銅（Cu）

銅（Cu）は、金属の中でも特に高い電気・熱伝導性と加工性を併せ持ち、送配電、モーター、電子実装、熱交換、配管、そして多様な合金（黄銅・青銅など）の基盤を支える元素である。近年は再エネ・送電網更新・EVなど「電化（electrification）」の進展により需要の構造変化が進み、鉱山開発の長いリードタイムや精錬能力、地域偏在が価格・供給安定性に直結しやすい素材として、材料科学と資源・政策を同時に理解する必要が高まっている。

参考ドキュメント

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Copper（基本物性・概要） https://periodic-table.rsc.org/element/29/copper
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025, Copper（資源・生産・需給） https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-copper.pdf
• JOGMEC（日本語）：マテリアルフロー 2022 銅（国内外のフロー整理・循環の観点） https://mric.jogmec.go.jp/wp-content/uploads/2023/11/materialflow2022_Cu.pdf

1. 基本情報

項目	内容
元素名	銅
元素記号 / 原子番号	Cu / 29
標準原子量	63.546
族 / 周期 / ブロック	第11族 / 第4周期 / dブロック（遷移金属）
電子配置	$[\mathrm{Ar}]3d^{10}4s^1$
常温常圧での状態	固体（金属）
常温の結晶構造（代表）	fcc（面心立方）
代表的な酸化数	$0,+1,+2$（条件により$+3$も）
主要同位体（安定）	${}^{63}\mathrm{Cu},{}^{65}\mathrm{Cu}$
代表的工業形態	電気銅（高純度銅）、荒銅（アノード）、銅地金、銅スクラップ、銅合金（黄銅・青銅など）、銅化学品（硫酸銅など）

• 補足（銅を元素として扱う際の要点）
  • 銅は「高導電の金属Cu」と「化学種としてのCu(I)/Cu(II)」が同じ名称の下で頻繁に混在するため、議論対象が金属材料なのか、溶液・酸化物・触媒表面なのかを明示すると理解が安定する。
  • 供給統計は、鉱山生産（mine）と製錬・精製（smelting/refining）で地理分布が大きく異なる場合があり、どの工程が制約になっているかの切り分けが重要である。

2. 歴史

• 古代からの金属利用（青銅器・貨幣・装飾）

  • 銅は人類史で最も早くから利用されてきた金属の一つであり、錫と組み合わせた青銅（bronze）は道具・武器・儀礼具・美術へ広く展開した。これは銅が比較的低温で冶金しやすく、合金化によって硬さや鋳造性を調整できたことに起因する。
  • 近代以前の「材料としての銅」は、電気用途よりも合金・装飾・日用品の文脈で発展しており、現代の需要構造（電線・モーター・半導体配線）とは重心が大きく異なる。

• 電気の時代への転換（送電・通信・モーター）

  • 電力と通信が社会インフラ化した19〜20世紀に、銅の高導電性が決定的な意味を持つようになり、電線・巻線・発電機・変圧器の基盤材料として需要が拡大した。
  • 現代ではさらに、再エネ・蓄電・EV・データセンターなどの拡大により「電化の金属」としての重要性が再定義され、供給側（鉱山・精錬・リサイクル）との整合が政策課題にもなっている。

3. 銅を理解する

• 電子構造（高導電の源）

  • 銅は$3d^{10}$が満たされ、伝導に主として関与するのは$4s$由来の自由電子的成分であるため、電気抵抗が低く、熱伝導も高い。この性質は配線・熱拡散・巻線損失（ジュール損）の設計に直結し、材料選択の最上流の理由になりやすい。
  • 一方で、合金化や不純物、加工硬化、粒界、欠陥は電子散乱源となり、導電率を低下させやすい。したがって「強度を上げる」と「導電を保つ」はしばしば競合し、用途別のトレードオフ設計が必要になる。

• 酸化とCu(I)/Cu(II)（金属表面と溶液化学の接続）

  • 銅は空気中で酸化し、条件によって${\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O}$や$\mathrm{CuO}$などの酸化物皮膜を形成する。さらに大気・水・炭酸塩・硫酸塩などが関与すると、緑青（patina）として知られる塩基性炭酸銅などの生成へつながり、外観と耐食挙動の両方を変える。
  • 水溶液ではCu(I)とCu(II)の錯体形成が反応性を支配しやすく、アンモニアや塩化物などの配位子は溶解・腐食形態を大きく動かす。金属Cuの腐食を議論するときは、表面反応と溶液側の錯形成を同じ系として扱うのが再現性の高い理解になる。

