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硫酸塩
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テトラオキソ硫酸(VI)
テトラオキシド硫酸(VI) | |||
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| モル質量 | 96.06 グラムモル−1 | ||
| 共役酸 | 硫酸水素 | ||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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硫酸イオンは、実験式SOで表される多原子陰イオンである。 2−4硫酸塩、硫酸誘導体、および過酸化物は、産業界で広く使用されています。硫酸塩は日常生活で広く使用されています。硫酸塩は硫酸の塩であり、多くはその酸から製造されます。
スペル
「硫酸塩」はIUPACが推奨する綴りですが、イギリス英語では伝統的に「硫酸塩」が使われていました。
構造
硫酸アニオンは、中心の硫黄原子と、その周囲を四面体状に並んだ 4 つの等価酸素原子から構成されています。孤立したアニオンの対称性はメタンと同じです。硫黄原子は +6 の酸化状態にあり、4 つの酸素原子はそれぞれ -2 の状態にあります。硫酸イオンは全体で -2 の電荷を持ち、重硫酸イオン (または硫酸水素イオン) HSOの共役塩基です。−4硫酸は硫酸H 2 SO 4の共役塩基です。ジメチル硫酸などの有機硫酸エステルは、硫酸の共有結合化合物およびエステルです。硫酸イオンの四面体分子構造は、 VSEPR理論によって予測されるとおりです。
ボンディング
つは極性共有結合のみ、2つはイオン結合あり
現代的な用語で結合を初めて記述したのは、1916年の画期的な論文で、ギルバート・ルイスが各原子の周りの電子オクテットの観点から結合を記述しました。つまり、二重結合はなく、硫黄原子の形式電荷は+2、酸素原子は-1です。[1] [a]
その後、ライナス・ポーリングは原子価結合理論を用いて、最も重要な共鳴標準はd軌道を含む2つのπ結合を持つと提唱した。彼の推論は、電気的中性原理に従って、硫黄の電荷がこのようにして減少するというものである。[2] S−O結合長149 pmは、硫酸のS−OHの結合長157 pmよりも短い。ポーリングは、S−O結合の短さを説明するために二重結合を採用した。
ポーリングのd軌道の使用は、 S−O結合の短縮を引き起こす上でのπ結合と結合極性（静電引力）の相対的な重要性に関する議論を引き起こした。その結果、d軌道は役割を果たしているが、ポーリングが信じていたほど重要ではないという幅広いコンセンサスが得られた。[3] [4]
pπ – dπ結合を含む広く受け入れられている記述は、当初はダーワード・ウィリアム・ジョン・クルックシャンクによって提案された。このモデルでは、酸素の完全に占有されたp軌道が空の硫黄d軌道（主にd z 2とd x 2 – y 2）と重なっている。[5]しかし、この記述では、S−O結合にいくらかπ特性があるにもかかわらず、結合は顕著なイオン特性を持っている。硫酸の場合、計算分析（自然結合軌道を使用）により、硫黄の明確な正電荷（理論的には+2.45）と低い3d占有率が確認されている。したがって、4つの単結合による表現は、2つの二重結合による表現ではなく、最適なルイス構造である（したがって、ポーリングモデルではなくルイスモデルである）。[6]
このモデルでは、構造はオクテット則に従い、電荷分布は原子の電気陰性度と一致します。硫酸イオンの S−O 結合長と硫酸の S−OH 結合長の不一致は、硫酸の末端 S=O 結合から p 軌道電子が反結合 S−OH 軌道に供与され、反結合 S−OH 軌道が弱まり、後者の結合長が長くなることで説明されます。
しかし、硫酸塩や他の酸素を含む代表的化合物に対するポーリングの表記法は、今でも多くの教科書で結合を表す一般的な方法である。[5] [7]ルイス構造の共有結合二重結合が実際には酸素原子に向かって90%以上強く分極した結合を表していることを理解すれば、この一見矛盾した表現は明らかになる。一方、双極子結合を持つ構造では、電荷は酸素上に孤立電子対として局在している。 [6]
準備
典型的には、金属硫酸塩は金属酸化物、金属炭酸塩、または金属自体を硫酸で処理することによって製造される：[7]
- 亜鉛 + H 2 SO 4 → 亜鉛SO 4 + H 2
- Cu(OH) 2 + H 2 SO 4 → CuSO 4 + 2H 2 O
- CdCO 3 + H 2 SO 4 → CdSO 4 + H 2 O + CO 2
単純な無水式で書かれていますが、これらの変換は一般に水の存在下で行われます。その結果、生成物の硫酸塩は水和され、硫酸亜鉛 ZnSO 4 ·7H 2 O、硫酸銅(II) CuSO 4 ·5H 2 O、および硫酸カドミウムCdSO 4 ·H 2 Oになります。
一部の金属硫化物は酸化されて金属硫酸塩になります。
プロパティ
