What is 銅?
銅 (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
構造
環の上の点を示す図ではありません。占有された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元素の中でどこに位置するかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。
縮尺どおりの大きさ
Radius 128 pm — that is 0.128 nm, so about 3906 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
銅 is liquid over a 1477 K window, from 1358 K to 2835 K.
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金属を利用したものです。肥沃な三日月地帯では、紀元前9000年頃から使われ始めました。トルコのÇayönü Tepesiで発見された考古学的証拠からは、農耕に先立つ銅製のビーズや道具が見つかっています。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、バルカン半島や中東の文明は、特定の緑色や青色の岩石(銅の炭酸塩)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。この画期的な進歩により、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アイスマン(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を始めました。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です。青銅は武器、道具、芸術品において純銅より優れていることが分かり、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年のシュメール人の文書には、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。ウルのスタンダードや数え切れないほどの遺物は、銅と青銅の冶金に関する彼らの熟達を示しています。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)に及ぶ交易路を築きました。
キプロス島は古代世界で銅と同義になり、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、帝国を築く銅を生産しました。ローマの技術者たちは、今日まで残る硬貨、配管、屋根、芸術作品に銅を使用しました。
エジプトの冶金技術者たちは目覚ましい高度化を達成し、神殿の排水設備用の銅管や精巧な青銅製品を作り出しました。エドウィン・スミス・パピルス(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、銅やその他の金属を求める動きによって部分的に推進されました。スペインのコンキスタドールは、アメリカ大陸で高度な銅冶金技術に出会いました。そこでは先住民が独自に高度な技術を発展させていました。ミシガン州アッパー半島のカッパー・カントリーは、南北戦争中に北軍のための銅を供給しました。
電気の発見により、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)は大規模な鉄鋼生産を可能にし、蒸気機関や産業機械に使われ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)で銅を取り上げ、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り銅の面心立方構造が明らかになり、例外的に高い電気伝導率と熱伝導率の理由が説明されました。
電気時代の到来により、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につながりました。冷蔵、空調、電子機器の発展によって、銅の用途はさらに広がりました。
用途
銅は優れた電気伝導率(銀に次ぐ)を持つため、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%以上の効率で機械的な動きに変換する銅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年以上にわたり、自然に細菌やウイルスを死滅させるオリゴ力学的効果によって、清浄な水を供給してきました。現代の住宅では、信頼性、耐食性、抗菌性に優れた銅製配管が使われています。病院の給水システムでは、Legionellaなどの水系病原体を防ぐため、銅の使用が指定されることが増えています。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、産業工程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(銅とスズ)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(銅と亜鉛)は、優れた音響特性を持つ楽器や、海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、爆発性環境向けの耐火花性ツールや、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われ、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。
銅が自然に形成する緑青は、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。立平葺きの銅屋根は100年以上もつ一方、年月とともに美しい青緑色の酸化被膜を形成します。Frank Lloyd Wrightをはじめとする建築家たちは、耐久性、加工性、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、医薬品製造における炭素-炭素結合の形成に銅を使用します。硫酸銅は水処理で藻類を抑制し、農業では植物の成長に不可欠な微量栄養素を供給します。
由来
60 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 79% of elements
銅は地殻中で存在度が25番目に高い元素で、60 ppm存在しますが、経済的に採掘可能な濃集には、局所的な存在度を100倍に高める地質作用が必要です。チリには世界の埋蔵量の28%が存在します。その大部分は、乾燥した環境によって硫化鉱が保存されるアタカマ砂漠にあります。ペルー、中国、コンゴ民主共和国にも、多様な地質作用によって形成された主要な鉱床があります。
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Chuquicamata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、それが斑状岩体として上盤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)と輝銅鉱(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があります。
ミシガン州のキウィーノー半島には世界最大の自然銅鉱床があり、金属銅が化学的に結合せず自然に存在します。先カンブリア時代の洪水玄武岩が還元環境をつくり、杏仁状空隙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、北アメリカ全域で取引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、銀河の化学進化と恒星内部での元素処理についての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 ppbの銅が含まれ、海洋生物に不可欠ですが、高濃度では有毒です。深海底の多金属団塊には、海水から金属が沈殿することで数百万年にわたって銅が蓄積します。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。
銅はすべての生物にとって必須の微量栄養素であり、チトクロムオキシダーゼやスーパーオキシドディ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。土壌中の銅の利用可能性は、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。これらの色鮮やかな鉱物は、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)です。NIOSH REL:銅化合物は1 mg/m³、金属ヒューム熱を防ぐための銅ヒュームは0.1 mg/m³です。ACGIH TLV:銅ヒュームは0.2 mg/m³で、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ています。
銅ヒューム熱は、酸化銅のヒュームにばく露した溶接作業者や金属作業者に生じ、発熱、悪寒、筋肉痛、金属味など、インフルエンザに似た症状を引き起こします。症状は通常、ばく露後4~12時間で始まり、24~48時間以内に治まります。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、火気を伴う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、重度の消化管刺激、吐き気、嘔吐を引き起こし、10~20グラム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。Wilson病は3万人に1人が発症する遺伝性疾患で、銅を正常に排泄できなくなり、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、神経学的な問題、眼に現れる特徴的なKayser-Fleischer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師の診察を受けます。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師の診察を受けます。摂取:無理に吐かせず、水または牛乳を与え、直ちに医師の診察を受けます。
EPAの飲料水基準:公共水道システムにおける銅の対策レベルは1.3 mg/Lです。高濃度では消化管障害を引き起こし、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毒性が強いため、銅を含む溶液の廃棄や産業廃水の処理には細心の注意が必要です。
酸化や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ます。研削および切断作業では、銅粉じんを管理するために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状態を生じる可能性のある銅粉じんの蓄積を防ぎます。
銅に著しくばく露した作業者には、基準時および定期的な肝機能検査、血球数検査、呼吸器評価が必要です。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Wilson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 (symbol Cu) is element 29 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 11. The first metal humans smelted, and still the nervous system of the electrified world. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 1 electrons respectively.銅 melts at 1357.8 K (1084.6 °C) and boils at 2835 K (2561.9 °C).
The standard atomic weight of 銅 is 63.546 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
銅 has a density of 8.96 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 銅 is about 9× heavier.
銅 has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
銅 has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from latin cuprum, from Cyprus.
銅 makes up about 60 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.