銅：歴史、特性、構造、用途、生物学的役割 - 化学

銅は、周期表の11族に属する遷移金属であり、化学記号のCuで表されます。それは、赤オレンジ色の金属であり、非常に延性があり、展性があり、電気と熱の優れた伝導体でもあるという特徴があります。

金属の形で玄武岩の主要な鉱物として見られます。その間、それは硫黄化合物（より大きな採掘開発のもの）、ヒ素、塩化物および炭酸塩で酸化されます。つまり、膨大な種類の鉱物です。

銅製の目覚まし時計。出典：Pixabay。

それを含む鉱物の中で、カルコサイト、黄銅鉱、ボルナイト、銅鉱、マラカイト、アズライトが挙げられます。銅は、藻類の灰、海洋サンゴ、節足動物にも存在します。

この金属は、地殻に80 ppmの存在量があり、海水中の平均濃度は2.5∙10 ^-4 mg / Lです。自然界では、2つの天然同位体として存在します。存在量が69.15％の⁶³ Cu と、存在量が30.85％の⁶⁵ Cuです。

銅は紀元前8000年に製錬されたという証拠があります。紀元前4000年にC.と錫と合金化してブロンズを形成。C.人間が最初に使用した金属としては、鉄と金だけが先行していると考えられています。したがって、それは古風でオレンジ色の輝きを同時に意味します。

銅は、主に電気モーターで電気を伝導するためのケーブルの製造に使用されます。このようなケーブルは、小さいものでも大きいものでも、産業や日常生活で機械や装置を構成します。

銅は、ATPの合成を可能にする電子輸送チェーンに関与しています。生物の主なエネルギー化合物。これは、スーパーオキシドジスムターゼの補因子であり、スーパーオキシドイオンを分解する酵素であり、生物に対して非常に毒性の高い化合物です。

さらに、一部のクモ類、甲殻類、軟体動物のヘモグロビンの酸素輸送において、銅はヘモシアニンの役割を果たす。

ウィルソン病の場合のように、銅が人体に蓄積すると、そのすべての有益な作用にもかかわらず、肝硬変、脳障害、眼の損傷などの変化を引き起こす可能性があります。

歴史

銅時代

新石器時代の石の代用品として、おそらく紀元前9000年から8000年の間に、天然銅がアーティファクトの製造に使用されました。C.銅は、隕石や金に含まれる鉄に続いて、人類が最初に使用した金属の1つです。

紀元前5000年に銅を入手するのに鉱山を使用したという証拠があります。C.すでに以前の日付で、銅の記事が作られました。これは、イラクで作られたイヤリングの場合で、紀元前8700年と推定されています。C.

一方、冶金学は紀元前4000年にメソポタミア（現在のイラク）で生まれたと考えられています。C.火と石炭の使用によって鉱物の金属を減らすことが可能だったとき。その後、銅は意図的にスズと合金化されて青銅（紀元前4000年）を生成しました。

一部の歴史家は、新石器時代と青銅器時代の間に年代順に位置する銅器時代を指摘しています。その後、紀元前2000年から1000年の間に、鉄器時代が青銅器時代に取って代わりました。C.

青銅器時代

青銅器時代は、銅が溶かされてから4000年後に始まりました。ビンカ文化のブロンズアイテムは、紀元前4500年までさかのぼります。C ;; 一方、シュメリアとエジプトには、紀元前3000年に作られた青銅の物体があります。C.

放射性炭素の使用により、紀元前2280年から1890年の間に、チェシャーおよびイギリスのオルダリーエッジに銅鉱山が存在するようになりました。C.

紀元前3300年から3200年の間の推定された日付を持つ「氷の男」であるzitziに注意することができます。C.は、純粋な銅の頭を持つ斧を持っていました。

紀元前6世紀のローマ人。彼らは通貨として銅片を使用しました。ジュリアス・シーザーは真鍮、銅、亜鉛合金で作られた硬貨を使用しました。さらに、オクタヴィアンの硬貨は銅、鉛、錫の合金で作られました。

生産と名前

ローマ帝国での銅の生産量は年間15万トンに達し、工業革命の間にのみ数値を超えました。ローマ人はキプロスから銅を持ってきて、それをaes Cyprium（「キプロスの金属」）として知っていました。

