銅は人類が最初に使いこなした金属の一つです。赤色の美しい光沢と、銀に次ぐ優れた電気伝導性が特徴です。
「希塩酸・希硫酸に溶けない」という性質から始まり、硝酸・熱濃硫酸との反応、Cu²⁺の識別、
テトラアンミン銅(II)イオンの深青色、電解精錬の原理まで、体系的に理解しましょう。
銅 Cu は赤色（赤みを帯びた金属光沢）の金属で、展性・延性に非常に富みます。金属のうち電気伝導性・熱伝導性は銀に次いで大きく、電線・モーターの導線など電気材料として広く使われます。
| 性質 | 値・特徴 |
|---|---|
| 色 | 赤色（赤銅色） |
| 電気伝導性 | 銀に次いで大きい（金属中2位） |
| 展性・延性 | 大きい（薄く伸ばせる・細く引き伸ばせる） |
| 乾燥空気中 | 酸化されにくい |
| 湿った空気中 | 徐々に酸化されて緑青（青緑色のさび）を生じる |
緑青の主成分は CuCO₃・Cu(OH)₂ や CuSO₄・3Cu(OH)₂ などの混合物と考えられています。緑青は内部へのさびの進行を防ぐ保護被膜として働くため、銅製の屋根や仏像に見られる緑青は腐食を防ぐ役割を果たしています。
銅は単体として天然にも存在しますが、おもに黄銅鉱（主成分 CuFeS₂）などとして産出します。溶鉱炉でケイ砂・石灰石・コークスとともに強熱すると硫化銅(I) Cu₂S が得られ、これを転炉で空気を吹き込みながら加熱すると純度約99%の粗銅が得られます。粗銅はさらに電解精錬によって純度99.99%以上の純銅とします（詳細は Section 6）。
銅はイオン化傾向が水素 H₂ より小さいため、希塩酸・希硫酸とは反応しません（水素が発生しない）。これは鉄（Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ と反応する）との大きな違いです。
これらは単なる酸としての H⁺ だけでなく、強い酸化力をもつ酸化剤でもあります。銅はこれらによって酸化されて Cu²⁺ となり溶解します。
希硝酸との反応（一酸化窒素 NO が発生）
3Cu + 8HNO₃（希） → 3Cu(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO↑
濃硝酸との反応（二酸化窒素 NO₂ が発生）
Cu + 4HNO₃（濃） → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂↑
熱濃硫酸との反応（二酸化硫黄 SO₂ が発生）
Cu + 2H₂SO₄（濃・加熱） → CuSO₄ + 2H₂O + SO₂↑
希塩酸・希硫酸には酸化力がないため銅は溶けません。希硝酸・濃硝酸・熱濃硫酸は強い酸化力をもつため銅が溶けます。「銅が溶けるか否か」は「その酸に銅を酸化する力があるか」で判断します。この考え方は銀（Ag）などにも適用できます。
希硝酸では無色の NO（一酸化窒素）が、濃硝酸では赤褐色の NO₂（二酸化窒素）が発生します。試験管の口から出た気体の色で判別できます。NO は空気に触れると NO₂ に変化するため、試験管内では無色でも空気中で赤褐色になります。
銅の化合物は酸化数 +1（Cu⁺）と +2（Cu²⁺）の2種類が重要です。
| 化合物 | 化学式 | 色 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| 硫酸銅(II)五水和物 | CuSO₄・5H₂O | 青色 | 水に溶けやすい。150℃加熱で白色の無水塩に |
| 硫酸銅(II)無水塩 | CuSO₄ | 白色 | 水を吸収して青色の五水和物になる。水の検出に利用 |
| 水酸化銅(II) | Cu(OH)₂ | 青白色（淡青色）沈殿 | 加熱するとCuO に分解 |
| 酸化銅(II) | CuO | 黒色 | Cu を空気中で加熱すると生成 |
| 酸化銅(I) | Cu₂O | 赤色 | Cu を1000℃以上で加熱すると生成。フェーリング液の還元でも生成 |
| 硫化銅(II) | CuS | 黒色沈殿 | Cu²⁺ に H₂S を通じると沈殿 |
CuSO₄・5H₂O の結晶水5個のうち4個は Cu²⁺ に配位結合しており、残り1個は水素結合で結びついています。加熱すると段階的に脱水されます。
CuSO₄・5H₂O（青色）→（加熱、約150℃）→ CuSO₄（白色）+ 5H₂O
CuSO₄（白色）+ H₂O → CuSO₄・5H₂O（青色）（水の検出反応）
Cu²⁺ を含む水溶液に NaOH を加えると青白色の Cu(OH)₂ が沈殿します。
Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓（青白色）
Cu(OH)₂ を加熱すると黒色の CuO が生じます。
Cu(OH)₂ → CuO（黒色）+ H₂O
Cu²⁺ を含む化合物は青緑色の炎色反応を示します。
Cu(OH)₂ の青白色沈殿にアンモニア水を加えると沈殿が溶け、深青色の水溶液になります。これは Cu²⁺ に4個の NH₃ が配位結合したテトラアンミン銅(II)イオン [Cu(NH₃)₄]²⁺ が形成されるためです。
Cu(OH)₂ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻（深青色）
| 錯イオン名 | 化学式 | 色 | 配位数 | 形状 |
|---|---|---|---|---|
| テトラアンミン銅(II)イオン | [Cu(NH₃)₄]²⁺ | 深青色 | 4（主） | 正方形（平面） |
| テトラアクア銅(II)イオン | [Cu(H₂O)₄]²⁺ | 青色 | 4（主） | 正方形（平面） |
Cu²⁺ の水溶液が青色を示すのは、実際には水分子が配位した [Cu(H₂O)₄]²⁺（テトラアクア銅(II)イオン）が存在するためです。アンモニア水を加えると NH₃ が H₂O と置き換わって [Cu(NH₃)₄]²⁺ が形成され、色が青色から深青色に変わります。
Cu²⁺ に水分子4個が配位結合した [Cu(H₂O)₄]²⁺（アクア錯イオン）が存在します。このイオンのd軌道電子が可視光線（赤色系）を吸収するため、残りの青色系が見えます。NH₃ が配位すると分子の場が変化してd軌道の分裂幅が変わり、吸収波長がシフトして色がより深い青（深青色）になります。
黄銅鉱から製錬された粗銅は純度約99%で、金・銀・鉄・ニッケルなどの不純物を含みます。電線などの電気材料には高純度（99.99%以上）が必要なため、電解精錬（電気分解を利用した精製）を行います。
陽極（粗銅）：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻（酸化）粗銅が溶解する
陰極（純銅）：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（還元）純銅が析出する
低電圧での電解精錬では、不純物金属の挙動が巧みに利用されます。
| 不純物 | イオン化傾向 | 挙動 |
|---|---|---|
| Fe（鉄）、Ni（ニッケル） | Cu より大きい | 陽極から Fe²⁺、Ni²⁺ として溶け出すが、低電圧では陰極で析出されず水溶液中に蓄積 |
| Au（金）、Ag（銀） | Cu より小さい | 陽極の銅が溶け出しても陽イオンにならず、単体のまま陽極の下に沈降（陽極泥） |
陽極泥には金・銀・白金などの貴金属が含まれるため、電解精錬は銅の精製だけでなく貴金属の回収にも利用されます。
銅の化学は電気化学・酸化還元・錯化学が交差する重要な単元です。
Q1. 銅が希塩酸に溶けない理由を、イオン化傾向の観点から述べよ。
Q2. 銅と希硝酸の反応を化学反応式で書き、発生する気体の色を答えよ。
Q3. 硫酸銅(II)無水塩が水の検出に使える理由を述べよ。
Q4. Cu(OH)₂ の青白色沈殿にアンモニア水を加えると何が起きるか。化学式と色を含めて述べよ。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
銅に関する記述として正しいものを、次の①〜⑤からすべて選べ。
②③④
①が誤り。銅はイオン化傾向が水素より小さく、希塩酸とは反応しません（水素は発生しない）。⑤が誤り。酸化銅(I) Cu₂O は赤色の固体です（黒色は酸化銅(II) CuO）。②③④はすべて正しい記述です。
次の問いに答えよ。
(1) 銅と濃硝酸の反応を化学反応式で書き、希硝酸との反応と発生気体が異なる理由を述べよ。
(2) 純銅板（陰極）と粗銅板（陽極）を用い、硫酸銅(II)水溶液を電気分解した。2.0 A の電流を 9650 秒間流したとき、陰極に析出する銅の質量を求めよ。（Cu = 64、ファラデー定数 F = 9.65 × 10⁴ C/mol）
(3) 電解精錬において、粗銅中に含まれる金 Au と鉄 Fe が、それぞれどのように取り除かれるか説明せよ。
(1) Cu + 4HNO₃（濃） → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂↑。濃硝酸では NO₃⁻ の酸化力が強く NO₂ まで還元される（N の酸化数：+5 → +4）が、希硝酸ではより還元されて NO になる（+5 → +2）。
