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| 名前 | |||
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| IUPAC名
硫酸
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その他の名前
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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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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.028.763 | ||
| EC番号 |
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| E番号 | E513 （酸性度調整剤、…） | ||
| 2122 | |||
| ケッグ |
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パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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| 国連番号 | 1830 | ||
CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |||
| H 2 SO 4、(HO) 2 SO 2と表記されることもある | |||
| モル質量 | 98.079グラム/モル | ||
| 外観 | 無色の粘性液体 | ||
| 臭い | 無臭 | ||
| 密度 | 1.8302 g/cm 3、液体[1] | ||
| 融点 | 10.31 [1] °C (50.56 °F; 283.46 K) | ||
| 沸点 | 337 [1] °C (639 °F; 610 K) 硫酸は300 °C (572 °F; 573 K) を超えると徐々にSO 3 + H 2 Oに分解します。 | ||
| 混和性、発熱性 | |||
| 蒸気圧 | 0.001 mmHg（20℃）[2] | ||
| 酸性度（p Ka） | pK a1 = −2.8 pK a2 = 1.99 | ||
| 共役塩基 | 亜硫酸水素塩 | ||
| 粘度 | 26.7 cP (20 °C) | ||
| 構造[3] | |||
| 単斜晶系 | |||
| C2/c | |||
a = 818.1(2) 午後、b = 469.60(10) 午後、c = 856.3(2) 午後 α = 90°、β = 111.39(3)
°、γ = 90° | |||
数式単位( Z )
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4 | ||
| 熱化学 | |||
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
157 J/(モル·K) [4] | ||
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−814 kJ/モル[4] | ||
| 危険 | |||
| GHSラベル: | |||
 
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| 危険 | |||
| H314 | |||
| P260、P264、P280、P301+P330+P331、P303+P361+P353、P304+P340、P305+P351+P338、P310、P321、P363、P405、P501 | |||
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |||
| 引火点 | 不燃性 | ||
閾値制限値（TLV）
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15 mg/m 3 (IDLH)、1 mg/m 3 (TWA)、2 mg/m 3 (STEL) | ||
| 致死量または濃度（LD、LC）： | |||
LD 50 (平均投与量)
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2140 mg/kg（ラット、経口）[5] | ||
LC 50 (中央濃度)
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LC Lo (公表最低額)
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87 mg/m3 （モルモット、2.75時間）[5] | ||
| NIOSH（米国健康暴露限界）： | |||
PEL (許可)
