黄銅鉱(\ce{CuFeS2})}}とコークス\ce{C}と石灰石\ce{CaCO3}を溶鉱炉に入れて加熱する. \\[.2zh]
\ \ 鉄分は酸化される一方,\ 銅分は還元され,\ 硫化銅(I)\ \ce{Cu2S}となる. \\[.2zh]
\ \ $\ce{4CuFeS2}\,+\,\ce{9O2}\,\ce{->}\,\ce{2Cu2S}\,+\,\ce{2Fe2O3}\,+\,\ce{6SO2 ^}$ \\[.8zh]
\maru2\ \ \ce{Cu2S}を転炉に移して\ce{O2}\,を吹き込むと,\ 還元されて粗銅(純度99\%)が得られる. \\[.2zh]
\ \ $\ce{Cu2S}\,+\,\ce{O2}\,\ce{->}\,\ce{2Cu}\,(粗銅)+\,\ce{SO2 ^}$ \\\\[.8zh]銅\ce{Cu}の電解精錬}} 純度99\%の粗銅}を\textcolor{cyan}{陽極},\ \textcolor{orange}{純度99.99\%の純銅}を\textcolor{magenta}{陰極},\ CuSO4}\,\textbf{aq}\,を電解液}とし,} \\[.2zh]
\textbf{\textcolor{red}{約0.3\,V}で電気分解}して,\ 純度99.99\%の純銅を得る. \\\\
陽極} \textcolor{db}{\ce{Cu}\,(粗銅)}\,酸化}]}\,\ce{Cu^2+}\,+\,\ce{2e-}粗銅が溶解}) \\[.4zh]
\textcolor{magenta}{陰極} \ce{Cu^2+}\,+\,\ce{2e-}\,\ce{->[\textcolor{Purple}{還元}]}\,\textcolor{orange}{\ce{Cu}\,(純銅)} & (\textcolor{Purple}{純銅が析出})
粗銅中の不純物}}$ \\
$\bm{\ce{Cu}よりイオン化傾向の\begin{cases}
\textcolor{forestgreen}{大きい}金属(\textcolor{forestgreen}{\ce{Zn},\ \ce{Fe},\ \ce{Ni}}) 電解液中に溶解} \\[.2zh]
\textcolor{forestgreen}{大きい}金属(\textcolor{forestgreen}{\ce{Pb}}) \textcolor{red}{不溶性の塩\ce{PbSO4}\,となり沈殿}(\textcolor{blue}{陽極泥}) \\[.2zh]
\textcolor{red}{小さい}金属(\textcolor{red}{\ce{Ag},\ \ce{Pt},\ \ce{Au}}) \textcolor{red}{陽極の下に沈殿}(\textcolor{blue}{陽極泥})
鉱石から金属を取り出す工程を\textbf{\rubytiny{製錬}{せいれん}},\ 製錬によって得られた金属の純度を高める工程を\textbf{\rubytiny{精錬}{せいれん}}という. \\[.2zh]
特に,\ 電気分解を利用する精錬を\bm{電解精錬}という. \\[1zh]
\ce{Cu}の電解精錬が0.3\,\text V程度の低電圧で行われる理由は,\ 金属のイオン化列で説明できる. \\[.2zh]
他の金属の反応を起こさず\ce{Cu}の反応のみ起こすには,\ 0.3\,\text V程度がちょうどよいのである. \\[1zh]
\bm{電圧が高くなると,\ 陽極で起こりにくいはずの\ \ce{Ag}\,\ce{->}\,\ce{Ag+}\,+\,\ce{e-}\ が起こる.} \\[.2zh]
\bm{電解液中に\ce{Ag+}があると,\ 陰極で\ce{Ag}\,が析出してしまう.} \\[.4zh]
また,\ \bm{陰極で起こりにくいはずの\ \ce{Ni^2+}\,+\,\ce{2e-}\,\ce{->}\,\ce{Ni}\ なども起こってしまう.} \\[.2zh]
いずれにしても,\ 陰極で余計な金属まで析出することになり,\ 得られる純銅の純度が下がる. \\[1zh]
\ce{Pb}は\ce{Cu}よりもイオン化傾向が大きいため,\ \ce{Pb^2+}\,となって溶け出す. \\[.2zh]
ただし,\ \bm{電解液中の\ce{SO4^2-}\,によって不溶性の塩\ce{PbSO4}となり,\ 結局陽極泥になる.} \\[1zh]
当然,\ 陽極泥として回収できる貴金属\ce{Ag},\ \ce{Pt},\ \ce{Au}も貴重な資源として活用される.
