硫酸ナトリウム
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| 名前 | |||
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| IUPAC名 硫酸ナトリウム | |||
| その他の名前 | |||
| 識別子 | |||
3Dモデル（JSmol） | |||
| チェビ |
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| チェムブル |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.028.928 | ||
| E番号 | E514(i) （酸度調整剤、…） | ||
PubChem CID | |||
| RTECS番号 |
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| ユニイ |
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CompToxダッシュボード（EPA） | |||
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| プロパティ | |||
| ナトリウム2SO4 | |||
| モル質量 | 142.04 g/mol（無水）322.20 g/mol（十水和物） | ||
| 外観 | 白色結晶固体、吸湿性 | ||
| 臭い | 無臭 | ||
| 密度 | 2.664 g/cm 3 (無水) 1.464 g/cm 3 (十水和物) | ||
| 融点 | 884 °C (1,623 °F; 1,157 K) (無水) 32.38 °C (十水和物) | ||
| 沸点 | 1,429 °C (2,604 °F; 1,702 K) (無水) | ||
| 無水物: 4.76 g/100 mL (0 °C) 28.1 g/100 mL (25 °C) [ 1 ] 49.7 g/100 mL (32.384 °C) 42.7 g/100 mL (100 °C) 七水和物: 19.5 g/100 mL (0 °C) 44 g/100 mL (20 °C) | |||
| 溶解度 | エタノールに不溶、グリセロール、水、ヨウ化水素に可溶 | ||
磁化率（χ） | −52.0·10 −6 cm 3 /モル | ||
屈折率（nD ） | 1.468（無水）1.394（十水和物） | ||
| 構造 | |||
| 斜方晶系（無水）[ 2 ]単斜晶系（十水和物） | |||
| 薬理学 | |||
| A06AD13 ( WHO ) A12CA02 ( WHO ) | |||
| 危険 | |||
| 労働安全衛生（OHS/OSH）： | |||
主な危険 | 刺激物 | ||
| NFPA 704（ファイアダイヤモンド） | |||
| 引火点 | 不燃性 | ||
| 安全データシート（SDS） | ICSC 0952 | ||
| 関連化合物 | |||
その他の陰イオン | セレン酸ナトリウムテルル酸ナトリウム | ||
その他の陽イオン | 硫酸リチウム硫酸カリウム硫酸ルビジウム硫酸セシウム | ||
関連化合物 | 亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、過硫酸ナトリウム、ピロ硫酸ナトリウム | ||
| 補足データページ | |||
| 硫酸ナトリウム（データページ） | |||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。 | |||
硫酸ナトリウム（硫酸ナトリウム、硫酸ソーダとも呼ばれる）は、化学式Na 2 SO 4で表される無機化合物であり、いくつかの関連水和物も存在します。いずれも白色の固体で、水に非常に溶けやすいです。年間600万トンの生産量を誇る十水和物は、主要な化学製品です。主に粉末家庭用洗濯洗剤の製造における充填剤として、またクラフトパルプ製造における高アルカリ性硫化物の製造に使用されます。[ 3 ]
フォーム
- 無水硫酸ナトリウムは、希少鉱物テナルダイトとして知られ、有機合成における乾燥剤として使用されます。
- 非常に珍しい形態の七水和硫酸ナトリウム。
- 十水和硫酸ナトリウムは、芒硝（ミラビライト）とも呼ばれ、化学産業で広く使用されています。グラウバー塩としても知られています。
歴史
