高等学校化学I/金属元素の単体と化合物/遷移金属/銅

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銅

(Cu)は赤色の金属光沢をもつ金属である。展性・延性に富み、電気伝導性・熱伝導性が大きいことから、電線、調理器具、装飾品等、幅広く用いられている。


緑青に覆われた自由の女神

銅は空気中で風雨にさらされると緑青(ろくしょう)と呼ばれる青緑色のさびを生じる。たとえば名古屋城の屋根や、アメリカの自由の女神などは緑色をしているが、これは緑青によるものである。

2Cu + CO2 + H2O + O2 → CuCO3・Cu(OH)2


(※ 範囲外? )緑青について、第二次大戦前のかつては、緑青は毒性が強いと考えられていた。しかし、戦後、動物実験などによる検証の結果、緑青に毒性はほとんど無いことが分かった。


製法[編集]

銅の鉱産資源は、化合してない単体が産出することもあるが、ほとんどは黄銅鉱(CuFeS2)などの鉱石として産出する。

銅の鉱石を加熱してニッケルや金などの不純物を含む粗銅(そどう)を作り、これを電解精錬することにより純度の高い銅が得られる。電気精錬では、硫酸銅(Ⅱ)水溶液を電解液として、陽極には粗銅板を、陰極は純銅版として電気分解をすると、陽極の粗銅が溶解して銅(Ⅱ)イオンを生じ、陰極には銅が析出する。

陽極: Cu → Cu2+ + 2e-
陰極: Cu2+ + 2e- → Cu↓

陽極の下には溶液に解けなかった不純物がたまる。これを陽極泥といい、金や銀などを回収することができる。


化学的な性質[編集]

銅は塩素と激しく反応して、塩化銅(Ⅱ)を生じる。

Cu + Cl2 → CuCl2

銅はイオン化傾向が小さく、希硫酸や塩酸には溶けない。しかし、硝酸や熱濃硫酸(濃硫酸に加え加熱したもの)といった酸化力の強い酸には溶けて、銅(Ⅱ)イオンを生じる。

希硝酸: 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO↑
濃硝酸: Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2
熱濃硫酸: Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2

水溶液の性質[編集]

銅(Ⅱ)イオン水溶液

銅(Ⅱ)イオン(Cu2+)水溶液は青色をしている。これに水酸化ナトリウム水溶液、またはアンモニア水を少量加えると、水酸化銅(Ⅱ)(Cu(OH)2)の青白色沈殿を生じる。

Cu2+ + 2OH- → Cu(OH)2

これに、さらにアンモニア水を過剰に加えると、テトラアンミン銅(Ⅱ)イオン [Cu(NH3)4]2+ を生じて溶け、深青色の水溶液となる。

Cu(OH)2 + 4NH3 → [Cu(NH3)4]2+ + 2OH-

化合物[編集]

酸化物[編集]

水酸化銅(Ⅱ)を加熱すると、黒色の酸化銅(Ⅱ)(CuO)を生じる。

Cu(OH)2 → CuO + H2O

酸化銅(Ⅱ)は黒色であるが、高温で加熱すると赤色の酸化銅(Ⅰ)(Cu2O)となる。

酸化銅(Ⅱ) 酸化銅(Ⅰ)
酸化銅(Ⅱ) 酸化銅(Ⅰ)

硫化物[編集]

銅(Ⅱ)イオン水溶液に硫化水素 H2S を通じると、硫化銅(Ⅱ) Cu2+ の黒色沈殿を生じる。

Cu2+ + H2S → 2H+ + CuS↓
硫酸銅(Ⅱ)五水和物

銅と硫酸の化合物である硫酸銅(Ⅱ)五水和物(CuSO4・5H2O)は青色の結晶である。水に溶かすと青色の水溶液となる。これを加熱すると白色の硫酸銅(Ⅱ)無水物 CuSO4 の粉末となるが、水を加えると再び青色となる。この反応は水の検出に用いられる。

水の検出

銅の合金[編集]

銅は、さまざまな合金の原料である。

黄銅(おうどう、ブラス)とは、銅と亜鉛との合金である。
青銅(せいどう、ブロンズ)とは、銅とスズとの合金である。
白銅(はくどう)とは、銅とニッケルとの合金である。
黄銅 青銅 白銅
黄銅(金管楽器) 青銅(ブロンズ像) 白銅(100円玉)
※ ただし、日本の十円玉は銅を母材に亜鉛(3%ていど)とスズ(2%ていど)を含んでいるが、十円玉の材質は青銅に分類する。(※ 参考文献: 東京書籍『科学と人間生活』、平成27年11月27日 検定済み)