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TWA 1 mg/m3 [ 2] | ||
REL (推奨)
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TWA 1 mg/m3 [ 2] | ||
IDLH（差し迫った危険）
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15mg/m3 [ 2] | ||
| 安全データシート（SDS） | 外部MSDS | ||
| 関連化合物 | |||
関連する強酸
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関連化合物
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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。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
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硫酸（アメリカ式綴りおよび推奨されるIUPAC名）または硫酸（連邦式綴り）は、古代では硫酸油として知られ、硫黄、酸素、水素の元素からなる鉱酸であり、分子式はH 2 SO 4です。無色、無臭、粘性のある液体で、水と混ざります。 [6]
純粋な硫酸は水蒸気との親和性が強いため、自然には生成されません。硫酸は吸湿性があり、空気中の水蒸気を容易に吸収します。[6]濃硫酸は強力な脱水特性を持つ酸化剤であるため、岩石から金属まで他の材料に対して高い腐食性があります。五酸化リンは注目すべき例外で、硫酸によって脱水されず、逆に硫酸を三酸化硫黄に脱水します。硫酸を水に加えると、かなりの量の熱が発生します。したがって、酸に水を加える逆の手順は通常避けられます。発生した熱によって溶液が沸騰し、その過程で熱い酸の液滴が飛び散る可能性があるためです。体組織に接触すると、硫酸は脱水による重度の酸性化学火傷や二次熱傷を引き起こす可能性があります。 [7] [8]希硫酸は酸化特性と脱水特性がないため、危険性が大幅に低くなります。ただし、酸味があるので取り扱いには注意が必要です。
硫酸は非常に重要な汎用化学物質であり、一国の硫酸生産量はその国の工業力を示す良い指標となる。[9]硫酸の製造方法には、接触法、湿式硫酸法、鉛室法など多くの方法が知られている。[10]硫酸は化学産業でも重要な物質である。最も一般的に使用されるのは肥料製造であるが[11] 、鉱物処理、石油精製、廃水処理、化学合成においても重要である。家庭用酸性排水管洗浄剤、[12]鉛蓄電池の電解質、脱水化合物、さまざまな洗浄剤など、幅広い最終用途がある。硫酸は三酸化硫黄を水に 溶かすことで得られる。
物理的特性
硫酸の等級
ほぼ 100% の硫酸溶液を作ることはできるが、その後の沸点でのSO3の損失により、濃度は 98.3% の酸になる。98.3% グレードは、より安定して保管できるため、「濃硫酸」と呼ばれるものの通常の形態である。他の濃度は、さまざまな目的で使用される。一般的な濃度は以下のとおりである: [13] [14]
「チャンバー酸」と「タワー酸」は鉛チャンバー法で生成される硫酸の2つの濃度であり、チャンバー酸は鉛チャンバー自体で生成される酸（ニトロシル硫酸による汚染を避けるため70%未満）であり、タワー酸はグローバー塔の底から回収された酸である。[13] [14]これらは現在、硫酸の商業的濃度としては使われていないが、必要に応じて実験室で濃硫酸から調製することができる。特に、「10 M」硫酸（チャンバー酸の現代の同等物で、多くの滴定で使用される）は、98%硫酸を等量の水にゆっくりと加え、よくかき混ぜることで調製される。混合物の温度は80°C（176°F）以上に上昇することがある。[14]
硫酸
硫酸にはH 2 SO 4分子だけでなく、下の表に示すように、実際には他の多くの化学種の平衡が含まれています。
硫酸は無色の油状液体で、蒸気圧は25℃で0.001mmHg未満、145.8℃で1mmHgである[16]。また、98%硫酸の蒸気圧は40℃で1mmHg未満である[17] 。
固体状態では、硫酸はほぼ三方格子定数を持つ単斜晶系結晶を形成する分子固体である。構造は（010）面に平行な層で構成され、各分子は水素結合によって他の2つの分子と結合している。[3]水和物H 2 SO 4 · n H 2 Oはn = 1、2、3、4、6.5、および8で知られているが、ほとんどの中間水和物は不均化に対して安定している。[18]
極性と導電性
無水 硫酸は非常に極性の強い液体で、誘電率は約100である。自己プロトン化、すなわち自己プロトン化の結果として、高い電気伝導性を示す 。[15]
- 2 H 2 SO 4 ⇌ H 3 SO+4+ ほそ−4
自己プロトリシスの平衡定数（25℃）は[15]である。
- [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] − = 2.7 × 10 −4
水の対応する平衡定数K wは10 −14 であり、 10 10 (100億) 倍小さくなります。
