銅
銅鉱石を構成する鉱石鉱物には、次のようなものがある。
自然銅 (Cu)
輝銅鉱 (Cu2S)
斑銅鉱 (Cu5FeS4)
銅藍(コベリン)(CuS)
黄銅鉱 (CuFeS2)
硫砒銅鉱 (Cu3AsS4)
安四面銅鉱 ((Cu,Fe,Zn)12Sb4S13)
赤銅鉱 (Cu2O)
黒銅鉱 (CuO)
藍銅鉱 (Cu3(CO3)2(OH)2)
孔雀石 (Cu2(CO3)(OH)2)
ギリシャでは、銅はカルコス(χαλκός、chalkos)として知られていた。それはギリシャ人、ローマ人および他の民族にとって重要な資源であった。ローマ時代にはキュプリウム・アエス(aes Cyprium、キプロス島の銅)として知られており、アエス (aes)は多くの銅が採掘されたキプロス島からの銅合金および銅鉱石を示す一般的なラテン語の用語である。キュプリウム・アエスというフレーズはクプルム (cuprum)と一般化され、そこから英語で銅を示すカッパー (copper)となった。銅の光沢の美しさや、古代には鏡の生産に銅が用いられていたこと、および女神を崇拝していたキプロスとの関係から、女神であるアプロディーテーおよびウェヌスは神話と錬金術において銅の象徴とされた。古代に知られていた7つの惑星は、古代に知られていた7つの金属と関連付けられ、金星は銅に帰されていた。
イギリスでの真鍮の初めての使用は紀元前3世紀から2世紀頃に起こった。北アメリカ大陸での銅鉱山はネイティブ・アメリカンによって周辺部の採掘から始まった。自然銅は800年から1600年までの間に、原始的な石器によってアイル・ロイヤル国立公園から採掘されていたことが知られている。銅の冶金学は南アメリカ大陸、特に1000年頃のペルーにおいてで盛んであった。アメリカ大陸における銅の利用の発展は他の大陸よりも非常に遅く進行した。15世紀から銅の埋葬品が見られるようになったが、金属の商業生産は20世紀前半まで始まらなかった。
銅の文化的な役割は、特に流通において重要だった(銅貨)。紀元前6世紀から紀元前3世紀までを通して、古代ローマでは銅の塊をお金として利用していた。
銅はイオン化傾向が小さいため塩酸や希硫酸といった酸とは反応しないが、硝酸、熱濃硫酸のような酸化力の強い酸や、塩酸と過酸化水素の混合物とは反応する。
希硝酸との反応
3 Cu + 8 HNO 3 ⟶ 3 Cu ( NO 3 ) 2 + 4 H 2 O + 2 NO ↑ {\displaystyle {\ce {3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO (^)}}}
濃硝酸との反応
Cu + 4 HNO 3 ⟶ Cu ( NO 3 ) 2 + 2 H 2 O + 2 NO 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 (^)}}}
熱濃硫酸との反応
Cu + 2 H 2 SO 4 ⟶ CuSO 4 + 2 H 2 O + SO 2 {\displaystyle {\ce {Cu + 2H2SO4 -> CuSO4 + 2H2O + SO2}}}
溶融銅は酸素および水素ガスを吸収し、これらの気体を吸蔵した銅は脆性が高い。そこでリチウム、リン、ケイ素が脱酸剤として用いられ、このような処理をした銅を脱酸銅と呼ぶ。
銅は他の金属と同様に配位子との間で錯体を形成する。水溶液中において2価の銅は[Cu(H2O)6]の形で存在している。遷移金属の金属アコ錯体(英語版)に対する配位水の交換速度は最も早い。水酸化ナトリウム溶液を加えることで明青色の水酸化銅(II)が沈降する。
Cu 2 + + 2 OH − ⟶ Cu ( OH ) 2 {\displaystyle {\ce {Cu^2+ + 2OH^- -> Cu(OH)2}}}
アンモニア水を加えた場合も同様に沈殿を生じるが、アンモニア水の添加量が過剰になるとテトラアンミン銅(II)イオンを形成して沈殿が再溶解する。
Cu ( H 2 O ) 4 ( OH ) 2 + 4 NH 3 ⟶ [ Cu ( H 2 O ) 2 ( NH 3 ) 4 ] 2 + + 2 H 2 O + 2 OH − {\displaystyle {\ce {Cu(H2O)4(OH)2 + 4NH3 -> [Cu(H2O)2(NH3)4]^2+ + 2H2O + 2OH^-}}}
銅は鉛、銀と共に、博物館材料の保管試験であるオディ試験(英語版)と呼ばれる試験方法に用いられる3つの金属のうちの1つである。この試験において、銅は塩化物、酸化物および硫化物を検出するために用いられる。
銅は化合物または触媒としても用途が広い。代表的な銅の化合物としては塩化銅(II)・酸化銅(II)・硫酸銅(II)などがあり、各種触媒や、防腐剤、殺虫剤、顔料などに用いられている。
銅はまた装飾品にも使われる。民間療法では銅のブレスレットは関節炎を和らげるとされるが、その証明はされていない。また、銅鉱石のうち孔雀石などはその外観の美しさから宝石としても利用される。
銅はコバルト、マンガンに次ぎ、(鉄よりも)硫黄と結合をする性質が強い。そのために硫黄架橋が存在するゴムを侵すことがある(一般に(ゴムに関しての)銅害、と呼ぶ。ゴムに存在する硫黄のS-S架橋より強く自らと結合する性質があるので、このために硫黄架橋は切断され、ゴムの組織が分解・剥離することになる。このため、銅合金製のフックに輪ゴムをかけておくと輪ゴムがすぐに使えなくなったり、銅イオンを含む水が流れるパイプではEPDMなどの加硫がされたパッキンが急速に劣化して水が汚染されたり、銅の近くにゴム製品を置いておくと表面が溶けたりする。)。この性質を用いて、物質から硫黄を吸着することが可能であるが、この応用は医療・美容分野においては銅クロロフィル(クロロフィル中のマグネシウムを銅に置き換えたもの)などに見ることができる(銅クロロフィルにより、口腔などに存在する硫黄化合物を銅に吸着させて清掃することが可能である)。
単結晶の銅は軟らかく、電気伝導度および展延性が高い金属であり、これは同じ第11族元素である銀や金と共通した性質である。これは閉殻構造を取るd軌道の外側にs軌道の電子が1つだけ存在しているという、第11族元素の電子配置に起因している。このような電子配置であるためにd軌道の電子の多くは原子間の相互作用に寄与せず、原子同士を結び付ける金属結合はs軌道の電子によって支配される。そのためこれらの元素は、d軌道が閉殻でなくd軌道の電子が結合に寄与する他の金属元素と比較して共有結合性が弱く金属結合性が強い結合が形成されることとなり、高い電気伝導度や延展性といった金属結合に起因する性質が強く現れる。巨視的なスケールにおいては、結晶格子に結晶粒界のような拡張欠陥が発生して硬度が増すため、負荷応力下での流動性の妨げとなる。そのため、通常銅は単結晶形よりも強度の高い多結晶微粒子の形で供給される。
銅は室温において、純粋な金属の中で2番目に高い電気伝導性 (59.