硫酸ナトリウム十水和物は、1625年にオーストリアの湧き水で発見したオランダ系ドイツ人の化学者で薬剤師のヨハン・ルドルフ・グラウバー（1604-1670）にちなんでグラウバー塩と呼ばれています。彼はその薬効から、sal mirabilis（奇跡の塩）と名付けました。結晶は、1900年代にもっと洗練された代替品が登場するまで、汎用的な下剤として使用されていました。 [ 4 ] [ 5 ]しかし、 J .クンケルは後に、16世紀半ばにはすでにザクセンで秘密の薬として知られていたと主張しました。[ 6 ]
18世紀には、グラウバー塩が炭酸カリウム（炭酸ナトリウム）との反応によってソーダ灰（炭酸ナトリウム）の工業生産の原料として使われるようになりました。ソーダ灰の需要が増加し、それに応じて硫酸ナトリウムの供給も増加せざるを得ませんでした。そのため、19世紀には、主要中間体として合成硫酸ナトリウムを製造する大規模なルブラン法が、ソーダ灰生産の主流となりました。[ 7 ]
化学的性質
硫酸ナトリウムは、典型的な静電結合型イオン性硫酸塩です。溶液中に遊離硫酸イオンが存在することは、これらの溶液をBa 2+またはPb 2+塩で処理すると不溶性の硫酸塩が容易に形成されることから示されます。
- Na 2 SO 4 + BaCl 2 → 2 NaCl + BaSO 4
硫酸ナトリウムはほとんどの酸化剤や還元剤に対して反応しません。高温では、炭素熱還元（別名、熱化学的硫酸還元（TSR）、木炭を用いた高温加熱など）によって硫化ナトリウムに変換されます。 [ 8 ]
- Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2
この反応は、炭酸ナトリウムを製造するための、現在は廃止された工業的方法であるルブラン法で利用されました。
硫酸ナトリウムは硫酸と反応して酸塩である重硫酸ナトリウムを生成する：[ 9 ] [ 10 ]
- Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 ⇌ 2 NaHSO 4
硫酸ナトリウムは、複塩を形成する傾向が中程度である。一般的な三価金属と形成されるミョウバンは、NaAl(SO 4 ) 2（39 °C以上で不安定）とNaCr(SO 4 ) 2 のみであり、多くの安定したミョウバンを形成する硫酸カリウムと硫酸アンモニウムとは対照的である。[ 11 ]他のアルカリ金属硫酸塩との複塩も知られており、その中には鉱物アフタライトとして天然に生じるNa 2 SO 4・3K 2 SO 4がある。硫酸ナトリウムと塩化カリウムの反応によるグラセライトの生成は、肥料である硫酸カリウムの製造方法の基礎として使用されている。[ 12 ]他の複塩には、3Na 2 SO 4・CaSO 4、3Na 2 SO 4・MgSO 4（バンソファイト）、NaF・Na 2 SO 4がある。[ 13 ]
物理的特性
硫酸ナトリウムは水に対して特異な溶解性を示す。[ 14 ]硫酸ナトリウムの水への溶解度は0℃から32.384℃の間で10倍以上に上昇し、最高49.7g/100mLに達する。この温度で溶解度曲線の傾きが変わり、溶解度は温度にほぼ依存しなくなる。この32.384℃という温度は、結晶水の放出と水和塩の融解に相当し、温度計の校正における正確な温度基準として用いられる。
構造
十水和物の結晶は、八面体分子構造を持つ[Na(OH 2 ) 6 ] +イオンで構成されています。これらの八面体は、10個の水分子のうち8個がナトリウムに結合し、他の2個は格子間に位置し、硫酸塩と水素結合しています。これらの陽イオンは、硫酸塩陰イオンと水素結合しています。Na–O距離は約240 pmです。[ 15 ]結晶性硫酸ナトリウム十水和物は、測定可能な残留エントロピー（絶対零度におけるエントロピー）が6.32 J/(K·mol)であることでも、水和塩としては珍しくなっています。これは、ほとんどの水和物と比較して、はるかに速く水を分配する能力があるためです。[ 16 ]
生産
硫酸ナトリウムの世界生産量は、ほぼすべてが十水和物であり、年間約550万～600万トン（Mt/a）に達する。1985年の生産量は450万トン/年で、その半分は天然由来、残りの半分は化学合成によるものであった。2000年以降、2006年までは安定した水準であったが、天然由来の生産量は400万トン/年に増加し、化学合成による生産量は150万～200万トン/年に減少し、合計550万～600万トン/年となった。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]あらゆる用途において、天然由来の硫酸ナトリウムと化学合成による硫酸ナトリウムは実質的に互換性がある。
天然資源
世界の十水和物（グラウバー塩）生産量の3分の2は、サスカチュワン州南部の湖底に見られる芒硝のような天然鉱物から得られます。1990年には、メキシコとスペインが天然硫酸ナトリウムの世界主要生産国（それぞれ約50万 トン）であり、ロシア、アメリカ合衆国、カナダがそれぞれ約35万トンでした。[ 18 ]天然資源は10億トン以上と推定されています。[ 17 ] [ 18 ]