酸の粘性にもかかわらず、H 3 SOの有効導電率は+4およびHSO−4硫酸は分子内プロトンスイッチ機構（水中のグロッタス機構に類似）によりイオン性が高く、電気の良導体となります。また、多くの反応において優れた溶媒でもあります。
化学的性質
酸度
酸解離定数が示すように、硫酸は強酸です。
- H 2 SO 4 → H 3 O + + HSO−4K a1 = 1000 (pK a1 = −3)
このイオン化の生成物はHSOである。−4、重亜硫酸イオン。重亜硫酸イオンははるかに弱い酸です。
- HSO−4+ H 2 O → H 3 O + + SO2−4K a2 = 0.01 (pK a2 = 2) [20]
この2回目の解離の生成物はSO2−4、硫酸陰イオン。
脱水
濃硫酸には強力な脱水作用があり、砂糖（スクロース）やその他の炭水化物などの化合物から水（H 2 O ）を除去して、炭素、蒸気、熱を生成します。砂糖（スクロース）の脱水は、実験室でよく行われるデモンストレーションです。 [21]炭素が形成されると砂糖は黒くなり、図に示すように、 カーボンスネークと呼ばれる黒くて多孔質の炭素の硬い柱が現れることがあります[22] 。
同様に、濃硫酸にデンプンを混ぜると、元素状炭素と水が生成されます。濃硫酸を紙（セルロースでできています）にこぼすと、その効果が現れます。セルロースが反応して焦げたような外観になり、炭素は火から出る煤のように見えます。それほど劇的ではありませんが、綿に酸が作用すると、薄めた状態であっても布地が破壊されます。
![{\displaystyle {\underset {\text{多糖類}}{{\ce {[C6H10O5]}}_{n}}}\longrightarrow 6n\ {\ce {C}}+5n\ {\ce {H2O}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc5b432fe56cddc7fd4e08fda4502ba801cd3d07)
硫酸銅(II)との反応は、硫酸の脱水特性を示すこともできます。水が除去されると、青い結晶は白い粉末に変化します。
塩との反応
硫酸はほとんどの塩基と反応して、対応する硫酸塩または重硫酸塩を生成します。
硫酸は塩化ナトリウムと反応して塩化水素 ガスと亜硫酸水素ナトリウムを生成します。
- NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl
製紙用ミョウバンとしても知られる硫酸アルミニウムは、ボーキサイトを硫酸で処理することによって作られます。
- 2 AlO(OH) + 3 H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4 ) 3 + 4 H 2 O
硫酸は、弱酸をその塩から置換するためにも使用できます。たとえば、酢酸ナトリウムとの反応では、酢酸( CH 3 COOH)が置換され、亜硫酸水素ナトリウムが生成されます。
- H 2 SO 4 + CH 3 CO 2 Na → NaHSO 4 + CH 3 COOH
硫酸は硝酸と組み合わせると酸と脱水剤の両方として作用し、ニトロニウムイオン NOを形成する。+2これは、求電子芳香族置換反応を伴うニトロ化反応において重要である。酸素原子上でプロトン化が起こるこのタイプの反応は、フィッシャーエステル化やアルコールの脱水など、多くの有機化学反応において重要である。
硫酸は超酸と反応すると塩基として働き、プロトン化されて[H 3 SO 4 ] +イオンを形成する。 [H 3 SO 4 ] +の塩は、液体HF中で以下の反応を用いて調製される（例えば、トリヒドロキシオキソスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート（V）[H 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] −）。
- [(CH 3 ) 3 SiO] 2 SO 2 + 3 HF + SbF 5 → [H 3 SO 4 ] + [SbF 6 ] − + 2 (CH 3 ) 3 SiF
上記の反応は、副生成物の Si-F 結合の結合エンタルピーが高いため、熱力学的に有利である。しかし、純粋な硫酸は自己イオン化を起こして[H 3 O] +イオンを 生成するため、単純にフルオロアンチモン酸を使用したプロトン化は失敗している。
- 2 H 2 SO 4 ⇌ H 3 O + + HS 2 O−7
これによりHF/SbF5系によるH2SO4から[H3SO4 ] +への変換が防止される。[ 23 ]
金属との反応
希硫酸でも、他の一般的な酸と同様に、1回の置換反応で多くの金属と反応し、水素ガスと塩（金属硫酸塩）を生成します。硫酸は、鉄、アルミニウム、亜鉛、マンガン、マグネシウム、ニッケルなどの反応性金属（反応性シリーズで銅より上に位置する金属）を攻撃します。
- Fe + H 2 SO 4 → H 2 + FeSO 4
濃硫酸は酸化剤として働き、二酸化硫黄を放出する。[7]
- Cu + 2H2SO4 → SO2 + 2H2O + SO2−4+ 銅2+
炭素と硫黄との反応
高温濃硫酸は炭素[24] （瀝青炭として）と硫黄を酸化する：
