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〜

はじめに

このページでは銅の製法である粗銅の生成と電解精錬について図を使って解説していく。銅の単体・酸化物・銅原子を含む塩の性質や製法について完全解説!と合わせて確認しておこう。


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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。

STEP1 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
→ 硫化銅(Ⅰ)Cu2Sが生成
STEP2 STEP1で得たCu2Sに転炉でO2を吹き込み加熱
→ 粗銅が生成
STEP3 電解精錬を行う
→ 純銅が生成
Point!

STEP1

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)Cu2Sを得る。

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

\[
4CuFeS_{2}+9O_{2}→2Cu_{2}S+2Fe_{2}O_{3}+6SO_{2}
\]

これにより硫化銅(Ⅰ)Cu2Sが生じる。

STEP2

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。

\[
2Cu_{2}S + 3O_{2} → 2Cu_{2}O + 2SO_{2}・・・①\\
2Cu_{2}O + Cu_{2}S → 6Cu+SO_{2}・・・②
\]

①と②の反応式を足し合わせると…

\[
3Cu_{2}S + 3O_{2} → 6Cu + 3SO_{2}
\]

全係数を3で割って…

\[
Cu_{2}S + O_{2} → 2Cu + SO_{2}
\]

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。

STEP3

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!

電解精錬の仕組み

STEP1 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
STEP2 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金属が電子eを放出して溶け出し、残りは陽極板の下に沈殿する
STEP3 陰極で(水溶液中で最もイオン化傾向が高い)Cu2+がeを受け取り、単体のCu(純銅)になり、陰極板の純銅にはりつく
Point!

STEP1

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。

STEP2

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水溶液中には当然銅イオンCu2+が存在している。従って、銅よりもイオン化傾向が大きい金属は「銅がイオンになってるのに自分がなっていないのはおかしいやろ!」という感じで溶液中に溶け出し、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)

一方、粗銅に含まれる”銅よりもイオン化傾向が小さい金属(銀や金など)”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

STEP3

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。

電解精錬の反応式まとめ

陽極の反応式

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

陰極の反応式

\[
Cu^{2+} + 2e^{-} → Cu
\]

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