銅とは何ですか?
銅(記号Cu)は周期表の元素29で、4周期、11族の遷移金属です。 人類が初めて精錬した金属であり、今も電化された世界の神経系です。 室温では固体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質について銅が118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径128 pmです。これは0.128 nmなので、約3.91百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
銅は、1358 Kから2835 Kまでの1477 Kの範囲で液体です。
物語
人類が初めて使用した金属です。電気伝導性に優れています。
銅は、人類が初めて意図的に使用した金属であり、肥沃な三日月地帯で紀元前9000年頃に使われ始めました。トルコのÇayönü Tepesiから出土した考古学的証拠は、農業に先行する銅製のビーズやツールを示しています。鉄やアルミニウムとは異なり、自然銅は金属の形で自然に存在するため、初期の人類は複雑な製錬技術なしに加工できました。
紀元前5000年頃、バルカン地域と中東の文明は、特定の緑色や青色の岩石(炭酸銅)を木炭とともに加熱すると、純粋な銅金属が得られることを発見しました。この革新によって銅石器時代(銅器時代)が始まり、人類の技術は根本的に変化しました。アルプスで発見され、紀元前3300年頃のものとされるIceman(Ötzi)は、高度な冶金技術を示す銅製の斧を携えていました。
青銅(銅とスズの合金)は紀元前3500年頃に近東で登場し、紀元前1200年まで続いた青銅器時代の幕を開けました。この発見は、スズを含む銅鉱石が一緒に製錬された際に偶然起こった可能性が高いと考えられています。青銅は武器、ツール、芸術作品において純銅より優れていることが明らかになり、文明がスズの供給源を求める中で国際的な交易網の発展を促しました。
紀元前2500年のシュメール文書には、ロストワックス鋳造や合金組成など、高度な銅加工技術が記されています。Standard of Urをはじめとする無数の遺物は、銅と青銅の冶金に関する彼らの熟練技術を示しています。メソポタミアの商人たちは、アフガニスタン(スズ)からキプロス(銅)まで達する交易路を築きました。
キプロス島は古代世界で銅と同義となり、金属のラテン語名「cuprum」(「aes cyprium」―キプロスの金属―に由来)を生みました。キプロスのローマ鉱山は1500年以上にわたって操業し、帝国を築いた銅を生産しました。ローマの工学技術では、現代まで残る貨幣、配管、屋根、芸術作品に銅が使われました。
エジプトの冶金技術者は目覚ましい高度化を実現し、神殿の排水システム用の銅管や精巧な青銅製品を作り出しました。Edwin Smith Papyrus(紀元前1600年)には、感染症の治療に銅化合物を用いる医療用途が記されており、これは現代の抗菌用途を3600年も先取りするものでした。
ヨーロッパの探検は、銅やその他の金属の検索によって部分的に推進されました。Spanish conquistadorsたちは、先住民が独自に高度な技術を発展させていたアメリカ大陸で、進んだ銅冶金技術に遭遇しました。ミシガン州アッパー半島のCopper Countryは、南北戦争中に北軍のための銅を供給しました。
電気の発見によって、銅は有用な金属から不可欠な材料へと変わりました。Michael Faradayの電磁誘導実験(1831年)は電気の可能性を示し、Thomas Edisonの電力配電システムによって銅線が必需品となりました。Bessemer process(1856年)は大規模な鋼の生産を可能にし、蒸気機関や産業機械における銅の需要を生み出しました。
Antoine Lavoisierは画期的な著書「Elements of Chemistry」(1789年)に銅を含め、銅を基本的な元素として確立しました。John Daltonの原子説(1803年)は、銅の性質を理解するための理論的枠組みを示しました。X線結晶構造解析によって、銅が面心立方構造を持つことが明らかになり、その優れた電気伝導率と熱伝導率が説明されました。
電気時代の到来によって、銅の需要はかつてない規模に拡大しました。WestinghouseとGeneral Electricは、大量の銅線を必要とする交流電力システムの開発を競いました。第一次世界大戦と第二次世界大戦によって銅の戦略的重要性が示され、政府による備蓄やリサイクル計画が始まりました。冷凍、空調、電子機器の発展によって、銅の用途はさらに拡大しました。
用途
銅は電気伝導率が非常に高く(銀に次ぐ高さ)、世界の電力システムに不可欠です。送電線は、銅の59.6 MS/mの電気伝導率を利用して、発電所から都市へ電気を送ります。冷蔵庫から産業用ポンプまで、さまざまな機器の電動機は、電気エネルギーを95%+の効率で機械的運動に変換する銅の巻線に依存しています。電気産業は世界の銅生産量の65%を消費しています。