- C + 2 H 2 SO 4 → CO 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O
- S + 2 H 2 SO 4 → 3 SO 2 + 2 H 2 O
求電子芳香族置換反応
ベンゼンは硫酸と芳香族求電子置換反応を起こし、対応するスルホン酸を与える：[25]
硫黄・ヨウ素循環
硫黄とヨウ素の化合物は回収され、再利用されるため、このプロセスは 硫黄-ヨウ素サイクルと呼ばれています。このプロセスは吸熱性であり、高温で発生する必要があるため、熱の形でエネルギーを供給する必要があります。硫黄-ヨウ素サイクルは、水素ベースの経済に水素を供給する方法として提案されています。これは電気分解の代替手段であり、現在の水蒸気改質法のように炭化水素を必要としません。ただし、このようにして生成された水素の利用可能なエネルギーはすべて、それを作るために使用された熱によって供給されることに注意してください。[26] [27]
発生
硫酸は水との親和性が非常に高いため、地球上で無水の形で自然に見られることはまれです。希硫酸は酸性雨の成分で、水の存在下で二酸化硫黄が大気中で酸化されることによって生成されます。つまり亜硫酸が酸化されるのです。石炭や石油などの硫黄含有燃料を燃焼させると、二酸化硫黄が主な副産物として生成されます（主生成物である二酸化炭素と水の他に）。
硫酸は、黄鉄鉱などの硫化鉱物の酸化によって自然に生成されます 。
- 2 FeS 2 (s) + 7 O 2 + 2 H 2 O → 2 Fe 2+ + 4 SO2−4+ 4時間+
結果として生じる非常に酸性の水は、酸性鉱山排水(AMD) または酸性岩石排水 (ARD) と呼ばれます。
Fe 2+ はさらにFe 3+に酸化されます。
- 4 Fe 2+ + O 2 + 4 H + → 4 Fe 3+ + 2 H 2 O
生成されたFe 3+は、水酸化物または水和酸化鉄として沈殿します。
- Fe 3+ + 3 H 2 O → Fe(OH) 3 ↓ + 3 H +
鉄(III)イオン（「鉄(III)」）も黄鉄鉱を酸化することができます。
- FeS 2 (s) + 14 Fe 3+ + 8 H 2 O → 15 Fe 2+ + 2 SO2−4+ 16 時間+
黄鉄鉱の鉄(III)酸化が起こると、プロセスが急速になる可能性があります。このプロセスによって生成されたARDでは、ゼロ未満のpH値が測定されています。
ARD は硫酸をよりゆっくりと生成することもできるため、帯水層の酸中和能力(ANC) によって生成された酸を中和することができます。このような場合、ミネラルとの酸中和反応によるミネラルの溶解によって、水の 総溶解固形物(TDS) 濃度が増加する可能性があります。
硫酸は特定の海洋生物によって防御手段として利用されており、例えば褐藻類デスマレスティア・ムンダ（デスマレスティア目）は細胞液胞内に硫酸を濃縮する。[28]
成層圏エアロゾル
成層圏（大気圏の第二層で、一般的には地表から10～50km上空にある）では、火山性二酸化硫黄がヒドロキシラジカルによって酸化されて硫酸が形成される。[29]
- SO 2 + HO • → HSO 3
- HSO 3 + O 2 → SO 3 + HO 2
- SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4
硫酸は成層圏で過飽和状態に達するため、エアロゾル粒子の核を形成し、他の水硫酸エアロゾルとの凝縮と凝固を通じてエアロゾル成長のための表面を提供します。これにより、成層圏エアロゾル層が形成されます。[29]
地球外硫酸
金星の永久雲は、地球の大気中の雲が雨を降らせるのと同様に、高濃度の酸性雨を発生させます。[30] 木星の衛星エウロパも硫酸水和物を含む大気を持っていると考えられています。[31]
製造業
硫酸は、従来の接触法（DCDA）または湿式硫酸法（WSA）によって硫黄、酸素、水から生成されます。
連絡プロセス
最初のステップでは、硫黄を燃焼させて二酸化硫黄を生成します。
- S(s) + O 2 → SO 2
二酸化硫黄は、酸化バナジウム(V)触媒 の存在下で酸素によって三酸化硫黄に酸化されます。この反応は可逆的であり、三酸化硫黄の生成は発熱反応です。
- 2 SO 2 + O 2 ⇌ 2 SO 3
三酸化硫黄は 97～98% のH 2 SO 4に吸収されて発煙硫酸( H 2 S 2 O 7 )を形成します。これは発煙硫酸またはピロ硫酸としても知られています。発煙硫酸はその後水で希釈され、濃硫酸を形成します。
- H 2 SO 4 + SO 3 → H 2 S 2 O 7
- H 2 S 2 O 7 + H 2 O → 2 H 2 SO 4
SO3を水に直接溶解する「湿式硫酸法」は、反応が極めて発熱的であり、凝縮と分離を必要とする硫酸の熱いエアロゾルを生成するため、ほとんど実行されません。
湿式硫酸法
最初のステップでは、硫黄が燃焼して二酸化硫黄が生成されます。
- S + O 2 → SO 2 (−297 kJ/モル)
あるいは、硫化水素（H 2 S）ガスを焼却してSO 2ガスにする：
- 2 H 2 S + 3 O 2 → 2 H 2 O + 2 SO 2 (-1036 kJ/モル)