後に、この用語はキュプラムに縮退しました。1530年まで英語を表すために使用されていた名前で、英語の語幹である「銅」が金属を表すために導入されました。

10世紀から1992年まで営業していたスウェーデンのグレートカッパーマウンテンは、17世紀のヨーロッパの消費の60％を占めていました。ハンブルクのLa Norddeutsche Affinerie工場（1876年）は、銅を使用した最初の近代的な電気めっき工場でした。

物理的及び化学的性質

外観

銅は光沢のあるオレンジ赤の金属ですが、ほとんどのネイティブ金属は灰色または銀です。

原子番号（Z）

29日

原子量

63,546 U

融点

1,084.62ºC

酸素、窒素、二酸化炭素、二酸化硫黄などの一般的なガスは、溶けた銅に溶け、凝固するときに金属の機械的および電気的特性に影響を与えます。

沸点

2,562ºC

密度

-室温で8.96 g / mL。

-融点（液体）で8.02 g / mL。

固相と液相の間で密度の大幅な低下はないことに注意してください。どちらも非常に密度の高い材料を表しています。

融合熱

13.26 kJ / mol。

気化熱

300 kJ / mol。

モルカロリー容量

24.44 J /（mol * K）。

熱膨張

25°Cで16.5 µm /（m * K）

熱伝導率

401 W /（m∙K）。

電気抵抗率

16.78Ω∙m（20°C）

電気伝導率

59.6∙10 ⁶ S / m。

銅は非常に高い電気伝導性を持ち、銀よりも優れています。

モース硬度

3.0。

したがって、それは軟質金属であり、また非常に延性があります。銅に存在する同じ面心立方構造の細長い結晶形成により、冷間加工により強度と靭性が向上します。

化学反応

青緑色の炎の色で識別される銅の炎のテスト。ソース：Swn（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flametest-Co-Cu.swn.jpg）

銅は水とは反応しませんが、大気中の酸素とは反応し、下にある金属の層を腐食から保護する黒褐色の酸化物の層で覆われています。

2Cu（s）+ O ₂（g）→2CuO

銅は希酸には溶けませんが、高温の濃硫酸および硝酸と反応します。また、水溶液中のアンモニアおよびシアン化カリウムにも可溶です。

大気や海水の作用に抵抗できます。ただし、その長時間の露出により、薄い緑色の保護層（パティナ）が形成されます。

前の層は炭酸塩と硫酸銅の混合物で、ニューヨークの自由の女神などの古い建物や彫刻で見られます。

銅は赤く加熱されて酸素と反応して酸化第二銅（CuO）を生成し、高温では酸化第一銅（Cu ₂ O）を形成します。また、高温で硫黄と反応して硫化銅を生成します。したがって、一部の硫黄化合物にさらされると、霧になります。

銅私は炎のテストで青い炎で燃えます。一方、銅IIは緑色の炎を放出します。

構造と電子構成

銅の結晶は、面心立方（fcc）構造で結晶化します。このfcc結晶では、他の遷移金属よりも比較的弱い金属結合のおかげで、Cu原子が付着したままになります。延性が高く、融点が低い（1084ºC）という事実が明らかになりました。

電子構成によると：

3d ¹⁰ 4s ¹

すべての3d軌道は電子で満たされていますが、4s軌道には空孔があります。これは、他の金属から期待されるように、3D軌道が金属結合で協調しないことを意味します。したがって、結晶に沿ったCu原子は4s軌道と重なり、バンドを作成し、相互作用の比較的弱い力に影響を与えます。

実際、3d（フル）と4s（ハーフフル）の軌道電子の間に生じるエネルギーの違いは、銅の結晶が可視スペクトルからの光子を吸収し、独特のオレンジ色を反映するためです。

銅のfcc結晶にはさまざまなサイズがあり、小さいほど金属片が強くなります。それらが非常に小さい場合は、酸化に敏感で、選択的用途のために確保されたナノ粒子について話します。

酸化数

銅に期待できる最初の数または酸化状態は、その4秒軌道からの電子の損失により、+ 1です。それを化合物に入れると、Cu ⁺陽イオン（一般に第一銅イオンと呼ばれる）の存在が想定されます。