• つくり込み（純度・加工・熱処理の影響）

  • 高導電用途の銅（例：電気銅）は、純度・残留元素・酸素含有量（タフピッチ銅、無酸素銅など）で特性が変わり、接合性や高温脆性、水素脆化感受性などの論点が現れる。
  • 薄膜配線（半導体・実装）では、バルク物性よりも界面散乱・粒界・拡散・エレクトロマイグレーションが支配的になることが多く、材料は「微細構造工学」として扱われる。

4. 小話

• 銅が「赤い」理由

  • 多くの金属が銀白色なのに対し、銅が赤みを帯びるのは、可視光領域での電子遷移と反射スペクトルが関与しているためと説明されることが多い。見た目の色は装飾・建材の意匠に直結し、酸化で色調が変化する点も含めて設計要素になり得る。
  • 同じ第11族でも金（Au）も特徴的な色を持つが、銅は「導電と意匠」が同時に現場要件になる場面が多い点が面白い。

• 緑青（patina）は必ずしも「劣化」ではない

  • 銅屋根や銅像の緑色は、環境中の水分・二酸化炭素・硫黄酸化物などが関与して形成される生成物層により生じる。条件によっては表面を保護する方向に働くことがあり、「腐食＝即失敗」ではなく、環境設計の一部として扱われる。
  • ただし塩化物環境（海塩粒子など）では局部腐食が問題になり得るため、保護的かどうかは環境依存である。

5. 地球化学・産状

5.1 主な鉱石・鉱物形態

• 黄銅鉱（chalcopyrite）${\mathrm{CuFeS}}_2$
• 輝銅鉱（chalcocite）${\mathrm{Cu}}_2\mathrm{S}$
• 斑銅鉱（bornite）${\mathrm{Cu}}_5{\mathrm{FeS}}_4$
• 孔雀石（malachite）${\mathrm{Cu}}_2{\mathrm{CO}}_3(\mathrm{OH}{)}_2$、藍銅鉱（azurite）${\mathrm{Cu}}_3({\mathrm{CO}}_3{)}_2(\mathrm{OH}{)}_2$

補足：

• 銅は硫化物鉱物として産することが多く、選鉱（浮選）と乾式製錬（溶錬→転炉）が王道のフローを形成してきた。一方で酸化鉱（炭酸塩・酸化物）や低品位鉱の利用では、浸出と溶媒抽出・電解採取（SX-EW）が重要になる。
• 鉱床タイプにより不純物（As, Sb, Bi, Fe, Sなど）や精錬難易度が変わり、同じ「銅資源」でもプロセス側の制約条件が大きく異なる。

5.2 鉱床タイプと生成環境（代表例）

• 斑岩銅鉱床（porphyry copper）
  • 世界の銅供給で支配的なタイプとしてしばしば言及され、大規模・低品位で長期操業になりやすい。水資源・尾鉱管理・社会受容性（許認可）が供給のボトルネックになりやすい点が現代的論点である。
• 堆積岩中銅鉱床（sediment-hosted）やVMS、スカルンなど
  • 鉱石品位や共伴元素が異なり、回収金属（Mo, Au, Ag, Znなど）との経済性の組合せで開発判断が変わる。銅単独の価格だけでは供給が動かない局面が生じ得る。

6. 採掘・製造・精錬・リサイクル

6.1 採掘と選鉱（硫化鉱を中心に）

• 銅硫化鉱は、破砕・粉砕後に浮選で銅精鉱へ濃縮するフローが一般的である。精鉱品位と不純物は、溶錬の操業安定性、硫黄回収、環境対策へ直接影響する。
• 低品位化が進むと、同じ金属量を得るための採掘量・エネルギー・尾鉱が増えやすく、環境負荷とコストの双方が増大し得る。

6.2 乾式製錬（溶錬→転炉→精製→電解精製）

• 乾式では、銅精鉱からマット・粗銅（ブリスター銅）を得て、アノードを作り、電解精製で高純度の電気銅を得る流れが代表的である。電解精製は純度を作るだけでなく、金・銀・白金族など副産物回収とも結びつき、操業経済性の重要部分になる。
• この工程はエネルギーとガス処理（SO₂回収など）を伴うため、設備投資・環境規制・操業技術が供給力の制約になりやすい。

6.3 湿式製錬（酸化鉱・低品位鉱：浸出→SX→EW）

• 酸化鉱や低品位鉱では、ヒープリーチング等で銅を溶出し、溶媒抽出（SX）で濃縮・精製し、電解採取（EW）でカソード銅を得るルートが用いられる。乾式よりも鉱種・溶液化学に強く依存し、酸消費や不純物管理が鍵になる。
• 「資源を金属にする」経路が複数あることは供給の柔軟性でもあるが、鉱床タイプの変化で支配的プロセスが変わり得る点が、需給見通しを難しくする要因でもある。