水溶液5.0\,Lに,\ ニッケルと銀を不純物として含む粗銅を陽極 \\[.2zh]
\hspace{.5zw}とし0.20\,Aの電流を流したところ,\ 陰極に128\,gの銅が析出し,\ \ce{CuSO4}\,(I\hspace{-.1em}I)水溶液の濃 \\[.2zh]
\hspace{.5zw}度は0.66\,mol/Lに減少した.\ また,\ 粗銅の下に1.0\,gの沈殿が生じた. \\[.2zh]
\hspace{.5zw}ファラデー定数$F=9.65\times10^4\,\text{C/mol},\ \ \ce{Ni}=59,\ \ \ce{Cu}=64,\ \ \ce{Ag}=108$ \\[1zh]
\hspace{.5zw} (1)\ \ 電流を流した時間(秒)を求めよ. \\[1zh]
\hspace{.5zw} (2)\ \ 陽極の粗銅の純度(銅\ce{Cu}の質量パーセント)を求めよ. \\
陰極 $\ce{Cu^2+}\,+\,\ce{2e-}\,\ce{->}\,\ce{Cu}\,(純銅)$ \\[1zh]
\phantom{ (1)}\ \ 陰極で析出した\ce{Cu}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ 流れた電子\ce{e-}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ \textbf{電流を流した時間}は
\phantom{ (1)}\ \ \textcolor{red}{4.0\,molの電子\ce{e-}が流れたとき,\ 陽極では\underline{合計2.0\,mol}の\ce{Ni}と\ce{Cu}が溶解する.} \\[.5zh]
\phantom{ (1)}\ \ 電解液から失われた\ce{Cu^2+}\hspace{-.1zw}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ 陽極で溶解した\ce{Cu}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ 陽極で溶解した\ce{Ni}の物質量は
\phantom{ (1)}\ \ $(粗銅の質量減少分)=(\ce{Ni}の溶解質量)+(\ce{Cu}の溶解質量)+(陽極泥\ce{Ag}の質量)$ \\[.2zh]
\phantom{ (1)}\ \ $\phantom{(粗銅の質量減少分)}=59粗銅の純度}は $\bunsuu{(\ce{Cu}の溶解質量)}{(粗銅の質量減少分
(1)\ \ \textbf{2\,\text{mol}の電子\ce{e-}\,が流れると1\,\text{mol}の\ce{Cu}が析出}する. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ よって,\ \bm{陰極の純銅の質量変化から流れた電子\ce{e-}の物質量が逆算できる.} \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ 電子\ce{e-}の物質量とファラデー定数(1\,\text{mol}あたりの電気量[\text C])を掛けて流れた電気量が求まる. \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ さらに,\ 公式\ \bm{(電気量Q\,[\textbf C])=(電流I\,[\textbf A])\times(時間t\,[\textbf s])}によって時間(秒)が求められる. \\[1zh]
(2)\ \ \bm{陽極では,\ \ce{Cu}および\ce{Cu}よりもイオン化傾向が大きい不純物\ce{Ni}が溶解する(陽イオンになる).} \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ \bm{\ce{Cu}よりもイオン化傾向が小さい\ce{Ag}\,は陽イオンにはならず沈殿する(陽極泥).} \\[1zh]
\phantom{(1)}\ \ 陰極では\ce{Cu^2+}のみが\ce{Cu}となって析出するため,\ \bm{電解精錬で電解液中の\ce{Cu^2+}は減少する.}陽極で溶解した\ce{Cu}の\text{mol})=(陰極で析出した\ce{Cu}の\text{mol})-(電解液から失われた\ce{Cu^2+}の\text{mol})$}} \\[.2zh]
\phantom{(1)}\ \ (陽極で溶解した\ce{Ni}の\text{mol})=(陽極で溶解した金属の合計\text{mol})-(陽極で溶解した\ce{Cu}の\text{mol})
