, ja sen CAS-numero on 7440-50-8.  Kemiallisen määritelmän mukaan se on jalometalli, mutta tavanomaisessa kielenkäytössä sitä ei sellaisena pidetä. Maankuoressa kuparia on keskimäärin noin 0,07 promillea eli 70 grammaa tonnissa. 

Pieninä määrinä kupari on ihmiselle välttämätön hivenaine, jota tarvitaan esimerkiksi soluhengityksessä ja immuunipuolustusjärjestelmän toiminnassa. Suurempina määrinä se on kuitenkin myrkyllinen raskasmetalli.

Kupari-nimitys 
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.

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

Suuria kupariesiintymiä on Yhdysvalloissa, Kanadassa, Chilessa, Perussa, Sambiassa ja Kongon demokraattisessa tasavallassa.

Suomessa toimi vuosina 1910–1989 Outokummun kaivos, joka oli aikoinaan Euroopan toiseksi suurin kuparikaivos.

Isotoopit 
Kuparilta on löydetty yli 20 isotooppia, joista pysyviä ovat 63Cu ja 65Cu. Luonnosta löydettävästä kuparista 69,15 % on isotooppia 63Cu ja 30,85 % isotooppia 65Cu. Pitkäikäisin radioaktiivinen isotooppi on 64Cu, jonka puoliintumisaika on 12,7 tuntia.

Ominaisuudet 

Kupari on punaruskea, melko pehmeä ja helposti muokattava metalli. Se johtaa erinomaisesti sähköä ja lämpöä.

Kupari on kemiallisesti varsin passiivinen metalli. Se ei reagoi esimerkiksi veden kanssa. Ilman hapen kanssa se kuitenkin 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.

Koska kupari on metallien sähkökemiallisessa jännitesarjassa vedyn jäljessä, se on kemiallisen määritelmän mukaan jalometalli. Toisin kuin epäjalot metallit, se ei reagoi useimpien happojenkaan kanssa. Typpihapon kanssa se kuitenkin reagoi, mutta ei vetyä vapauttaen, vaan hapettimena toimii typpihapon liuoksessa esiintyvä nitraatti-ioni on voimakas hapetin. Reaktio tapahtuu tällöin seuraavasti:

 Cu + 2 NO3− → Cu2+ + 2 NO2 + 2 H2O

Käyttö 

Kuparia käytetään sekä puhtaana että eri tavoin seostettuna. Se 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: 
 Hapeton kupari
 Deoksidoidut kuparit
 Happikupari

Eniten kuparia käytetään nykyisin sähköjohtimiin ja elektroniikkateollisuudessa,. Lisäksi sitä käytetään rakennusalalla muun muassa putkistoihin sekä teollisuuslaitteisiin kuten lämmönvaihtimiin.

Kuparia käytetään myös muiden metallien kuten kullan seosaineena.

Kuparin antimikrobisia ominaisuuksia on tutkittu, ja sitä käytetään joillakin kosketuspinnoilla, koska bakteerit ja virukset elävät siinä lyhyemmän ajan. Valmistetaan myös hengityssuojaimia, jotka sisältävät tämän ominaisuuden vuoksi pienen määrän kuparia.

2000-luvun alussa kuparia tuotettiin noin 12 miljoonaa tonnia vuodessa.

Puhtaat kuparilaadut 
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 kuparilaadut 
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 pronssit 

Runsaasti seostettuja metalliseoksia, joiden pääaineksena on kupari, ovat messingit ja pronssit. Messingissä kuparin seosaineena on käytetty sinkkiä (5–40 %). Väriltään se on yleensä keltaista. Siitä valmistetaan muun muassa riippulukkojen runkoja,  ovenkahvoja, vaskipuhaltimia ja muita soittimia, vetoketjuja ja ruuveja.

Tyypillisin pronssin seosaine on tina, mutta myös muita runsaasti seostettuja kuparilaatuja kutsutaan pronsseiksi. Jotkut pronssilaadut sisältävät pieniä määriä epämetallejakin kuten piitä. 

Alpakka eli uushopea on kuparin ja nikkelin seos, joka usein sisältää myös sinkkiä. Väriltään se on valkoista. Sitä on käytetty varsinkin ruokailuvälineisiin ja koriste-esineisiin.

Rahametallit 
Historialliset rahametallit olivat kulta, hopea ja kupari. Esimerkiksi vuosina 1644–1777 kierrossa olleet ruotsalaiset plooturahat, taalerit, oli valmistettu 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]

Kuparin maailmanmarkkinahinta 
Kuparin hinta määritetään päivittäin maailman metallipörsseissä, joista tärkeimmät ovat Lontoo (LME), New York (COMEX) ja Intian Multi-Commodity Exchange. 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.
33

Futuurit 
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.

Historia 

Kupari on kullan ja hopean ohella vanhin tunnettu metalli. se tunnettiin jo 11 000 vuotta sitten. Aluksi siitä valmistettiin koruja, työkaluja ja yksinkertaisia aseita.

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

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

Ennen kuin alumiini tuli tunnetuksi ja rauta opittiin päällystämään emalikerroksella, tehtiin myös keittoastiat yleensä kuparista. Ne oli kuitenkin mahdollisesti syntyvien Cu2+ aiheuttamien myrkytysten välttämiseksi tinattava sisäpinnalta.