イオン性硫酸塩の例は数多くあり、その多くは水に非常に溶けやすい。例外として、硫酸カルシウム、硫酸ストロンチウム、硫酸鉛(II)、硫酸バリウム、硫酸銀、硫酸水銀があり、これらは溶けにくい。硫酸ラジウムは最も溶けにくい硫酸塩として知られている。バリウム誘導体は硫酸塩の重量分析に有用である。ほとんどのバリウム塩、例えば塩化バリウムの溶液を硫酸イオンを含む溶液に加えると、硫酸バリウムが白っぽい粉末として溶液から沈殿する。これは硫酸陰イオンが存在するかどうかを判断するための一般的な実験室試験である。
硫酸イオンは、1つの酸素（単座配位）または2つの酸素（キレートまたはブリッジ）を介して結合する配位子として作用します。[7]例としては、錯体Co ( en ) 2 (SO 4 )] + Br − [7]または中性金属錯体Pt SO 4 ( PPh 3 ) 2 ]があり、硫酸イオンは二座配位子として作用します。硫酸錯体中の金属-酸素結合は、重要な共有結合特性を持つことがあります。
用途と発生
商用アプリケーション
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硫酸塩は工業的に広く使用されています。主な化合物には以下のものがあります。
- 石膏は、水和硫酸カルシウムの天然鉱物形態であり、石膏の製造に使用されます。建設業界では年間約 1 億トンが使用されています。
- 硫酸銅は一般的な藻類駆除剤で、より安定した形態（CuSO 4）はガルバニ電池の電解質として使用されます。
- 硫酸鉄(II)は、人間、動物、植物の土壌のミネラルサプリメントに含まれる一般的な鉄の形態です。
- 硫酸マグネシウム（一般にエプソム塩として知られている）、治療用入浴剤として使用される
- 鉛蓄電池の放電中に両極板上に生成される硫酸鉛(II)
- ラウレス硫酸ナトリウム（SLES）はシャンプーによく使われる洗剤です。
- ポリハライト、K 2 Ca 2 Mg(SO 4 ) 4 ·2H 2 O 、肥料として使用されます。
自然界での発生
硫酸還元細菌は、堆積物や深海の熱水噴出孔付近に生息する嫌気性微生物の一種で、硫酸塩の還元と有機化合物または水素の酸化を化学合成のエネルギー源として利用します。
歴史
錬金術師には硫酸塩がいくつか知られていました。ラテン語の「vitreolum（ガラス状）」に由来するビトリオール塩は、最初に知られた透明結晶の1つであったため、このように呼ばれました。[8] 緑色のビトリオールは硫酸鉄（II）七水和物、 FeSO 4 ·7H 2 O、青色のビトリオールは硫酸銅（II）五水和物、CuSO 4 ·5H 2 O、白色のビトリオールは硫酸亜鉛七水和物、ZnSO 4 ·7H 2 Oです。ミョウバンは、化学式K 2 Al 2 ( SO 4 ) 4 · 24H 2 Oで表されるカリウムとアルミニウムの複硫酸塩で、化学産業の発展に貢献しました。
環境への影響
硫酸塩は、化石燃料やバイオマスの燃焼によって生じる微粒子（エアロゾル）として発生する。それらは大気の酸性度を高め、酸性雨を形成する。嫌気性硫酸塩還元細菌であるデスルフォビブリオ・デスルフリカンスとデサルフォビブリオ・ブルガリスは、建物を変色させることが多い黒色の硫酸塩皮膜を除去することができる。[9]
気候への主な影響
逆転と加速する温暖化
1990年以降、地球の暗化傾向は明らかに地球の明るさの上昇に変わった。[19] [20] [21] [22] [23]これは、湿式スクラバーや流動床燃焼など、火力発電所の排ガス脱硫装置を通じた、先進国による大気汚染対策に続くものである。[24] [25] [26]米国では、1970年に大気浄化法が可決され、硫酸エアロゾルが大幅に減少した。同法は1977年と1990年に強化された。EPAによると、1970年から2005年の間に、硫酸塩を含む6つの主要な大気汚染物質の総排出量は米国で53％減少した。[27] 2010年までに、この硫酸塩汚染の減少により、推定で年間500億ドルの医療費が節約された。[28]ヨーロッパでも同様の措置が取られており、[27]例えば1985年の長距離越境大気汚染条約に基づく硫黄排出削減に関するヘルシンキ議定書などがあり、同様の改善が図られています。[29]
地球暗化のピーク時には、温暖化の傾向を完全に打ち消すことができました。1975年までに、継続的に増加する温室効果ガスの濃度はマスキング効果を克服し、それ以来優勢になりました。[27]その時でさえ、大気汚染による硫酸エアロゾルの高濃度地域は、全体的な温暖化の傾向に反して、当初は寒冷化を経験していました。 [30]米国東部は顕著な例であり、1970年から1980年の間に気温が0.7℃（1.3℉）低下し、アーカンソー州とミズーリ州では最大1℃（1.8℉）低下しました。[31]
エアロゾル濃度の変化はすでに地球の気候に影響を与えているため、将来の予測にも影響を与えることは間違いありません。実際、エアロゾルによる反対の冷却効果を考慮せずに、すべての温室効果ガスの温暖化への影響を完全に推定することは不可能です。[32] [33]
現在のエアロゾル冷却の強さにかかわらず、将来の気候変動シナリオはすべて粒子状物質の減少を予測しており、これには1.5℃（2.7℉）および2℃（3.6℉）の目標が達成されるシナリオも含まれます。これらのシナリオの具体的な排出削減目標は、減光の低下を補う必要があることを前提としています。[34]モデルでは、硫酸塩による冷却は大気中のメタンによる温暖化とほぼ同等であると推定されているため（メタンは比較的短寿命の温室効果ガスであるため）、両方を同時に削減すると、事実上お互いを相殺すると考えられています。[35]