これと酸化数+2（Cu ²⁺）は最もよく知られており、銅で最も豊富です。彼らは一般的に高校レベルで教えられる唯一のものです。ただし、酸化数+3（Cu ³⁺）と+4（Cu ⁴⁺）もあります。これらは、一見すると思うほど珍しくありません。

例えば、銅酸化物アニオンの塩としては、CuOを₂^-、銅（III）または+3を有する化合物を表します。これは、銅酸カリウム、KCuO ₂（K ⁺ Cu ³⁺ O ₂^2-）の場合です。

銅も、程度は低いものの、ごくまれに、負の酸化数-2（Cu ^2-）を持つことがあります。

入手方法

原材料

銅の抽出に最も使用される鉱物は金属硫化物で、主に黄銅鉱（CuFeS ₂）とボルナイト（Cu ₅ FeS ₄）です。これらのミネラルは、抽出される全銅の50％を占めます。カレライト（CuS）とカルコサイト（Cu ₂ S）も銅を得るために使用されます。

粉砕と粉砕

最初に岩を破砕し、1.2 cmの岩の破片を得ます。次に、0.18 mmの粒子が得られるまで、岩石の破砕を続けます。水と試薬を加えてペーストを得、次にこれを浮遊させて銅精鉱を得る。

浮き

この段階では、パルプに存在する銅と硫黄のミネラルをトラップする泡が形成されます。泡を集め、乾燥して精製を続ける濃縮液を得るために、いくつかのプロセスが実行されます。

精製

銅を他の金属や不純物から分離するために、乾燥精鉱は特殊な炉で高温にさらされます。精錬銅（RAF）は、アノードを構成する約225 kgの重量のプレートに成形されます。

電解

電気分解は銅の精錬に使用されます。製錬所からの陽極は精製のために電解槽に運ばれます。銅はカソードに移動し、不純物はセルの底に沈殿します。このプロセスでは、99.99％の純度の銅陰極が得られます。

銅合金

ブロンズ

ブロンズは銅とスズの合金で、銅はその80〜97％を占めます。武器や道具の製造に使用されました。現在、摩擦や腐食に強い機械部品の製造に使用されています。

さらに、ベル、ゴング、シンバル、サックス、ハープの弦、ギター、ピアノなどの楽器の製造にも使用されます。

真鍮

黄銅は銅と亜鉛の合金です。工業用真鍮では、亜鉛の割合は50％未満です。コンテナや金属構造物の作成に使用されます。

モネル

モネル合金は、ニッケルと銅の合金であり、ニッケルと銅の比率は2：1です。腐食に強く、熱交換器、ロッド、レンズアーチに使用されています。

彼らは確認した

コンスタタンは、55％の銅と45％のニッケルから構成される合金です。コインを作るのに使われ、抵抗が一定しているのが特徴です。また、キュプロニッケル合金は、小額硬貨の外側コーティングにも使用されています。

BeCu

銅-ベリリウム合金のベリリウムの割合は2％です。この合金は、強度、硬度、導電性、および耐食性を兼ね備えています。この合金は、電気コネクタ、電気通信製品、コンピュータコンポーネント、および小型ばねで一般的に使用されています。

石油リグや炭鉱で使用されるレンチ、ドライバー、ハンマーなどの工具には、火花が発生しないことを保証するためのイニシャルBeCuがあります。

その他の

銀の90％と銅の10％の合金は、1965年まで、半ドル硬貨を除くすべての通貨で銀の使用が排除されるまで、硬貨で使用されていました。

7％銅アルミニウム合金は金色で、装飾に使用されます。一方、尺道は銅と金の日本の装飾用合金で、割合は低い（4〜10％）。

用途

電気配線およびモーター

銅の電気配線。ソース：スコットEhardt

電気伝導率が高く、コストが低い銅は、電気配線に使用する金属として最適です。銅ケーブルは、発電、送電、配電など、電力のさまざまな段階で使用されます。

世界で生産されている銅の50％は、その高い電気伝導性、ワイヤーの成形のしやすさ（延性）、変形や腐食に対する耐性のため、電気ケーブルおよびワイヤーの製造に使用されています。

