銅：定義、構成、種類、特性、用途

銅は金属でもある化学元素です。その主な特性は、優れた電気伝導性、高い熱伝導性、優れた耐腐食性です。また、延性があり、興味深い赤褐色をしています。これらの特性の組み合わせにより、銅は工学的および美的用途に幅広く応用されています。

銅とは何ですか?

銅は化学元素で、元素周期表の29番です。銅の元素記号はCuで、ラテン語の「銅赤褐色の延性金属です。熱伝導性、電気伝導性が高いため、幅広く使用されています。

銅の歴史とは？

銅の歴史は紀元前 8,700 年に遡ります。イラク北部で発見された銅のペンダントは、ほぼその日付に遡るもので、現在では銅で作られた最古の品物であると考えられています。銅は多くの古代文明において重要な金属でしたが、一般的にはメソポタミア人 (イラク北部) が銅を発見したと考えられています。実際、先史時代の一時期は紀元前 5,500 年から紀元前 4,500 年までで、通常、ギリシャ語で銅 (chalkos) と岩 (lithos) を意味する言葉から銅器時代と呼ばれています。

銅は、天然の金属の形で自然に発生する数少ない金属の 1 つです。これは、鉱石から冶金によって抽出する必要があるほとんどの金属とは異なります。天然の銅が発生する場所では、それらの文明が銅を使って武器や装飾品を作り始めるのに冶金技術は必要ありませんでした。

銅の別名は何ですか?

銅の別名はラテン語の銅、これは元素周期表で銅に Cu という記号を与えています。銅のラテン語名はもともとキプロス島に由来しており、この島は古代に銅の主な産地でした。Cuprum は「キプロスの金属」でした。

銅は何からできていますか?

銅は化学元素です。銅は 1 種類の原子のみで構成されており、より単純な物質に分解することはできません。銅原子の原子番号は 29 で、その原子核には 29 個の陽子が含まれています。

銅は、硫化銅鉱石（黄銅鉱など）または酸化銅鉱石のいずれかの天然鉱石から抽出されます。これらの鉱石は採掘され、粉砕され、加工されて銅になります。これらの銅鉱石は、南北アメリカの一部（チリやペルーなどの国）のほか、ロシアのウラル山脈やアフリカのザンビアやコンゴ民主共和国などの地域でも見つかります。

銅を製造するためのさまざまなプロセスは何ですか?

銅を製造するさまざまなプロセスを以下に説明します。

1. 鉱業

銅鉱石の採掘は、通常、大規模な露天掘り鉱山で行われます。露天掘りとは、地面に開いた階段状の穴を徐々に深く掘っていくものです。爆薬を使って岩を爆破し、できた岩塊を輸送して、小さな破片に砕いて加工します。

2. 抽出

銅鉱石には一般的に 2 種類ありますが、それぞれに 2 つの主な精製プロセスがあります。酸化鉱石には湿式製錬法が使用されます。粉砕された鉱石を山積みにし、酸浸出液を山に浸透させます。これにより、浸出液が濃くなります。硫化鉱石には乾式製錬法が使用されます。鉱石の抽出は、粒子の密度に応じて、浮選と濃縮によって行われます。

3. 浄化

酸化鉱石の場合、湿式冶金法が使用されます。つまり、浸出液を溶媒抽出プロセスに送り、溶液中の銅を濃縮します。次に、この溶液は電解採取に送られ、電気を使用して固体銅が析出されます。硫化鉱石の場合、乾式冶金法が使用されます。つまり、製錬所を使用して生の銅を生成します。その後、電解精錬によってさらに精製されます。

4. 合金化

銅合金は、まず合金材料を溶かし、次に銅を溶かして合金に加えることで製造されます。次に、溶融混合物を鋳造し、冷却して固化させます。

5. 電解精製

銅の電気精錬では、不純な銅材料を電気分解で溶液に溶解します。溶液に電流を流すことで、純粋な銅が電極上に電気化学的に析出します。これにより銅から不純物が除去され、純度が向上します。ただし、このプロセスはコストが高く、非常に多くの電力を必要とします。

銅の特徴は何ですか?

銅金属の主な特性は、優れた電気伝導性と熱伝導性です。また、可鍛性と延性があり、比較的簡単に曲げることができます。そのため、ケーブルを柔軟に配線するなど、作業が容易になります。銅金属のもう 1 つの重要な特性は、特に水や海水環境での耐腐食性です。最後に、銅は赤褐色で磨くことができるため、見た目が美しいという利点があります。

銅の色は何ですか?

銅は一般的に赤褐色です。しかし、酸化前の純粋な銅は実際にはピンク色ですが、茶色の酸化銅の形成は非常に急速に起こるため、簡単に入手できる銅はどれも一般的な赤褐色になります。銅は緑色の変色を呈することもあります (自由の女神像など)。これは炭酸銅です。

銅はどのように見えるでしょうか?

銅は赤茶色の光沢のある金属のように見えます。銅は、図 1 に示すような電線や、配管パイプ、電子機器など、さまざまな実用的な形状に加工できます。

銅にはどのような種類がありますか?