6.4 リサイクル（スクラップと都市鉱山）

• 銅は再溶解・精製が比較的行いやすく、スクラップ循環が供給の重要な一角を占める。とくに電線・配管・モーターなどは回収対象として大きく、分別品質がそのまま再生材の価値に直結する。
• 一方で製品が長寿命化すると、需要が増えてもスクラップ発生が追随しにくく、電化需要の急伸局面では一次資源への依存が高まりやすい。循環を増やすほど、合金元素混入や汚染を抑える分別・規格・トレーサビリティが要件として浮上する。

7. 物理化学的性質・特徴

7.1 熱・力学・輸送

値は純度、加工硬化、結晶粒、温度、合金化で変化する。材料として扱う際は、純Cuか合金か、焼なまし材か加工硬化材か、接合状態かを明示する必要がある。

項目	値（代表値）	備考
融点	1084 ℃	鋳造・ろう付け・高温挙動に関係
沸点	2560 ℃	蒸着・高温プロセスに関係
密度	8.96 g cm${}^{-3}$	重量設計・振動設計に効く
電気抵抗率	低い（高導電）	配線・巻線損・発熱設計の根拠
熱伝導率	高い	放熱・熱拡散・熱交換器で重要
延性・加工性	高い	伸線・圧延・曲げ加工に適性

• 補足
  • 高導電はそのまま「渦電流が流れやすい」ことも意味するため、交流磁場下では渦電流損や表皮効果を別途評価する必要がある。
  • 強度が必要な用途では、合金化（黄銅・青銅）や加工硬化で補うが、導電率低下とのトレードオフを意識して最適化する。

7.2 磁性

項目	内容（要点）	備考
室温の磁性	基本的に反磁性（金属としては弱い）	強磁性のような磁区は形成しない
工学的含意	電磁気設計では「磁性」より「導体としての損失」が支配的になりやすい	高周波では表皮効果が重要

• 補足
  • 銅は磁性材料ではないが、導体として電磁応答を強く示す。コイル近傍の銅部材配置やシールド設計では、渦電流による発熱や磁場歪みが支配因子になり得る。

7.3 腐食・表面反応（酸化皮膜と環境依存）

• 銅は環境中で酸化し、酸化物や塩基性塩を形成することで外観が変化する。中性域では比較的安定な皮膜が形成されることがある一方、塩化物環境では局部腐食が問題になり得る。
• 溶液中では錯体形成（例：アンモニア）や溶存酸素が腐食形態を動かすため、単一の「耐食性」評価は成立しにくい。材料比較は、pH、Cl⁻、溶存酸素、流速、異種金属接触を明示して行うのが有効である。

7.4 電気化学（標準電位とネルンスト式）

• 銅は${\mathrm{Cu}}^{2+}/\mathrm{Cu}$の標準電位が正で、熱力学的には貴な側に位置づけられることが多い。これは鉄などと比べて一般腐食しにくい印象につながるが、実系では錯形成・皮膜・局部環境で挙動が大きく変わる。
• 電位は濃度（活量）と反応商$Q$で変化するため、標準電位の暗記よりネルンスト式で条件依存性を追うことが重要である。

$$E=E^{\circ }-\frac{RT}{nF}\ln Q$$

7.5 錯体化学・触媒（Cu(I)/Cu(II)の多様性）

• 銅はCu(I)とCu(II)の酸化還元と配位化学が豊かで、無機化学・触媒・生体金属（銅酵素）でも中心的に現れる。固体触媒では、支持体との相互作用、酸素空孔、表面酸化状態が活性と選択性を左右しやすい。
• 近年の電気化学触媒では、銅表面での${\mathrm{CO}}_2$還元（多炭素生成物）などが研究の大きな潮流となっており、「金属Cu」が反応場でどの酸化状態・微細構造になるかをその場計測で追う研究が進んでいる。

8. 研究としての面白味

• 電化需要と資源制約が同時に効く「基盤金属」

  • 銅は材料としての代替が難しい用途（導体・巻線・配線）が多く、需要増が価格・供給と直結しやすい。研究開発でも、性能だけでなく供給安定性・リサイクル性・低炭素製造を仕様として取り込む必要が増えている。
  • たとえば送電網・再エネ・EVに伴う需要増は、鉱山開発の長い時間軸と整合しにくく、「将来の不足リスク」をどう織り込むかが技術・政策の接点になる。