2006 年の年間 200,000 ～ 1,500,000 トンの主な生産者には、サールズ バレー ミネラルズ(米国カリフォルニア州)、空挺工業鉱物ズ (カナダ、サスカチュワン州)、キミカ デル レイ(メキシコ、コアウイラ州)、ミネラ デ サンタ マルタ、グループ クリミデサとしても知られるクリアデロス ミネラルレス Y デリバドスが含まれます。（ブルゴス、スペイン）、ミネラ・デ・サンタ・マルタ（トレド、スペイン）、スルキーサ（スペイン、マドリード）、成都三聯天泉化学（中国四川省天泉県）、宏沢銀珠化学グループ（中国江蘇省宏沢区）、ナファイン化学工業グループ（中国山西省）、四川省川梅ミラビライト（万胜镇、東坡）中国四川省眉山区）、およびKuchuksulphat JSC (アルタイ地方、シベリア、ロシア)。[ 17 ] [ 19 ]
無水硫酸ナトリウムは、乾燥した環境では鉱物テナルダイトとして産出されます。湿った空気中ではゆっくりと芒硝石へと変化します。硫酸ナトリウムは、カルシウムとナトリウムからなる硫酸塩鉱物である芒硝石としても産出されます。どちらの鉱物も芒硝石ほど一般的ではありません。
化学産業
世界の硫酸ナトリウムの約3分の1は、化学工業における他のプロセスの副産物として生産されています。この生産の大部分は化学的に一次プロセスに固有のものであり、経済的にはわずかなものです。そのため、業界の努力により、副産物としての硫酸ナトリウムの生産量は減少しています。
最も重要な化学的硫酸ナトリウムの生産は塩酸の生産過程であり、マンハイム法では塩化ナトリウム（塩）と硫酸から、ハーグリーブス法では二酸化硫黄から生産されます。[ 21 ]これらのプロセスで得られる硫酸ナトリウムはソルトケーキとして知られています。
- マンハイム：2 NaCl + H 2 SO 4 → 2 HCl + Na 2 SO 4
- ハーグリーブス：4 NaCl + 2 SO 2 + O 2 + 2 H 2 O → 4 HCl + 2 Na 2 SO 4
硫酸ナトリウムの2番目に主要な生産方法は、余剰の水酸化ナトリウムを硫酸で中和して硫酸塩（SO2−4）は、硫酸銅（CuSO 4 ）を用いて製造されます（歴史的には、水酸化銅（II）を用いたレーヨン製造において大規模に用いられていました）。この方法は、実験室で調製する際にも頻繁に利用され、簡便です。
- 2 NaOH(水溶液) + H 2 SO 4 (水溶液) → Na 2 SO 4 (水溶液) + 2 H 2 O(l) ΔH = -112.5 kJ (高発熱)
実験室では、炭酸水素ナトリウムと硫酸マグネシウムの反応で炭酸マグネシウムを沈殿させることによって合成することもできます。
- 2 NaHCO 3 + MgSO 4 → Na 2 SO 4 + MgCO 3 + CO 2 + H 2 O
しかし、市販の供給源が容易に入手できるため、実験室での合成はそれほど行われていません。かつては、硫酸ナトリウムは重クロム酸ナトリウムの製造時に副産物として生成されていました。重クロム酸ナトリウムは、クロム酸ナトリウム溶液に硫酸を加えることで重クロム酸ナトリウム、あるいはその後クロム酸を生成します。また、炭酸リチウム、キレート剤、レゾルシノール、アスコルビン酸、シリカ顔料、硝酸、フェノールの製造においても生成されていました。[ 17 ]
バルクの硫酸ナトリウムは、無水物では鉄化合物や有機化合物を吸着しやすいため、通常は十水和物として精製されます。水和物から無水物は、穏やかに加熱することで容易に生成されます。
2006年に年間50～80百万トンの硫酸ナトリウム副産物を生産した主な企業としては、エレメンティス・クロム（クロム産業、キャッスル・ヘイン、ノースカロライナ州、米国）、レンチングAG（200百万トン/年、レーヨン産業、レンチング、オーストリア）、アディセオ（旧ローディア、メチオニン産業、レ・ロッシュ＝ルシヨン、フランス）、エレメンティス（クロム産業、ストックトン・オン・ティーズ、英国）、四国化成（徳島、日本）、ヴィスコR（レーヨン産業、ロシア）などがある。[ 17 ]
アプリケーション
商品産業
1970年の米国における価格は1トンあたり30ドルでしたが、塩粕品質のものは1トンあたり最大90ドル、より高級なものは1トンあたり130ドルと、硫酸ナトリウムは非常に安価な原料です。最大の用途は家庭用粉末洗剤の増量剤であり、世界生産量の約50%を占めています。国内消費者が硫酸ナトリウムを含まないコンパクト洗剤や液体洗剤に切り替えるにつれ、この用途は減少しています。[ 17 ]
製紙