Kuparin yhdisteet 

Yhdisteissään kupari esiintyy joko hapetusluvulla +I tai +II, usein ioneina (Cu+ tai Cu2+).  Kupari(I)-yhdisteitä, joissa sen hapetusluku on +I, sanotaan myös kuproyhdisteiksi, kupari(II)-yhdisteitä taas kupriyhdisteiksi.

Pysyvimpiä ja tärkeimpiä ovat kupari(II)- eli kupriyhdisteet. Ne ovat usein vesiliukoisia ja väriltään sinisiä tai vihreitä. Sellaisia ovat esimerkiksi kupari(II)oksidi (CuO), kuparihydroksidi (Cu(OH)2), kuparikloridi (CuCl2 ja kuparisulfaatti (CuSO4 · 5 H2. Monia niistä on käytetty väriaineina, mutta myrkyllisyytensä ja kalleutensa vuoksi ne ovat jo 1800-luvun lopulta lähtien menettäneet merkitystään.

Kupari(I)- eli kuproyhdisteet ovat veteen liukenemattomia, ja ne hapettuvat helposti kupari(II)-yhdisteiksi. Tärkein niistä on kupari(I)oksidi (Cu2O) jota sanotaan myös kuparioksiduuliksi. Väriltään se on punaista. Sitä on luonnossa kupriittimineraalina, ja sitä käytetään väriaineena, varsinkin lasin värjäämiseen, sekä katalyyttina. Väriltään se Useimmat muut kupari(I)yhdisteet ovat värittömiä.

Kuparin yhdisteitä käytetään myös sieni- ja bakteerimyrkkyinä.

Kuparin biologiset vaikutukset

Kupari hivenaineena 
Aikuisen ihmisen maksassa, lihaksissa, luissa ja muualla elimistössä on 1,4–2,1 milligrammaa kuparia painokiloa kohden. 

Toistakymmentä tärkeää entsyymiä on riippuvaisia kuparista ja kuparia tarvitaan esimerkiksi soluhengityksen mahdollistamiseen sekä kollageenin ja elastiinin muodostamiseen. Ilman kuparia ei muodostu myöskään ultraviolettisäteiltä elimistöä suojaavaa ihopigmenttiä, eikä hapettumista ehkäiseviä antioksidanttientsyymejä. Kupari auttaa lisäksi flavonoideja suojaamaan DNA:ta hydroksyyliradikaalien vaurioittavalta vaikutukselta.

Kuparia on myös siitakesienissä, auringonkukansiemenissä, tofussa, kikherneissä, luonnonlohessa, hiivassa ja tummanvihreissä lehtivihanneksissa.

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

Myrkyllisyys 

Suurempina määrinä kupari on myrkyllistä. Elimistöllä on kuitenkin hivenaineiden homeostaasiksi kutsuttu mekanismi, jonka avulla se poistaa ylimääräiset hivenaineet taikka muuttaa ne vaarattomiksi. Hyvin harvinainen Wilsonin tauti aiheuttaa kuparin kertymistä kudoksiin.

Juomaveden ja ravintolisien sisältämä epäorgaaninen kupari on osoittautunut ravinnon sisältämää orgaanista kuparia myrkyllisemmäksi. 

Suomessa epäiltiin vuonna 2010, että jo pienetkin ravinnon kuparimäärät saattaisivat edistää valtimonkovettumataudin, diabeteksen sekä Alzheimerin taudin kaltaisten hermostonrappeutumissairauksien kehittymistä. Vuonna 2013 julkaistussa hiirikokeessa havaittiin, että jo tavanomaisesta ruoasta saatava kuparimäärä kertyi aivoverisuonten seinämiin vaikeuttaen kuona-aineiden huuhtoutumista aivoista ja päätyen Alzheimerin tautia sairastavilla hiirillä suoraan aivokudokseen. Kuparin kertyminen saattoi kuitenkin liittyä immuunipuolustuksen normaaliin toimintaan, sillä on olemassa näyttöä siitä, että immuunipuolustus hyödyntää patogeenien torjunnassa kuparin ja sinkin kaltaisten hivenainemetallien myrkyllisyyttä. Tutkijat esittivät vuonna 2015, että kupari olisi välttämätön aine immuunijärjestelmän toiminnan kannalta. Kupari-ioneilla on esimerkiksi keskeinen rooli raudan kuljettamisessa pois patogeenien ulottuvilta. Immuunipuolustus saattaa mahdollisesti myös hyödyntää kuparin myrkyllisyyttä taistellessaan patogeenejä vastaan.

Merkittävimmät esiintymisalueet 
Kaupallisesti hyödynnettyjä kuparikaivoksia on Etelä-Amerikassa, lähinnä Chilessä ja Perussa, Indonesiassa ja Kiinassa. Tärkein tuottajamaa on Chile.

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

Viitteet

Aiheesta muualla 

Scandinavian Copper Development Association
Copper Development Association

Human Metabolome Database: Copper 
Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG): Copper 
Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Copper 
Periodictable: Technical data for Copper 
Mindat: Copper 
Webmineral: Copper Mineral Data 
Webmineral: Mineral Species containing Copper (Cu) 
Americanelements: Copper Technical and Safety Data 
Argonne National Laboratory: Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas, Copper s. 94–95  (pdf)
Handbook of Mineralogy: Copper (pdf) 
Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Copper 
London Metal Exchange: Copper price 
InfoMine: Copper Prices and Copper Price Charts 

Seulonnan keskeiset artikkelit