[36]しかし近年、メタン濃度は1980年代のピーク時を上回る速度で増加しており、[37] [38]湿地からのメタン排出が近年の増加の大きな要因となっている一方、 [39] [40]大気汚染は積極的に浄化されつつある。[41]これらの傾向は、2010年代半ばの推定では2040年まで気温上昇は起こらないとされていたのに対し、現在では2030年頃には1.5℃（2.7℉）の気温上昇が見込まれる主な理由の一部である。 [ 32]水循環
地域的および地球規模で、大気汚染は、いくつかの自然現象と似た形で水循環に影響を与える可能性があります。一例として、サハラ砂漠の 砂塵がハリケーンの形成に与える影響が挙げられます。砂や鉱物粒子を含んだ空気が大西洋上を移動し、太陽光の一部が水面に届くのを遮り、水面をわずかに冷却してハリケーンの発達を弱めます。[43]同様に、2000年代初頭から、エアロゾルは海洋上の太陽放射を減少させ、それによって海からの蒸発を減らすため、「地球の水循環を減速させる」と示唆されています。[44] [45]
太陽地理工学
現実世界が硫酸エアロゾル濃度が地球の気候に及ぼす重要性を示したため、このテーマの研究が加速しました。エアロゾルの形成と大気への影響は、イオンクロマトグラフィーや質量分析などの方法を用いて実験室で研究することができます。 [47]実際の粒子のサンプルは、気球や航空機を使用して成層圏から回収することができ、 [48]遠隔衛星も観測に使用されました。[49]このデータは気候モデルに入力されます。[50]温暖化の速度と進展を真に理解するためにエアロゾル冷却を考慮する必要があることはずっと前から明らかであり、IPCC第2次評価報告書は、エアロゾルが気候に与える影響の推定を初めて含め、 2007年にIPCC第4次評価報告書が発表されるまでにすべての主要なモデルでエアロゾルをシミュレートできました。 [51]多くの科学者は、この研究のもう一つの側面、つまり人工的に同じ効果を引き起こす方法を学んでいることにも気づいています。[52] 1990年代頃に議論されていたが、[53]太陽熱地球工学の方法としての成層圏エアロゾル注入は、ポール・クルッツェンの2006年の詳細な提案と最も関連している。 [54]成層圏に展開することで、エアロゾルが最も効果的になり、清浄空気対策の進展が逆転しないことが保証される。最近の研究では、最も排出量が多いシナリオであるRCP 8.5であっても、現在と比較して4℃（7.2℉）（産業革命前と比較して5℃（9.0℉））の上昇を回避するために必要な成層圏硫黄の追加は、将来の対流圏硫酸塩汚染の制御によって効果的に相殺され、それほど劇的でない温暖化シナリオでは必要な量はさらに少なくなると推定されている。[55]これにより、コストとメリットの詳細な検討が促進されましたが、[56] 2020年代初頭までにこのテーマに関する何百もの研究が完了しても、いくつかの注目すべき不確実性が残っています。[57]
硫酸水素塩（重硫酸塩）
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| 名前 | |
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| IUPAC名
硫酸水素塩[58]
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| その他の名前
亜硫酸水素塩
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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.108.048 |
| 2121 | |
パブケム CID
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| HSO−4 | |
| モル質量 | 97.071 グラム/モル |
| 共役酸 | 硫酸 |
| 共役塩基 | 硫酸塩 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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硫酸水素イオン（HSO−4硫酸水素イオン（硫酸じんイオン）は、硫酸（H 2 SO 4 ）の共役塩基である。[59] [b]硫酸は強酸に分類され、水溶液中では完全にイオン化して水素イオン（H 3 O +）と硫酸水素イオン（HSO−4）イオンです。言い換えれば、硫酸はブレンステッド・ローリー酸として作用し、脱プロトン化されて硫酸水素イオンを形成します。硫酸水素イオンの価数は1です。HSOを含む塩の例−4イオンは重硫酸ナトリウムNaHSO 4です。希薄溶液では硫酸水素イオンも解離し、より多くのヒドロニウムイオンと硫酸イオン（SO2−4）。
その他の硫黄酸化物イオン
参照
注記
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外部リンク
- エアロゾル光学的厚さの現在の世界地図