硫酸ナトリウムのかつての主要な用途の一つは、特に米国とカナダにおいて、木材パルプ製造におけるクラフトパルプ法である。このプロセスから得られる「黒液」に含まれる有機物は、硫酸ナトリウムを硫化ナトリウムに還元するために必要な熱を発生させるために燃焼される。しかし、1960年代初頭にクラフトパルプ回収プロセスの熱効率が向上したことにより、より効率的な硫黄回収が実現し、硫酸ナトリウムの補充の必要性が大幅に減少した。[ 22 ]そのため、米国とカナダのパルプ産業における硫酸ナトリウムの使用量は、1970年の年間140万トンから2006年には約15万トンに減少した。[ 17 ]
ガラス製造
ガラス産業は、硫酸ナトリウムのもう一つの重要な用途であり、ヨーロッパで2番目に大きな用途となっています。硫酸ナトリウムは清澄剤として使用され、溶融ガラスから小さな気泡を取り除くのに役立ちます。ガラスにフラックスを塗布し、精錬中に溶融ガラスにスカムが形成されるのを防ぎます。ヨーロッパのガラス産業は、1970年から2006年まで、年間11万トンの安定した消費量を維持しています。[ 17 ]
繊維
硫酸ナトリウムは繊維製造において重要であり、特に日本では最大の用途となっています。硫酸ナトリウムは溶液のイオン強度を高めるために添加され、「均染」、すなわち繊維上の負電荷を減少させることで染料が均一に浸透するのに役立ちます（グイとチャップマンによる拡散二重層（DDL）理論を参照）。代替の塩化ナトリウムとは異なり、硫酸ナトリウムは染色に使用されるステンレス鋼容器を腐食しません。この用途では、日本と米国で2006年に約10万トンが消費されました。[ 17 ]
食品業界
硫酸ナトリウムは食品着色料の希釈剤として使用されます。[ 23 ] E番号添加剤E514として知られています。
蓄熱
固体から液体への相変化における高い蓄熱容量と、32 °C (90 °F) という有利な相変化温度により、この材料は低品位の太陽熱を蓄熱し、後で暖房用途に放出するのに特に適しています。用途によっては、この材料を屋根裏に設置する断熱タイルに組み込んだり、太陽熱で温められた水に囲まれたセルに塩を組み込んだりします。相変化により、効果的な蓄熱に必要な材料の質量を大幅に削減できます (硫酸ナトリウム十水和物の融解熱は 82 kJ/mol または 252 kJ/kg [ 24 ] )。さらに、適切な相の材料が十分にある限り、温度が一定であるという利点もあります。
冷却用途では、一般的な塩化ナトリウム（NaCl）との混合により融点が18℃（64℉）まで下がります。NaCl・Na 2 SO 4・10H 2 Oの融解熱は実際にはわずかに上昇し、286 kJ/kgとなります。[ 25 ]
小規模アプリケーション
実験室では、無水硫酸ナトリウムは不活性乾燥剤として広く用いられており、有機溶液から微量の水分を除去するのに用いられています。[ 26 ]類似の硫酸マグネシウムよりも効果的ですが、作用が遅いです。約30℃（86℉）以下の温度でのみ効果を発揮しますが、化学的にかなり不活性であるため、様々な材料に使用できます。硫酸ナトリウムは、結晶が凝集しなくなるまで溶液に加えられます。2つのビデオクリップ（上記参照）は、結晶がまだ湿っている状態では凝集しますが、サンプルが乾燥すると一部の結晶は自由に流動する様子を示しています。
グラウバー塩（十水和物）は下剤として使用されます。パラセタモール（アセトアミノフェン）などの特定の薬物を体内から排出する効果があり、過剰摂取後にも使用できます。[ 27 ] [ 28 ]
1953年、硫酸ナトリウムはパッシブソーラー暖房システムの蓄熱材として提案されました。これは、その特異な溶解性と高い結晶化熱（78.2 kJ/mol）を利用したものです。[ 29 ]
硫酸ナトリウムの他の用途としては、窓の霜取り、デンプン製造、カーペット消臭剤の添加物、家畜飼料の添加物などがあります。
少なくとも1社、Thermaltakeは、キルティング加工されたプラスチックパッドの中に硫酸ナトリウム十水和物を使用したノートパソコン用冷却マット（iXoft Notebook Cooler）を製造しています。この素材はゆっくりと液体に変化し、循環することでノートパソコンの温度を均一に保ち、断熱材としても機能します。[ 30 ]
安全性
硫酸ナトリウムは一般的に無毒とみなされていますが[ 23 ]、取り扱いには注意が必要です。粉塵は一時的な喘息や眼刺激を引き起こす可能性がありますが、このリスクは保護眼鏡と紙製マスクの使用によって防ぐことができます。輸送には制限はなく、リスクフレーズや安全フレーズは適用されません。[ 31 ]
参考文献
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外部リンク