その後、二酸化硫黄は、酸化バナジウム(V)を触媒として酸素を使用して三酸化硫黄に酸化されます。
- 2 SO 2 + O 2 ⇌ 2 SO 3 (-198 kJ/mol) (反応は可逆的)
三酸化硫黄は水和して硫酸H 2 SO 4になります。
- SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (g) (−101 kJ/モル)
最後のステップは硫酸を凝縮して97～98%のH 2 SO 4の液体にすることである。
- H 2 SO 4 (g) → H 2 SO 4 (l) (−69 kJ/モル)
その他の方法
あまり知られていない方法としては、メタ重亜硫酸塩法があります。この方法では、メタ重亜硫酸塩をビーカーの底に置き、12.6 モル濃度の塩酸を加えます。生じたガスを硝酸に通すと、反応が進むにつれて二酸化窒素の茶色/赤色の蒸気が放出されます。反応の完了は、煙が止むことでわかります。この方法では分離できない霧が発生しないため、非常に便利です。
- 3 SO 2 + 2 HNO 3 + 2 H 2 O → 3 H 2 SO 4 + 2 NO
歴史的には、蒸気の存在下で硫黄を硝石（硝酸カリウム、KNO 3 ）と一緒に燃焼させる方法が使用されてきました。硝石が分解すると、硫黄が酸化されてSO 3になり、これが水と結合して硫酸が生成されます。
あるいは、二酸化硫黄を塩化銅(II)や塩化鉄(III)などの酸化金属塩の水溶液に溶解する。
- 2 FeCl 3 + 2 H 2 O + SO 2 → 2 FeCl 2 + H 2 SO 4 + 2 HCl
- 2 CuCl 2 + 2 H 2 O + SO 2 → 2 CuCl + H 2 SO 4 + 2 HCl
あまり知られていない硫酸製造法が 2 つあります。ただし、硫酸は希薄な状態で、精製に余分な労力が必要です。硫酸銅 (II)の溶液を銅の陰極と白金/グラファイトの陽極で電気分解すると、陰極にスポンジ状の銅が生成し、陽極で酸素ガスが発生します。希硫酸溶液が青から透明に変わると、反応が完了したことを示します (陰極で水素が生成されるのも別の兆候です)。
- 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2
より高価で、危険で、面倒ではあるが、斬新なのが電気臭素法で、これは電解液として硫黄、水、臭化水素酸の混合物を使用する。硫黄は酸溶液の下の容器の底に押し込まれる。次に、銅の陰極と白金/グラファイトの陽極を使用し、陰極を表面近くに、陽極を電解液の底に配置して電流を流す。これには時間がかかる可能性があり、有毒な臭素/臭化硫黄の蒸気を放出するが、反応物の酸はリサイクル可能である。全体として、硫黄と水のみが硫酸と水素に変換される（蒸気としての酸の損失は除く）。
- 2 HBr → H 2 + Br 2（臭化水素水溶液の電気分解）
- Br 2 + Br − ↔ Br−3（最初は三臭化物が生成され、最終的にはBr −が減少するにつれて逆転する）
- 2 S + Br 2 → S 2 Br 2 （臭素は硫黄と反応して二臭化二硫黄を形成する）
- S 2 Br 2 + 8 H 2 O + 5 Br 2 → 2 H 2 SO 4 + 12 HBr（二臭化二硫黄の酸化と水和）
1900年以前は、ほとんどの硫酸は鉛チャンバー法で製造されていました。[32] 1940年になっても、米国で製造される硫酸の最大50％はチャンバー法で生産されていました。
19世紀初頭から中期にかけて、スコットランドのプレストンパンズ、シュロップシャー、アイルランドのアントリム州ラガン渓谷などに「硫酸」工場が存在し、亜麻布の漂白剤として使用されていました。亜麻布の漂白は、酸っぱい牛乳から抽出した乳酸を使用して行われていましたが、これはゆっくりとしたプロセスであり、硫酸の使用により漂白プロセスが加速されました。[33]
用途
硫酸は非常に重要な汎用化学物質であり、実際、一国の硫酸生産量はその国の工業力を示す良い指標である。[9] 2004年の世界生産量は約1億8000万トンで、地理的分布は次の通りである：アジア35%、北米（メキシコを含む）24%、アフリカ11%、西ヨーロッパ10%、東ヨーロッパとロシア10%、オーストラリアとオセアニア7%、南アメリカ7%。[34]この量の大部分（≈60%）は肥料、特に過リン酸石灰、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウムとして消費される。約20%は化学産業で洗剤、合成樹脂、染料、医薬品、石油触媒、殺虫剤、不凍液の製造に使用され、また油井の酸性化、アルミニウム還元、紙のサイズ処理、水処理などのさまざまなプロセスにも使用されている。用途の約6％は顔料に関連しており、塗料、エナメル、印刷インク、コーティングされた布地や紙などが含まれます。残りは爆発物、セロハン、アセテートおよびビスコース繊維、潤滑剤、非鉄金属、電池の製造など、さまざまな用途に分散しています。[35]
化学薬品の工業生産
硫酸の主な用途は、リン酸肥料の製造に使用されるリン酸の「湿式法」です。この方法では、リン鉱石が使用され、年間 1 億トン以上が処理されます。この原料は、正確な組成は異なる場合がありますが、以下ではフッ化アパタイトとして示されています。これを 93% 硫酸で処理して、硫酸カルシウム、フッ化水素(HF)、リン酸を生成します。HF はフッ化水素酸として除去されます。全体のプロセスは次のように表すことができます。
