銅の工業的製法「粗銅の精製・電解精錬」（仕組み・陽極泥・反応式など）

2017年8月6日2023年6月23日

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『銅の工業的製法「粗銅の精製・電解精錬」（仕組み・陽極泥・反応式など）』について解説しています。

銅の製法

銅Cuの製法は大きく2段階に分けることができる。

●第1段階
原料の黄銅鉱CuFeS₂から粗銅（不純物を含む銅）を得る。
●第2段階
粗銅の電解精錬により純銅を得る。

第1段階では、原料の黄銅鉱CuFeS₂から粗銅（純度約99%：不純物を含む銅）を得る。第2段階では、粗銅の電解精錬により純銅（純度約99.9%）を得る。
このページでは、銅の製法について、順を追って解説する。

第1段階（黄銅鉱→粗銅）

銅の製法の第1段階（黄銅鉱→粗銅）は次の手順で行われる。

●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。
●STEP2
STEP1で得たCu₂Sに転炉でO₂を吹き込み加熱し、粗銅を得る。

STEP

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、原料となる黄銅鉱CuFeS₂にコークスC・石灰石CaCO₃・ケイ砂SiO₂などを混ぜて溶鉱炉で加熱する。

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

これにより硫化銅(Ⅰ)Cu₂Sを得る。

STEP

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。

\[ \begin{align}&\mathrm{2Cu_{2}S + 3O_{2} → 2Cu_{2}O + 2SO_{2}・・・①}\\
&\mathrm{2Cu_{2}O + Cu_{2}S → 6Cu+SO_{2}・・・②} \end{align}\]

①と②の反応式を足し合わせると、次のようになる。

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

全体を3で割ると…

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

ここで生じる銅は粗銅とよばれる不純物を多く含んだ銅である（純度約99%）。
この後電解精錬を行うことで、不純物を取り除き、より純度の高い純銅（純度99.99%以上）にする。

第2段階（粗銅→純銅）

銅の製法の第2段階（粗銅→純銅）は次の手順で行われる。

●STEP1
硫酸銅(Ⅱ)CuSO₄水溶液に粗銅（陽極）および純銅（陰極）を入れ、電流を流す。
●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低い）Cu^2＋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。

STEP

硫酸銅(Ⅱ)CuSO₄水溶液に粗銅（陽極）および純銅（陰極）を入れ、電流を流す。

まず、硫酸銅(Ⅱ)CuSO₄水溶液に粗銅（陽極）および純銅（陰極）を入れ、電流を流す。

STEP

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。

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。

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）。

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

STEP

陰極で（水溶液中で最もイオン化傾向が低い）Cu^2＋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。