(2) 流れた電気量 = 2.0 A × 9650 s = 19300 C。電子の物質量 = 19300 ÷ 96500 = 0.20 mol。Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu より Cu の物質量 = 0.20 ÷ 2 = 0.10 mol。析出する銅の質量 = 0.10 × 64 = 6.4 g。
(3) 金：イオン化傾向が銅より小さいため、陽極の粗銅から溶け出さず単体として陽極の下に沈降する（陽極泥として回収）。鉄：イオン化傾向が銅より大きいため、陽極から Fe²⁺ として溶け出す。低電圧では陰極で析出されず水溶液中に残留する。
(1) 希硝酸と濃硝酸では、硝酸イオン NO₃⁻ の酸化力の強さと反応条件が異なるため生成する窒素酸化物が違います。希硝酸では NO（N：+2）、濃硝酸では NO₂（N：+4）が生じます。
(2) ファラデーの法則の計算。電気量 Q = It = 19300 C → 電子の物質量 n(e⁻) = Q/F = 19300/96500 = 0.20 mol → Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu より Cu は 0.10 mol 析出し、質量は 6.4 g です。
(3) イオン化傾向の序列：Fe > Cu > Au。Au は溶けずに沈降（陽極泥）、Fe はイオンとして溶液中に残留します。電解精錬は銅の精製と貴金属の回収を同時に行う合理的なプロセスです。
銅イオンの反応に関する以下の問いに答えよ。
(1) Cu²⁺ を含む水溶液に少量のアンモニア水を加えたときと、過剰のアンモニア水を加えたときで、観察される変化が異なる。それぞれの変化を化学式を用いて説明せよ。
(2) 硫酸銅(II)五水和物 CuSO₄・5H₂O を 250 g とり、これをすべて 20℃の水に溶かして飽和水溶液を作った。CuSO₄ の 20℃における溶解度を 20（水100gに対してCuSO₄を20g溶かせる）とするとき、加えた水の質量を求めよ。（CuSO₄ の式量を 160、CuSO₄・5H₂O の式量を 250 とする）
(3) 銅と酸の反応について、銅が「溶ける酸」と「溶けない酸」の違いを、イオン化傾向と酸化力の観点から体系的に説明せよ。
(1) 少量：Cu²⁺ + 2OH⁻（NH₃ の一部が OH⁻ として作用）→ Cu(OH)₂↓（青白色沈殿）が生じる。
過剰：Cu(OH)₂ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻（沈殿が溶けて深青色水溶液になる）
(2) CuSO₄・5H₂O 250 g の物質量 = 250 ÷ 250 = 1.0 mol。含まれるCuSO₄ = 1.0 mol = 160 g、結晶水 = 5 × 1.0 × 18 = 90 g。溶解度より、水 100 g に CuSO₄ 20 g が溶ける。CuSO₄ 160 g を溶かすのに必要な水 = 100 × (160/20) = 800 g。ただし結晶水90gが溶媒になるので、加える水 = 800 − 90 = 710 g。
(3) 銅のイオン化傾向は水素より小さいため、酸化力を持たない希塩酸・希硫酸（H⁺のみ）では溶けない。硝酸（HNO₃）は NO₃⁻ の酸化力、熱濃硫酸は SO₄²⁻ の酸化力をもち、Cu を Cu²⁺ まで酸化できるため溶ける。
(1) アンモニア水を少量加えると、NH₃ の一部が水と反応して OH⁻ を生じ（NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻）、Cu(OH)₂ の青白色沈殿が生じます。過剰に加えると NH₃ が配位子として Cu²⁺ と錯イオンを形成し、沈殿が溶けて深青色になります。この「少量と過剰で挙動が変わる」パターンはZn(OH)₂ + NaOH（[Zn(OH)₄]²⁻形成）などと同様で頻出です。
(2) CuSO₄・5H₂O の溶解問題の注意点：結晶水（90g）は溶媒の水になることを忘れないこと。「必要な水の総量（800g）」から「結晶水として持ち込まれる水（90g）」を引いた分が「別途加える水」です。
(3) 「銅と酸の反応」は単なる暗記でなく、イオン化傾向と酸化力の2軸で理解します。銅が溶けるには酸の酸化力が必要、という原則を覚えると銀・水銀など他の貴金属にも応用できます。