銅には、さまざまな用途に応じてさまざまな種類があります。銅の各グレードの特性と用途は、銅の純度と、含まれる合金元素 (ある場合) によって異なります。以下に、銅の種類を示します。

1. 銅線

銅線は金属の優れた電気伝導性を活用しています。ほとんどの電気用途で最も一般的な導体です。産業分野では大電流に使用され、家庭内ではコンセントや照明の配線にまで使用されています。

2. 銅管

銅管は耐腐食性があり、耐久性に優れているため、家庭の飲料水システムに広く使用されています。過去数十年間、世界のほとんどの国では、家庭用配管に銅管を使用するのが標準となっています。銅管にはさまざまな直径とゲージ (壁の厚さ) のものがあります。銅のコストが高く、改良されたプラスチック管材料が登場したため、銅が選ばれる頻度は低下しています。

3. 銅合金

最も一般的な銅合金は、真鍮（亜鉛との合金）と青銅（スズとの合金）の 2 つです。真鍮は一般的に広く使用されています。配管器具、楽器、装飾品に使用されます。亜鉛を加えると、合金の強度と延性が向上します。青銅は、熱伝導率が高く、延性が優れ、塩水腐食に強いなど、銅と非常によく似た特性を持っています。そのため、青銅はベアリングやブッシング、船舶のインペラに使用されます。

4. 純銅

純銅は、不純物を最小限に抑え、銅の熱特性と電気特性を最大限に引き出すように特別に処理されています。純銅は、添加物や微量合金材料が入った銅よりも柔らかく、靭性が低い傾向があります。純銅は、その電気伝導性と低熱膨張性により、精密電気部品に最適です。

5. 銅ナノ粒子

銅ナノ粒子は、1～100 nm のサイズ範囲にある銅または銅ベースの材料の非常に小さな粒子です。ナノ粒子は、バルク材料とは異なる挙動を示すことがわかっています。銅ナノ粒子の場合、おそらく表面積と体積の比率が大きいため、工業化学反応に対して非常に高い触媒活性を示します。さらに、銅ナノ粒子は優れた抗菌効果を示しています。

6. 切削性に優れた銅

切削性に優れた銅には微量の（<1%) of other alloying elements added to improve the machinability of the copper. Free-machining copper can then be more easily machined into items such as welding nozzles and soldering iron tips.

7. 銅板

銅板は薄い銅板（約 2 mm 以下）で、プレートはより厚い（最大 12 mm の厚さ）です。通常、銅板にはさまざまなグレードの銅が使用されています。銅板は可鍛性が高く、さまざまな部品に成形できます。

8. 無酸素銅

無酸素銅は、酸素を排除するために粒状グラファイト浴で溶解されます。これらは入手可能な銅の中で最も純度が高く、非酸化条件により不純物が最小限に抑えられています。電気伝導率が高く、揮発性不純物が少ないため、高真空電子機器での使用に適しています。

9. 電解銅

電解銅は溶液中で電気分解して不純物を取り除いた銅で、高純度の銅は電気伝導性が高く、バスバーや巻線などさまざまな電気部品に使用されています。

銅の特性は何ですか?

さまざまな種類の銅の特性を表 1 に示します。

表1: 銅の特性

各グレードの特性は似ていますが、その違いにより用途は多岐にわたります。

銅の物理的特性は何ですか?

さまざまな種類の銅の物理的特性を以下の表 2 に示します。

表2: 銅の物理的性質

表の出典: https://www.lenntech.com/

物理的特性は、材料中の銅の割合と合金元素によって異なります。

銅の化学的性質は何ですか?

銅の化学的性質は主にその酸化状態に依存します。一般的に存在する 2 つの酸化状態は Cu+ と Cu2+ です。以下の表 3 は、銅の一般的な化合物と条件の化学的性質の一部を示しています。

表3: 銅の化学的性質

これらの特性は、特定の銅化合物（シュウ酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩など）ごとに異なる場合があります。

銅の用途は何ですか?

銅の用途は日常生活のあらゆるところで見られます。以下に一般的な例をいくつか挙げます。

1. エレクトロニクス

銅は優れた電気伝導性を持つため、電子機器で広く使用されています。銅はアルミニウムに比べて小さな断面積で電流を流すことができるため、体積が小さくなり、部品を小型化できます。

2. 建築

銅は建築において、見た目の美しさを際立たせるために使用されます。屋根や壁の外装材、また雨どいや雨樋にも使用されてきました。

3. 配管

銅管は耐食性に優れているため、家庭内の水道配管に広く使用されています。

4. 交通

複雑な電子機器に使用される電気ケーブルの量が多いため、現代の自動車では銅が広く使用されています。電気自動車の市場シェアが拡大するにつれて、電気モーターなどの部品に使用される銅の量も増加しています。これは、銅が銀に次ぐ優れた電気伝導性を持っているためです。

5. 再生可能エネルギー

銅は再生可能エネルギー市場でさまざまな用途に使用されています。たとえば、風力タービンでは発電タービンに銅が使用されています。太陽光発電パネルでも接続部やケーブルに銅が必要です。