重要な窒素肥料である硫酸アンモニウムは、鉄鋼工場に供給するコークス工場の副産物として最も一般的に生産されます。石炭の熱分解で生成されたアンモニアを廃硫酸と反応させることで、アンモニアを塩（鉄の汚染により茶色になることが多い）として結晶化させ、農薬業界に販売することができます。
硫酸は染料溶液の製造にも重要です。
工業用洗浄剤
硫酸は製鉄業やその他の冶金産業で、錆や汚れを除去するための酸洗い剤として使用されています。[36]使用済みの酸は、多くの場合、廃酸再生（SAR）プラントを使用してリサイクルされます。これらのプラントは、使用済みの酸[説明が必要]を天然ガス、製油所ガス、燃料油、またはその他の燃料源で燃焼させます。この燃焼プロセスにより、ガス状の二酸化硫黄（SO 2）と三酸化硫黄（SO 3）が生成され、これらは「新しい」硫酸の製造に使用されます。
過酸化水素( H 2 O 2 ) を硫酸に加えるとピラニア溶液が生成されます。ピラニア溶液は強力ですが、非常に有毒な洗浄液で、基板表面を洗浄することができます。ピラニア溶液は、通常、マイクロエレクトロニクス業界で使用され、実験室でもガラス器具を洗浄するために使用されています。
触媒
硫酸は化学産業において、他のさまざまな目的に使用されています。たとえば、シクロヘキサノンオキシムをナイロンの製造に使用されるカプロラクタムに変換するための通常の酸触媒です。マンハイム法によって塩から塩酸を製造するためにも使用されます。大量のH 2 SO 4 が石油精製に使用され、たとえばイソブタンとイソブチレンを反応させてガソリンのオクタン価を上げる化合物であるイソオクタンを生成するための触媒として使用されます。硫酸は、さまざまな糖を脱水して固体炭素を形成するなど、工業反応における脱水剤または酸化剤としてもよく使用されます。
電解質
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硫酸は鉛蓄電池（鉛蓄電池）の電解質として機能します。
陽極側：
- 鉛 + SO2−4⇌ PbSO 4 + 2 e −
カソード：
- PbO 2 + 4 H + + SO2−4+ 2 e − ⇌ PbSO 4 + 2 H 2 O
全体：
- Pb + PbO 2 + 4 H + + 2 SO2−4⇌ 2 PbSO 4 + 2 H 2 O
家庭用
高濃度の硫酸は、油、髪の毛、ティッシュペーパーなどを除去するために使用される家庭用酸性排水管洗浄剤[12]の主成分であることが多い。アルカリ性バージョンと同様に、このような排水管洗浄剤は加水分解によって脂肪やタンパク質を溶解することができる。さらに、濃硫酸は強力な脱水特性を持っているため、脱水プロセスによってティッシュペーパーも除去することができる。酸は水と激しく反応する可能性があるため、このような酸性排水管洗浄剤は、洗浄するパイプにゆっくりと追加する必要があります。
歴史
毒舌
硫酸（硫酸の原料となるガラス質鉱物を形成する様々な金属の水和硫酸塩）の研究は古代に始まった。シュメール人は、物質の色に応じて分類した硫酸の種類のリストを持っていた。硫酸の起源と性質に関する最も古い議論のいくつかは、ギリシャの医師ディオスコリデス（紀元1世紀）とローマの博物学者大プリニウス（紀元23-79年）の著作の中にある。ガレノスもその医学的用途について論じた。硫酸の冶金的用途は、パノポリスのゾシモスによるヘレニズム時代の錬金術の著作、論文『物理学と神秘学』、およびライデン・パピルス第10版に記録されている。[37] 中世イスラムの化学者、例えばジャービル・イブン・ハイヤーン（806年頃-816年頃死亡、ラテン語ではゲベルとして知られる）、アブ・バクル・アル・ラーズィー（865年-925年、ラテン語ではラーゼスとして知られる）、イブン・シーナー（980年-1037年、ラテン語ではアヴィセンナとして知られる）、ムハンマド・イブン・イブラーヒーム・アル・ワトワット（1234年-1318年）といった名前で執筆した著者らは、硫酸を鉱物分類リストに含めていた。[38]
ジャビル・イブン・ハイヤーン、アブ・バクル・アル＝ラジ、イブン・シーナほか
ジャビールの著者とアル＝ラーズィーは硫酸を含む様々な物質の蒸留について広範囲に実験した。[39]アル＝ラーズィーは『キターブ・アル＝アスラール』（『秘密の書』 ）に記録されたレシピの一つで、無意識のうちに硫酸を作り出していた可能性がある。[40]
白い（イエメンの）ミョウバンを溶かして濾過して精製します。次に、銅緑色の硫酸（酢酸塩）を蒸留し、精製したミョウバンの濾過液と（蒸留物を）混ぜ、その後ガラスビーカーの中で固化（または結晶化）させます。最高のカルカディス（白いミョウバン）が手に入ります。[41]
— アブ・バクル・アル・ラジ、キターブ・アル・アスラール