銅管は4000年以上にわたって清浄な水を供給してきました。これは、オリゴ力学的効果によって細菌やウイルスを自然に死滅させるためです。現代の住宅では、信頼性、耐食性、抗菌性の性質から銅配管が使用されています。病院の給水システムでは、Legionellaなどの水媒介病原体を防ぐため、銅が指定されるケースが増えています。銅銀イオン化システムは、プールや宇宙船の給水を浄化します。
銅の熱伝導率(401 W/m·K)により、エアコン、自動車のラジエーター、産業プロセスで効率的な熱交換器を実現できます。銅製調理器具は、プロの厨房に比類のない熱分布をもたらします。発電所の復水器では、銅ニッケル合金を使って蒸気タービンから冷却水へ廃熱を移し、発電効率を最大化します。
青銅(銅–スズ)は5000年前に文明の青銅器時代を始め、現在も軸受、船舶用プロペラ、建築部材に不可欠です。黄銅(銅–亜鉛)は、音響に優れた楽器や、塩水による腐食に耐える船舶用金具を生み出します。ベリリウム銅は、爆発性環境で使用できる火花の出にくいツールや、数十年にわたって張力を維持するばねを形成します。
EPAは、銅を細菌、ウイルス、真菌を継続的に死滅させる唯一の固体表面として認めています。病院のドアノブ、手すり、ベッドフレームには銅合金が使用され、医療関連感染を最大58%減少させます。COVID-19の研究では、銅表面が4時間以内にウイルスを不活化することが示されており、公共空間での採用が増えています。
銅に自然に生じる緑青は、Statue of Liberty、数多くの教会のドーム、現代建築の特徴的な緑色を生み出します。立ちはぜ銅屋根は100+年にわたって使用でき、その間に美しい青緑色の酸化皮膜を形成します。Frank Lloyd Wrightをはじめとする建築家たちは、耐久性、加工性、時とともに変化する美的魅力を理由に銅を指定しました。
銅触媒は、メタノール合成、医薬品製造、石油化学処理を可能にします。Ullmann反応は、医薬品製造において銅を使い、炭素–炭素結合を形成します。硫酸銅は水処理で藻類を抑制し、農業では植物の成長に必要な微量栄養素を供給します。
起源
地殻に60 mg/kg存在し、79%の元素より存在度が高い
銅は、地殻中で25番目に存在度の高い元素で、60 parts per millionを占めていますが、経済的に採掘可能な濃集には、局所的な存在度を100倍に高める地質学的過程が必要です。チリには世界の埋蔵量の28%が存在します。主な産地はアタカマ砂漠で、乾燥した環境が硫化鉱を保存しています。ペルー、中国、コンゴ民主共和国にも、多様な地質学的過程によって形成された主要鉱床があります。
ポーフィリー鉱床は世界の銅生産量の75%を供給しており、沈み込み帯の火山活動に伴う大規模な熱水系によって形成されます。チリのチュキカマタ鉱山は、世界最大の露天掘り銅鉱山であり、マグマ性流体が数百万年にわたって銅を運搬した巨大な熱水系の代表例です。これらの鉱床では、銅にモリブデン、金、銀が伴うことが多く、多金属鉱体を形成します。
沈み込む海洋プレートは、銅に富むマグマを生み出し、それが斑状岩脈として上部の地殻に貫入します。300-600°Cの熱水流体は、塩化物錯体として銅を運搬し、割れ目のネットワークに黄銅鉱(CuFeS₂)と斑銅鉱(Cu₅FeS₄)を沈殿させます。この過程には、主に収束プレート境界で生じる、正確な温度、圧力、化学的条件が必要です。
ザンビアとコンゴ民主共和国のカッパーベルトには、古代のリフト盆地で形成された層状銅鉱床があります。銅を含む流体が堆積岩中を移動し、還元環境で輝銅鉱(Cu₂S)と孔雀石 [Cu₂CO₃(OH)₂]を沈殿させました。これらの鉱床は、数千年前からアフリカの文明に銅を供給していました。
キプロス型鉱床は、熱水噴出孔が海底に硫化銅を沈殿させる中央海嶺で形成されます。キプロス島では、これらの鉱床が古代から大規模に採掘されたため、銅の名称はラテン語の「cuprum」に由来します。現代の類似例には、銅、亜鉛、鉛を多金属硫化物として濃集するブラックスモーカー熱水噴出孔があります。
ミシガン州のキーウィノー半島には世界最大の自然銅鉱床があり、金属銅が化学結合せずに自然に存在しています。先カンブリア時代の洪水玄武岩が還元的な条件をつくり、杏仁状空洞や割れ目に純銅を沈殿させました。先住民は7000年にわたってこの銅を採掘し、北アメリカ全域で交易される道具や装飾品を作りました。
銅は、漸近巨星分枝星における遅い中性子捕獲(s過程)や、II型超新星における爆発的元素合成によって形成されます。同位体比Cu-63/Cu-65は、銀河の化学進化や恒星内での元素処理に関する手がかりを与えます。隕石には硫化物の状態で銅が含まれており、46億年前の太陽系形成時に銅が存在していたことを示しています。