6. 医療機器

銅は抗菌性があるため、医療機器のコーティングに使用され、患者の感染リスクを軽減します。

7. 電気配線

銅は優れた電気伝導性があるため、電気配線に広く使用されています。特定の電流を効果的に流すために必要な銅の断面積は、アルミニウムなどの他の入手可能な材料よりも小さくなります。

8. 貨幣

銅は、展性があるため刻印しやすい一方で、流通に耐えられるほどの耐久性があるため、歴史的にコインに使用されてきました。また、抗菌性と耐腐食性も備えています。

9. 産業機械

銅は、銅ダイカストなどの産業機器でさまざまな用途に使用されています。モーターやケーブルなどの電気用途のほか、冷凍コンデンサーなどの熱交換器にも使用されています。また、特定の耐薬品性に​​も応用できます。

銅の利点は何ですか?

銅には、以下に挙げるような明らかな利点がいくつかあります。

銀に次ぐ優れた電気伝導性を持ち、世界中で電気・電子部品の導体として最も広く使用されています。

熱伝導率が非常に優れているため、冷凍機や空調装置のコンデンサーなどの熱交換器に使用されます。

特に水や海水用途において耐腐食性があり、水道システムの配管に広く使用されています。

延性があり、比較的簡単に曲げることができます。配管システムやケーブル配線での作業が容易です。

抗菌性があり、水の輸送だけでなく、患者の健康を守る医療用途にも非常に役立ちます。

銅の健康上の利点は何ですか?

銅は微量でも人間の健康に欠かせない微量ミネラルです。銅は体内で鉄の吸収を促進し、赤血球の生成やコラーゲンの生成に関与します。免疫機能を改善すると考えられています。

さらなる研究が必要ですが、銅が骨粗鬆症（骨密度の低下）を改善できるという兆候がいくつかあり、銅のブレスレットが関節炎による関節の痛みを和らげるのに使用できるという証明されていない理論もあります。

銅を含む食品グループには、葉物野菜、全粒穀物、ナッツ類、種子類などがあります。銅を多く含む具体的な食品としては、カキ、シイタケ、サツマイモ、ダークチョコレートなどがあります。

銅の限界は何ですか?

銅にはいくつかの制限があり、その一部を以下に示します。

アルミニウム（電気ケーブル）やプラスチック（水道管）などの代替材料と比較すると、比較的高価です。

アルミなどの素材に比べると比較的重いため、架空線には実用的ではないかもしれません。

特に高温で酸化するため、空気にさらされると寿命が限られます。

光ファイバーの代替信号伝送技術と比較すると、ショックのリスクがあります。

多量に摂取すると有毒なので、調理器具など銅を定期的に摂取する可能性のある場所には使用しないでください。

銅は錆びやすいですか？

銅は厳密には錆びません。錆は鉄酸化物であり、銅には鉄は含まれていないからです。しかし、銅の表面はある程度腐食します。銅は一般的に耐腐食性があると考えられています。銅は自然に赤褐色をしていますが、これは金属の表面に銅酸化物の不動態膜が形成されるためです。時間が経つと、銅酸化物が空気中の水や二酸化炭素と反応して、表面に緑色の炭酸銅が形成されます。

銅は人間にとって有毒ですか?

はい、銅は高濃度の場合、人体に有毒です。銅は人体の健康に不可欠な微量ミネラルですが、銅が過剰に存在すると、さまざまな合併症が発生します。血中銅濃度が高いと、アルツハイマー病や、乳がんや肺がんなどの特定の種類のがんにつながります。急性銅中毒は非常にまれですが、大量に吸収されると発生する可能性があります。肝臓や腎臓などの臓器の機能不全が始まり、致命的となる可能性があります。

銅は金属ですか？

はい、銅は金属です。また、比較的密度が高いため、重金属とも考えられています。詳細については、半金属に関するガイドをご覧ください。

銅と金属の違いは何ですか?

銅は 90 種類を超える元素金属の 1 つです。銅は金属ですが、銅とは非常に異なる金属も多数あります。他の金属は色が異なり、ほとんどの金属は白または灰色ですが、銅は赤褐色です。他の金属は物理的および化学的特性が異なり、銅よりも硬くて脆く、一般に熱や電気をそれほど容易に伝導しません。

銅とアルミニウムの違いは何ですか?

銅とアルミニウムは、異なる特性を持つ 2 つの異なる金属です。最も明らかな視覚的な違いは色です。銅は赤褐色で、アルミニウムは鈍い銀灰色です。銅はアルミニウムよりも引張強度が高く、電気伝導性と熱伝導性も優れています。

銅と真鍮の違いは何ですか?

真鍮は主に銅と亜鉛の合金です。そのため、真鍮には他の金属も含まれており、銅とは異なります。真鍮には、特定の特性を実現するために、スズ、鉛、アルミニウム、マンガンなどの金属がさらに少量含まれることがあります。

まとめ

この記事では銅について紹介し、銅とは何かを説明し、銅のさまざまな用途について説明しました。銅について詳しくは、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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