• 微細化と信頼性（エレクトロマイグレーション、界面拡散）

  • 半導体・実装の銅配線では、電流密度増大によりエレクトロマイグレーションや界面拡散が支配的になり、バルク物性よりもナノスケールの欠陥・界面設計が核心になる。
  • 拡散バリア、結晶方位、粒界工学、添加元素による拡散抑制などが、材料科学としての研究フロンティアを形成している。

• 触媒・電極としての銅（状態が変わる材料）

  • 反応中に表面が酸化・還元し、構造も再編成され得るため、銅触媒は「静的材料」ではなく「動的材料」として扱う必要がある。ここに、分光・顕微・計算（DFT、MD、反応論）を統合する研究価値がある。

9. 応用例

9.1 材料・デバイス別の利用軸

• 電力・電気（送配電、モーター、変圧器）

  • 銅は送配電機器とモーターの巻線で中心材料であり、損失低減と小型化に直結する。発熱と冷却の設計は銅の抵抗と熱伝導を同時に使う問題になり、材料と熱設計が一体化しやすい。
  • 再エネ大量導入や系統増強の局面では、銅需要が「インフラ投資」と連動しやすく、調達と価格変動がプロジェクトリスクになることがある。

• 電子実装・半導体（配線、基板、放熱）

  • プリント基板の銅箔、パッケージ、配線材としての銅は、導電と熱の両方で重要である。微細配線では、バリア材・めっきプロセス・界面粗さが電気抵抗と信頼性を支配し、製造プロセスそのものが材料機能を作る。
  • 放熱では銅ベースのヒートスプレッダやヒートシンクが用いられ、熱抵抗の低減が性能と寿命に直結する。

• 熱交換・配管（空調、冷凍、給湯）

  • 銅管は熱伝導と加工性、接合性を活かして熱交換器や配管に広く使われる。使用環境（塩化物、アンモニア、流速、異種金属接触）で腐食リスクが変わるため、材料選定は水質・冷媒・運用条件と不可分である。

• 合金（黄銅・青銅・白銅など）

  • 銅はZn、Sn、Niなどとの合金で強度・耐食・ばね性・切削性を調整でき、機械部品から建材、電気接点まで用途が広い。合金化は導電率を下げやすいが、機械特性や耐摩耗が要求される場面では合理的な選択になる。

10. 地政学・政策・規制

• 供給の時間軸（鉱山開発の長期性）

  • 銅鉱山の新規開発は探索・許認可・建設に長い時間を要しやすく、短期の価格シグナルだけで供給が追随しにくい。このため、需要増が見込まれる局面では「不足リスク」や価格変動が構造的に議論されやすい。
  • 水資源、尾鉱管理、地域社会との合意形成は供給力の制約条件になりやすく、材料供給が社会制度と直結する代表例である。

• 精錬・リサイクルと産業安全保障

  • 銅は鉱石→精鉱→溶錬・精製→製品という多段階サプライチェーンであり、ボトルネックが鉱山とは別に存在し得る。精錬能力、エネルギー価格、環境規制は供給量とコストに影響し、国・地域の産業政策とも結びつく。
  • リサイクルは供給多元化の有力手段だが、製品寿命の長さと分別品質が制約になる。制度面では、回収スキーム、スクラップの越境移動、品質規格が循環の成立条件となる。

• 「重要鉱物」化する銅

  • 銅は希少元素ではない一方、電化の基盤材料として需要増が見込まれるため、重要鉱物・重要資源としての位置づけが強まっている。材料開発でも、代替（Al化、設計最適化、損失低減）と循環（高品質回収）を同時に進めることが現実的な戦略になる。

まとめと展望

銅は、電気・熱の「運び手」として社会インフラを支える基盤金属であり、導電・放熱・加工・合金設計の広い設計空間を持つ。一方で電化の進展により需要が増える局面では、鉱山開発の長期性、精錬能力、地域偏在が価格と供給安定性へ直結しやすい。今後は、用途別に「必要な銅機能（導電・熱・信頼性）」を明確化しつつ、低損失設計、微細構造工学、リサイクル高品質化を統合して、性能と供給制約を同時に満たす設計へ移行することが重要になる。

参考文献

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Copper https://periodic-table.rsc.org/element/29/copper
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025, Copper https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-copper.pdf
• IEA: Copper – Analysis（銅の需給・投資・見通し） https://www.iea.org/reports/copper
• JOGMEC（日本語）：マテリアルフロー 2022 銅 https://mric.jogmec.go.jp/wp-content/uploads/2023/11/materialflow2022_Cu.pdf
• NIST（Bratsch）: Standard Electrode Potentials and Temperature Coefficients in Water at 298.15 K（標準電位の整理） https://www.nist.gov/document/jpcrd355pdf
• WebElements: Copper（物性値の参照用） https://www.webelements.com/copper/