アリストテレス（ Liber Aristotilis、「アリストテレスの書」という題名） [42] 、アル・ラーズィー（ Lumen luminum magnum、「光の中の大いなる光」という題名）、イブン・シーナー[43]の作とされる匿名のラテン語の著作の中で、著者は硫酸鉄（II） （緑色の硫酸）の蒸留によって得られる「油」（発煙硫酸）について語っており、これはおそらく「硫酸の油」または硫酸であったと思われる。 [44]この作品は、ラテン語に翻訳された数少ないアラビア語のジャービル作品の1つであるジャービル・イブン・ハイヤーンの「七十人の書」（Liber de septuaginta）に複数回言及している。[45]アル＝ラーズィーに帰せられる版の著者もまた、Liber de septuagintaを自身の作品として言及しており、Liber de septuaginta がアル＝ラーズィーの作品であると誤って信じていたことを示している。[46]この匿名の作品が元々ラテン語で書かれたものであることを示す証拠はいくつかあるが、[47]ある写本によると、それはマルセイユのレーモンドという人物によって翻訳されたため、アラビア語からの翻訳であった可能性もある。[48]
アフマド・Y・アル・ハッサンによれば、硫酸のレシピは、数人の著者から集められた紀元1100年頃以前の匿名のカルシュニ写本に記載されているという。 [ 49 ]そのうちの1つは次の通りである。
薬物を洗浄するために使われる硫酸と硫黄の水：黄硫酸3部、黄硫黄1部をすりつぶし、ローズウォーターの方法で蒸留する。[50]
硫酸の製法は、シーア派のイマーム、ジャアファル・アル・サディーク（765年死去）の著作と誤って伝えられているアラビア語の論文「リサラト・ジャアファル・アル・サディーク・フィールム・アル・シャンア」に記載されている。ジュリアス・ルスカはこの論文の年代を13世紀としているが、アフマド・Y・アル・ハッサンによれば、おそらくそれより前の時代のものである。[51]
次に、緑色の硫酸をキュウリと蒸留器で中火で蒸留します。蒸留液から得られるものは、緑がかった透明なものであることがわかります。[50]
ヴァンサン・ド・ボーヴェ、アルベルトゥス・マグヌス、偽ゲベル
硫酸は、鉄のレトルトで硫酸鉄(II)または緑色の硫酸を焙煎して作られるため、中世ヨーロッパの錬金術師によって「硫酸の油」と呼ばれていました。ヨーロッパ起源の作品で硫酸に言及している最初の例は、13世紀のもので、例えば、ボーヴェのヴァンサンの作品、アルベルトゥス・マグヌスに帰せられる「複合学概論」、偽ゲーベルの「完全大全」などです。[52]
硫黄から硫酸を作る
16 世紀には、 oleum sulphuris per campanam、つまり「鐘のそばの硫黄油」を製造する方法が知られていました。これは、湿った天候のガラスの鐘の下で (または後には湿らせた鐘の下で) 硫黄を燃やすというものでした。しかし、これは非常に非効率的であり (ゲスナーによると、5 ポンド (2.3 kg) の硫黄が 1 オンス (0.03 kg) 未満の酸に変換されました)、結果として得られる製品は亜硫酸(またはむしろ二酸化硫黄の溶液) で汚染されていたため、ほとんどの錬金術師 (たとえばアイザック ニュートンを含む) はこれを「硫酸」と同等とは考えませんでした。
17 世紀、ヨハン・グラウバーは硝石 (硝酸カリウム、KNO 3 ) を加えると、水分が蒸気に置き換わるため、生産量が大幅に向上することを発見しました。硝石が分解すると、硫黄が酸化されてSO 3になり、これが水と結合して硫酸が生成されます。1736 年、ロンドンの薬剤師ジョシュア・ワードがこの方法を使用して、硫酸の初の大規模生産を開始しました。
リードチャンバープロセス
1746年、バーミンガムでジョン・ローバックはこの方法を改良し、鉛で裏打ちされたチャンバーで硫酸を生産した。このチャンバーは、それまで使用されていたガラス容器よりも強度があり、安価で、大型化が可能だった。このプロセスにより、硫酸生産の効率的な工業化が可能になった。数回の改良を経て、鉛チャンバー法または「チャンバー法」と呼ばれるこの方法は、ほぼ2世紀にわたって硫酸生産の標準法として残された。[4]
黄鉄鉱の蒸留
ジョン・ローバックの方法で作られた硫酸は、濃度が 65% に近かった。後にフランスの化学者ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックと英国の化学者ジョン・グローバーが鉛室法を改良し、濃度は 78% にまで改善された。しかし、一部の染料の製造やその他の化学プロセスでは、より濃縮された製品が必要となる。18 世紀を通じて、これは、元の錬金術のプロセスに似た技術で鉱物を乾留することによってのみ作ることができた。黄鉄鉱(二硫化鉄、FeS 2 ) を空気中で加熱して硫酸鉄 (II)、FeSO 4 を生成し、これをさらに空気中で加熱して酸化すると硫酸鉄 (III)、Fe 2 (SO 4 ) 3 となり、これを 480 °C に加熱すると酸化鉄 (III)と三酸化硫黄に分解し、これを水に通すことで任意の濃度の硫酸を生成することができた。しかし、このプロセスは費用がかかることから、濃硫酸の大規模な使用は妨げられた。[4]
連絡プロセス
1831年、イギリスの酢商人ペレグリン・フィリップスは接触法の特許を取得しました。これは三酸化硫黄と濃硫酸を生産するためのはるかに経済的な方法でした。今日、世界中の硫酸のほぼすべてがこの方法で生産されています。[53]
安全性
実験室の危険性