銅は、集積回路やプリント基板の製造にも使用されます。金属は、熱伝導が高いため、ヒートシンクや熱交換器に使用され、放熱を促進します。

銅は電磁石、真空管、陰極線管、電子レンジのマグネトロンに使用されています。

同様に、それは電気モーターのコイルの構築とモーターを動作させるシステムで使用され、これらのアイテムは世界の電力消費の約40％を占めています。

建物

銅は、耐腐食性と大気の作用により、住宅の屋根、縦樋、ドーム、ドア、窓などに長い間使用されてきました。

現在、壁の外装や浴室の備品、ドアの取っ手、ランプなどの装飾品に使用されています。また、抗菌製品にも使用されています。

静菌作用

銅は、その上に多数の生命体が成長するのを防ぎます。ムール貝などの軟体動物やフジツボの成長を防ぐために船の船体の底に置かれたシートで使用されました。

現在、前述の船体の保護には銅ベースの塗料が使用されています。金属銅は、接触すると多くのバクテリアを中和することができます。

その作用メカニズムは、そのイオン性、腐食性、および物理的特性に基づいて研究されています。結論は、銅の酸化挙動とその酸化物の溶解度特性が金属銅を抗菌性にする要因であるということでした。

金属銅は、大腸菌、黄色ブドウ球菌、クロストリジウムディフィシルのいくつかの株、グループAウイルス、アデノウイルス、真菌に作用します。したがって、さまざまな輸送手段で乗客の手に触れる銅合金を使用することが計画されています。

ナノ粒子

銅の抗菌作用は、そのナノ粒子を使用するとさらに強化され、歯内治療に有用であることが証明されています。

同様に、銅ナノ粒子は優れた吸着剤であり、それらはオレンジ色であるため、それらの色の変化は潜在的な比色法を表しています。たとえば、ジチオカルバメート系農薬の検出用に開発されました。

生物学的役割

電子輸送チェーン

銅は生命にとって不可欠な要素です。それは、電子輸送チェーンに関与しており、複合体IVの一部を形成しています。電子輸送チェーンの最後のステップは、この複合体で行われます。酸素分子を還元して水を形成します。

Complex IVは、2つのhaeグループ、シトクロムa、シトクロムa ₃、および2つのCuセンターで構成されています。1つはCuA、もう1つはCuBと呼ばれます。シトクロムa ₃とCuBは、酸素の水への還元が起こる二核中心を形成します。

この段階で、Cuはその+1から+2の酸化状態に移行し、酸素分子に電子を与えます。電子輸送チェーンは、クレブス回路からのNADHとFADH ₂を電子供与体として使用し、電気化学的水素勾配を作成します。

この勾配は、酸化的リン酸化と呼ばれるプロセスで、ATPを生成するためのエネルギー源として機能します。したがって、最終的には、真核細胞でのATPの生産には銅の存在が必要です。

酵素スーパーオキシドジスムターゼ

銅は、酵素スーパーオキシドジスムターゼの分解を触媒する酵素の一部であり、スーパーオキシドイオン（O ₂^-）、生物に対して毒性である化合物。

スーパーオキシドジスムターゼは、スーパーオキシドイオンの酸素および／または過酸化水素への分解を触媒する。

スーパーオキシドジスムターゼは、銅の還元を使用してスーパーオキシドを酸素に酸化するか、または銅を酸化させてスーパーオキシドから過酸化水素を形成することができます。

ヘモシアニンで

ヘモシアニンは、いくつかのクモ類、甲殻類、軟体動物の血中に存在するタンパク質です。これらの動物のヘモグロビンと同様の機能を果たしますが、酸素輸送の場所に鉄が存在する代わりに、銅が含まれています。

ヘモシアニンは、その活性部位に2つの銅原子を持っています。このため、ヘモシアニンの色は青緑色です。金属銅の中心は直接接触していませんが、近くにあります。酸素分子は2つの銅原子の間に挟まれています。

人体への集中

人体には、1.4〜2.1 mgのCu / kgの体重が含まれています。銅は小腸で吸収され、アルブミンと一緒に肝臓に運ばれます。そこから、銅は血漿タンパク質セルロプラスミンに付着した人体の残りの部分に輸送されます。

過剰な銅は胆汁を通して排泄されます。ただし、ウィルソン病などの一部のケースでは、銅が体内に蓄積し、神経系、腎臓、眼に影響を与える金属の毒性作用が現れます。

参考文献

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