銅の工業的製法「粗銅の精製・電解精錬」について完全解説！〜仕組みから陽極泥の詳細まで〜

工業的製法の流れ・仕組み

銅の工業的製法は主に「粗銅の精製」と「電解精錬」の２段階に分けることができる。
ここでは、これらの段階をより細かくした以下の3STEPで、工業的製法の流れ・仕組みを一から確認していこうと思う。

原料となる黄銅鉱（CuFeS₂）にコークスCと石灰石CaCO₃を混ぜて溶鉱炉で加熱し、硫化銅（Ⅰ）Cu₂を得る

まずは、原料となる黄銅鉱（CuFeS₂）にコークスCと石灰石CaCO₃を混ぜて溶鉱炉で加熱する。

これにより、硫化銅（Ⅰ）Cu₂Sが生じる。

STEP1で得たCu₂Sに転炉でO₂を吹き込み加熱し、粗銅を得る

次に、STEP1で得たCu₂Sに転炉でO₂を吹き込み加熱する。

\[
Cu_{2}S + O_{2} → 2Cu + SO_{2}
\]

ここで精製した銅は「粗銅」と呼ばれる不純物を多く含んだ銅。STEP3で電解精錬を行うことで不純物を取り除きより純粋な銅にしていく。

電解精錬を行い、純銅を得る

最後に、電解精錬を行い純銅を得る。電解精錬の仕組みについて詳しいことは以下に記述してあるのでそちらを確認しよう！

粗銅を陽極に、純銅を陰極にして硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄水溶液中で電気分解（＝電解精錬）を行う

まずは、粗銅を陽極に、純銅を陰極にして硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄水溶液中で電気分解（＝電解精錬）を行う。

陽極（粗銅）に含まれる金属のうち、銅と銅よりイオン化傾向が高いものが溶け出し、残りのものは陽極板の下に沈殿する

CuSO₄水溶液中には銅イオンCu²⁺が既に存在しているよね。（当然SO₄^2-もいる）

従って、銅よりもイオン化傾向が高い金属たちは「銅が溶けているのにオレたちが溶けていないのはおかしい！溶ける！」という感じで真っ先に溶液中に溶け出し陽イオンとなる。
（当然銅も、周りの液に既に銅イオンが存在しているわけだから、溶け出してCu²⁺となる）

また、粗銅に含まれる”銅よりもイオン化傾向が小さい金属”は（陽イオンにはならず）金属板からはがれて沈殿を形成する。（＝陽極泥）

陰極で（水溶液中に存在する金属イオンの中で1番イオン化傾向が低い）Cu²⁺がe^–を受けとり単体のCu（純銅）となり、陰極板の純銅に貼り付く

陰極では、Cu²⁺がe^–を受けとり単体のCu（純銅）となり、陰極板の純銅に貼り付く。

Zn²⁺やFe²⁺はCu²⁺に比べてイオン化傾向（＝イオンでいたい度合い）が大きいので、e^–を受け取り単体になることはない。

\[
Zn → Zn^{2+} + 2e^{-}\\
Fe → Fe^{2+} + 2e^{-}\\
Cu → Cu^{2+} + 2e^{-}\\
（AgやAuは陽極泥として沈殿）
\]

\[
Cu^{2+} + 2e^{-} → Cu
\]