銅(Cu)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: Cu
• 原子番号: 29
• 電子配置: [Ar]3d¹⁰4s¹
• 酸化数: +1(銅(I)イオン Cu⁺)、+2(銅(II)イオン Cu²⁺)
• 常温での状態: 赤褐色(赤色)の金属
• 特徴: 遷移元素、展性・延性に富む、電気伝導性・熱伝導性が優れている、比較的イオン化傾向が小さい

銅の製法

1. 乾式製錬法(粗銅の製造)

銅鉱石(主に硫化銅)を焙焼・溶融して粗銅を得る方法。

使用する鉱石

• 黄銅鉱(CuFeS₂)
• 輝銅鉱(Cu₂S)
• 斑銅鉱(Cu₅FeS₄)

製錬の流れ(黄銅鉱の場合)

銅の化学反応

1. 酸素・空気との反応

• 常温の乾燥空気中: ほとんど変化しない
• 湿った空気中(長期間): 表面に緑青(塩基性炭酸銅)を生じる
• 　主成分: (7) CuCO₃·Cu(OH)₂ または Cu₂(OH)₂CO₃
• 高温で酸素と反応: (8) 2Cu + O₂ → 2CuO (酸化銅(II)、黒色)

2. 水との反応

• 常温・高温ともに水とは反応しない(イオン化傾向が水素より小さい)

3. 酸との反応

銅はイオン化傾向が水素より小さいため、希硫酸や希塩酸とは反応しない。

希硫酸・希塩酸

• 反応しない(イオン化傾向: Cu < H₂)

酸化力のある酸との反応

• 希硝酸: (9) 3Cu + 8HNO₃(希) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
• 濃硝酸: (10) Cu + 4HNO₃(濃) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
• 熱濃硫酸: (11) Cu + 2H₂SO₄(熱濃) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

4. ハロゲンとの反応

• 塩素との反応: (12) Cu + Cl₂ → CuCl₂ (塩化銅(II)、褐色)
• ヨウ素との反応: (13) 2Cu + I₂ → 2CuI (ヨウ化銅(I)、白色)

5. 硫黄との反応

• 加熱した銅と硫黄: (14) 2Cu + S → Cu₂S (硫化銅(I)、黒色)

6. 銀イオンとの反応(イオン化傾向)

Cu は Ag⁺ よりイオン化傾向が大きいため、銀イオンを還元する。

• 硝酸銀水溶液に銅を浸す: (15) Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag
• イオン反応式: (16) Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag

銅の化合物

1. 銅(I)イオン Cu⁺ の性質

• 安定性: 水溶液中では不安定(不均化反応を起こす)
• 色: 化合物は多く無色または白色

Cu⁺ の不均化反応

• 水溶液中: (17) 2Cu⁺ → Cu²⁺ + Cu

2. 銅(II)イオン Cu²⁺ の性質

• 色: 水溶液は青色(水和イオン [Cu(H₂O)₄]²⁺ の色)
• 安定性: Cu⁺ より安定
• 酸化性: 弱い酸化性を示す

Cu²⁺ の還元反応

• ヨウ化カリウムとの反応: (18) 2Cu²⁺ + 4I⁻ → 2CuI↓ + I₂
• (白色沈殿のヨウ化銅(I)とヨウ素が生成)

3. 酸化銅の性質

• 酸化銅(I) Cu₂O: 赤色、半導体
• 酸化銅(II) CuO: 黒色

酸化銅(II)の反応

• 酸との反応: (19) CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O
• 水素による還元: (20) CuO + H₂ → Cu + H₂O
• 炭素による還元: (21) 2CuO + C → 2Cu + CO₂

4. 水酸化銅(II) Cu(OH)₂ の性質

• 生成: (22) Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ (青白色沈殿)
• 加熱による分解: (23) Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

5. アンミン錯イオンの形成

銅(II)イオンはアンモニアと錯イオンを形成し、特徴的な深青色を示す。

• 少量のアンモニア水: (24) Cu²⁺ + 2NH₃ + 2H₂O → Cu(OH)₂↓ + 2NH₄⁺
• 過剰のアンモニア水: (25) Cu(OH)₂ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻
• 　　　　　　　　　(テトラアンミン銅(II)イオン、深青色)
• または直接: (26) Cu²⁺ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺

6. 主な銅化合物

• 硫酸銅(II) CuSO₄: 白色(無水)、水溶液は青色
• 硫酸銅(II)五水和物 CuSO₄·5H₂O: 青色結晶、風解性
• 塩化銅(II) CuCl₂: 褐色、水溶液は青緑色
• 硝酸銅(II) Cu(NO₃)₂: 青色、潮解性
• 塩化銅(I) CuCl: 白色
• ヨウ化銅(I) CuI: 白色
• 硫化銅(I) Cu₂S: 黒色(輝銅鉱)
• 硫化銅(II) CuS: 黒色

銅イオンの沈殿反応と検出

1. 水酸化物の沈殿

• Cu²⁺ + 水酸化ナトリウム: (27) Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ (青白色沈殿)
• ※ 過剰の水酸化ナトリウムを加えても溶けない(両性でない)

2. 硫化物の沈殿

• Cu²⁺ + 硫化水素(酸性): (28) Cu²⁺ + H₂S → CuS↓ + 2H⁺ (黒色沈殿)
• ※ 硫化銅(II)は酸性でも沈殿する(溶解度積が非常に小さい)

3. 炭酸塩

• Cu²⁺ + 炭酸ナトリウム: (29) 2Cu²⁺ + 2CO₃²⁻ + H₂O → Cu₂(OH)₂CO₃↓ + CO₂
• 　　　　　　　　　　　(塩基性炭酸銅、緑色沈殿)

4. ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウムによる検出

• Cu²⁺ + K₄[Fe(CN)₆]: (30) 2Cu²⁺ + K₄[Fe(CN)₆] → Cu₂[Fe(CN)₆]↓ + 4K⁺
• 　　　　　　　　　　(赤褐色沈殿)

5. アンモニア水による検出

銅(II)イオンの最も特徴的な検出反応

• 過剰のアンモニア水を加える → 深青色の [Cu(NH₃)₄]²⁺ を生成

6. 銅イオンの分離

硫化水素による系統分離では、銅は酸性で沈殿する第2属に分類される。

• 第2属: Cu²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Bi³⁺, As³⁺, Sb³⁺, Sn²⁺ など
• 酸性(HCl酸性)で H₂S を通じると CuS として沈殿

銅の還元性を利用した検出反応

1. フェーリング反応

アルデヒドの検出に用いられる。銅(II)イオンが還元されて酸化銅(I)の赤色沈殿を生じる。

フェーリング液の調製

• A液: 硫酸銅(II)水溶液
• B液: 酒石酸ナトリウムカリウム + 水酸化ナトリウム水溶液
• 使用直前にA液とB液を混合(銅(II)イオンの錯イオンを形成)

反応

• アルデヒド(RCHO)を加えて加熱:
• (31) RCHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ → RCOO⁻ + Cu₂O↓ + 3H₂O
• (赤色沈殿)

2. ベネジクト反応

フェーリング反応と同様の原理で、還元糖の検出に用いられる。

• ベネジクト液: 硫酸銅(II) + クエン酸ナトリウム + 炭酸ナトリウム
• 還元糖を加えて加熱 → 酸化銅(I)の赤色沈殿を生じる

その他の重要事項

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• 銅は水素よりイオン化傾向が小さいため、希酸とは反応しない
• 酸化力のある酸(硝酸、熱濃硫酸)とは反応する

銅の用途

• 電線・導線: 優れた電気伝導性
• 合金: 青銅(Cu + Sn)、真鍮(黄銅、Cu + Zn)、白銅(Cu + Ni)、洋銀(Cu + Zn + Ni)
• 硫酸銅: めっき、農薬(ボルドー液)、殺菌剤
• 酸化銅: 触媒、顔料

銅の合金

• 青銅(ブロンズ): Cu + Sn、古代から使用、硬い
• 真鍮(黄銅、ブラス): Cu + Zn、金色、加工しやすい
• 白銅: Cu + Ni、銀白色、硬貨に使用
• 洋銀(洋白): Cu + Zn + Ni、銀白色、装飾品

ダニエル電池

銅と亜鉛を用いた代表的な電池

• 負極(Zn): (32) Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
• 正極(Cu): (33) Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
• 全反応: (34) Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

緑青(ろくしょう)の生成

銅が湿った空気中で長期間放置されると、表面に緑色の錆(緑青)を生じる。

• 主成分: 塩基性炭酸銅 CuCO₃·Cu(OH)₂ または Cu₂(OH)₂CO₃
• 生成要因: 空気中の酸素、水、二酸化炭素
• 例: 銅像、十円硬貨、銅屋根