硫酸は、特に高濃度の場合、非常に重度の火傷を引き起こす可能性があります。他の腐食性の酸やアルカリと同様に、皮膚や肉などの生体組織に接触すると、アミドおよびエステル加水分解によってタンパク質や脂質を容易に分解します。さらに、炭水化物に対して強力な脱水作用を示し、余分な熱を放出して二次的な熱傷を引き起こします。[7] [8]そのため、角膜を急速に攻撃し、目にかかると失明を引き起こす可能性があります。摂取すると、内臓に不可逆的な損傷を与え、致命的になることもあります。[6]したがって、取り扱うときは常に保護具を使用する必要があります。さらに、その強力な酸化特性により、多くの金属に対して非常に腐食性があり、他の材料にまで破壊を広げる可能性があります。[7]このような理由から、硫酸による損傷は、塩酸や硝酸などの他の同等の強酸による損傷よりも潜在的に重大です。
硫酸は、非反応性の材料 (ガラスなど) でできた容器で慎重に保管する必要があります。1.5 M 以上の溶液には「腐食性」というラベルが貼られ、0.5 M より高く 1.5 M 未満の溶液には「刺激性」というラベルが貼られています。ただし、通常の実験室の「希釈」グレード (約 1 M、10%) でも、十分な時間接触させておくと紙が焦げてしまいます。
皮膚に酸がこぼれた場合の標準的な応急処置は、他の腐食性物質の場合と同様に、大量の水で洗浄することです。洗浄は少なくとも 10 ～ 15 分間続け、酸による火傷の周囲の組織を冷やし、二次的な損傷を防ぎます。汚染された衣服は直ちに脱ぎ、その下の皮膚を徹底的に洗浄します。
希釈の危険性
希釈した酸を準備することは、希釈の過程で熱が発生するため危険である。飛び散りを避けるため、通常は濃縮した酸を水に加え、その逆は行わない。これを覚えておくために使われる諺に「酸を水に加える」というのがある。[54] [より良い情報源が必要]水は酸よりも熱容量が高いため、冷水の入った容器は酸を加えると熱を吸収する。
また、酸は水よりも密度が高いため、底に沈みます。容器の底にある酸と水の界面で熱が発生します。酸は沸点が高いため、沸騰しません。界面近くの温かい水は対流により上昇し、界面を冷却して、酸または水の沸騰を防ぎます。
対照的に、濃硫酸に水を加えると、酸の上に薄い水の層が形成されます。この薄い水の層で発生した熱が沸騰し、硫酸エアロゾルの拡散や、最悪の場合、爆発を引き起こす可能性があります。
6 M (35%) を超える濃度の溶液を調製する場合は、酸をゆっくりと加えて混合物を十分に冷却する時間を与えなければ危険です。さもなければ、発生した熱で混合物が沸騰する可能性があります。効率的な機械的撹拌と外部冷却 (氷浴など) が不可欠です。
反応速度は温度が10度上昇するごとに2倍になります。[55]そのため、混合物を冷却する時間を取らない限り、希釈が進むにつれて反応はより激しくなります。温水に酸を加えると、激しい反応が起こります。
実験室規模では、脱イオン水で作った砕いた氷に濃硫酸を注ぐことで硫酸を希釈できます。氷は酸を溶解しながら吸熱反応で溶けます。この反応で氷を溶かすために必要な熱量は酸を溶解することで発生する熱量よりも大きいため、溶液は冷たいままです。氷がすべて溶けた後、水を使ってさらに希釈することができます。
産業上の危険
硫酸は不燃性です。
この酸が職業上もたらす主なリスクは、火傷につながる皮膚接触（上記参照）とエアロゾルの吸入である。高濃度のエアロゾルに曝露すると、目、呼吸器、粘膜に即時の重度の刺激が生じる。この刺激は曝露後急速に治まるが、組織損傷がより重度の場合はその後肺水腫を起こすリスクがある。低濃度では、硫酸エアロゾルへの慢性曝露の最も一般的な症状は歯の侵食であり、ほぼすべての研究で確認されている。呼吸器への慢性損傷の可能性を示す兆候は、1997年現在では決定的ではない。硫酸ミストへの職業上の反復曝露は、肺がんの可能性を最大64％増加させる可能性がある。[56]米国では、硫酸の許容曝露限界（PEL）は1 mg/m 3に固定されており、他の国の限界も同様である。硫酸の摂取によりビタミン B12 欠乏症が起こり、亜急性連合変性症を発症するという報告があります。このような症例では脊髄が最も影響を受けますが、視神経でも脱髄、軸索の喪失、神経膠症がみられることがあります。
法的制限
硫酸の国際取引は、1988年の国連麻薬及び向精神薬の不正取引の防止に関する条約に基づいて規制されており、同条約では硫酸を麻薬や向精神薬の不正製造に頻繁に使用される化学物質として条約の表IIに掲載している。[57]
参照
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、硫酸に関連するメディアがあります。
- 国際化学物質安全性カード 0362
- ビデオ周期表の硫酸（ノッティンガム大学）
- NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド
- CDC – 硫酸 – NIOSH 職場の安全と健康に関するトピック
- 外部材料安全データシート 2007年10月11日アーカイブWayback Machine
- 計算機: 表面張力、密度、モル濃度、硫酸水溶液のモル濃度
- 硫酸分析 – 滴定フリーウェア
- 鉛室法による硫酸製造のプロセスフローシート