海水には0.25 parts per billionの銅が含まれており、海洋生物に不可欠ですが、高濃度では有毒です。多金属団塊は、海水から金属が沈殿することで深海底に数百万年かけて銅を蓄積します。中央海嶺の熱水系は、マントルと海洋の間で銅を継続的に循環させ、地球規模の地球化学的均衡を維持しています。
銅はすべての生命体にとって不可欠な微量栄養素であり、チトクロームオキシダーゼやスーパーオキシドジスムターゼなどの酵素で機能します。植物は光合成と鉄代謝に銅を必要とし、動物は結合組織の形成と鉄の輸送に銅を必要とします。土壌中で利用可能な銅の量は、農業生産性と生態系の健全性に影響します。
銅硫化物の風化によって、見事な二次鉱物が形成されます。藍銅鉱 [Cu₃(CO₃)₂(OH)₂]は鮮やかな青色の結晶を生じ、孔雀石 [Cu₂CO₃(OH)₂]は鮮やかな緑色の縞模様を形成します。クリソコラは青緑色のケイ酸塩塊を形成し、赤銅鉱(Cu₂O)は深紅色の八面体結晶を示します。これらの色彩豊かな鉱物は、数千年にわたって人々を魅了してきました。
取り扱い
OSHA PEL:銅ヒュームは1 mg/m³、銅の粉じんおよびミストは1 mg/m³(8時間TWA)。NIOSH REL:銅化合物は1 mg/m³、金属ヒューム熱を防ぐため銅ヒュームは0.1 mg/m³。ACGIH TLV:銅ヒュームは0.2 mg/m³。溶接や高温作業による呼吸器感作リスクの増加を考慮した値です。
銅ヒューム熱は、酸化銅のヒュームに曝露された溶接作業者や金属作業者に起こり、発熱、悪寒、筋肉痛、金属味などのインフルエンザ様症状を引き起こします。症状は通常、曝露から4~12時間後に始まり、24~48時間以内に消失します。月曜朝の発熱は、週末の間に作業者の耐性が低下したときに起こります。予防には、熱間作業中の十分な換気と呼吸用保護具が必要です。
硫酸銅の摂取は、重度の胃腸刺激、吐き気、嘔吐を引き起こし、10~20 gramsを超える用量では致命的な肝障害を起こす可能性があります。ウィルソン病は、30,000人に1人が罹患する遺伝性疾患で、正常な銅の排泄を妨げ、肝臓や脳に危険な蓄積を引き起こします。症状には、肝疾患、神経系の問題、眼に現れる特徴的なカイザー・フライシャー輪などがあります。
吸入:直ちに新鮮な空気の場所へ移し、遅れて現れる呼吸器症状を観察します。咳や呼吸困難が続く場合は、医療機関を受診してください。皮膚への接触:石けんと水で洗い、汚染された衣類を脱がせます。眼への接触:15分間、きれいな水で洗い流し、刺激が続く場合は医療機関を受診してください。摂取:無理に吐かせず、水または牛乳を与え、直ちに医療機関を受診してください。
EPAの飲料水基準:公共水道システム中の銅について、1.3 mg/Lを対策レベルとしています。高濃度では胃腸障害を引き起こし、配管の腐食を示している可能性があります。水生毒性:銅は魚類や水生無脊椎動物に対して非常に有毒であるため、銅を含む溶液の廃棄と産業廃水の処理には慎重な対応が必要です。
酸化と粉じんの発生を防ぐため、銅材料は乾燥した環境で保管してください。研削および切断作業では、銅粉じんを管理するため局所排気換気が必要です。溶接およびろう付けには、専用のヒューム抽出システムが必要です。定期的な清掃により、呼吸器への危険や可燃性粉じんの状態を生じさせる可能性がある銅粉じんの蓄積を防げます。
銅への重大な曝露がある作業者には、ベースライン時および定期的な肝機能検査、血球計算、呼吸機能評価が必要です。血清銅およびセルロプラスミン濃度は、過剰な吸収の特定に役立ちます。作業者のウィルソン病を早期に発見することで、適切な医学的管理が可能になり、重篤な合併症を防げます。
簡単な回答
銅(記号Cu)は周期表の元素29で、4周期、11族の遷移金属です。 人類が初めて精錬した金属であり、今も電化された世界の神経系です。 室温では固体です。
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹で、2, 8, 18, 1という分布の電子殻が4個あります。銅の融点は1357.8 K(1084.6 °C)、沸点は2835 K(2561.9 °C)です。
銅の標準原子量は63.546 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
銅の密度は8.96 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、銅の塊は約9倍重いです。
銅のポーリング電気陰性度は1.9です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
銅は古代から知られています。精錬せずに利用できる形で存在するため、その発見を特定の人物に帰することはできません。 名称はラテン語のcuprum。キプロスに由来しますに由来します。
地球の地殻における銅の割合は約60 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。