硫酸

硫酸

空間充填モデル ボールと棒のモデル
名前
IUPAC名 硫酸
その他の名前 硫酸の油 硫酸水素 硫酸二水素
識別子
CAS番号	7664-93-9^はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:26836^はい
チェムブル	ChEMBL572964^はい
ケムスパイダー	1086^はい
ECHA 情報カード	100.028.763
EC番号	231-639-5
E番号	E513 （酸度調整剤など）
グメリン参照	2122
ケッグ	D05963^はい
PubChem CID	1118
RTECS番号	WS5600000
ユニイ	O40UQP6WCF^はい
国連番号	1830
CompToxダッシュボード（EPA）	DTXSID5029683
InChI InChI=1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)^はい キー: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N^はい InChI=1/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4) キー: QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYAC
笑顔 OS(=O)(=O)O
プロパティ
化学式	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 g/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。
水への溶解度	混和性、発熱性
蒸気圧	0.001 mmHg (20 °C) [ 2 ]
酸性度（ p Ka ）	p K a1 = −2.8 p K a2 = 1.99
共役塩基	重亜硫酸塩
粘度	26.7 cP (20 °C)
構造[ 3 ]
結晶構造	単斜晶系
空間群	C2/c
格子定数	a  = 午後 818.1(2)、b  = 午後 469.60(10)、c  = 午後 856.3(2) α = 90°、β = 111.39(3)°、γ = 90°
数式単位（Z）	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 ]
蒸発エンタルピー（Δ f H vap）	56 kJ/モル[ 5 ]
危険
GHSラベル：
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H314
注意事項	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）	3 0 2 W OX
引火点	不燃性
閾値（TLV）	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（中間投与量）	2140 mg/kg（ラット、経口）[ 6 ]
LC 50（中央値濃度）	50 mg/m ^3（モルモット、8時間） 510 mg/m ^3（ラット、2時間） 320 mg/m ^3（マウス、2時間） 18 mg/m ^3（モルモット） [ 6 ]
LC Lo (公表最低額)	87 mg/m ^3（モルモット、2.75時間）[ 6 ]
NIOSH（米国健康曝露限界）：
PEL（許可）	TWA 1 mg/m ^3[ 2 ]
REL（推奨）	TWA 1 mg/m ^3[ 2 ]
IDLH（差し迫った危険）	15 mg/m ^3[ 2 ]
関連化合物
関連する強酸	セレン酸 塩酸 硝酸 過塩素酸 フルオロアンチモン酸 クロム酸
関連化合物	亜硫酸 ペルオキシモノ硫酸 三酸化硫黄 オレウム
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。 北 検証する （何ですか  ？） ^はい北 情報ボックスの参照

硫酸（アメリカ式綴り、IUPACでの推奨表記）または硫酸（イギリス式綴り）は、古代には硫酸（ oil of vitriol ）として知られ、硫黄、酸素、水素の元素からなる鉱酸で、分子式はH ₂ SO ₄である。無色、無臭、粘稠な液体で、水と混和する。 ^{[ 7 ]}

純粋な硫酸は水蒸気との親和性が強いため、自然界には存在しません。吸湿性があり、空気中の水蒸気を容易に吸収します。^{[ 7 ]}濃硫酸は強力な酸化剤で、強力な脱水作用があり、岩石から金属まで他の物質に対して強い腐食性を示します。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、かなりの熱が発生します。したがって、酸に水を加える逆の手順は、発生した熱で溶液が沸騰し、処理中に熱い酸の液滴が飛び散る可能性があるため、通常は避けられます。体組織に接触すると、硫酸は重度の酸性化学火傷や脱水による二次的な熱傷を引き起こす可能性があります。 ^{[ 8 ] [ 9 ]}希硫酸は酸化作用や脱水作用がないため、危険性が大幅に低くなります。ただし、酸味が強いので取り扱いには注意が必要です。

硫酸の製造方法は数多く知られており、接触法、湿式硫酸法、鉛室法などがあります。^{[ 10 ]}硫酸は化学産業においても重要な物質です。最も一般的に使用されるのは肥料製造ですが^{[ 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す。家庭用酸性排水管洗浄剤^{[ 12 ]}、鉛蓄電池の電解質、脱水剤、各種洗浄剤など、幅広い最終用途があります。硫酸は三酸化硫黄を水に 溶かすことで得られます。

物理的特性

硫酸の等級

ほぼ100%の硫酸溶液を作ることは可能ですが、その後の沸点でSO ₃が失われるため、濃度は98.3%になります。98.3%の硫酸は保存安定性が高く、一般的に「濃硫酸」と呼ばれます。その他の濃度の硫酸は用途によって使い分けられます。一般的な濃度としては、以下のものがあります。^{[ 13 ] [ 14 ]}

質量分率H 2 SO 4	密度（kg ⁄ L）	濃度（モル/リットル）	通称
<29%	1.00～1.25	<4.2	希硫酸
29～32%	1.25～1.28	4.2～5.0	バッテリー酸（鉛蓄電池に使用）
62～70%	1.52～1.60	9.6～11.5	チャンバー酸 肥料酸
78～80%	1.70～1.73	13.5～14.0	タワー酸 グローバー酸
93.2%	1.83	17.4	66 °Bé（「66度ボーメ」）酸
98.3%	1.84	18.4	濃硫酸
100%。	1.84	18.8	純粋な硫酸 無水硫酸 100％硫酸

「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（ニトロシル硫酸の混入を避けるため70%未満）であり、タワー酸はグローバー塔の底部から回収される酸である。^{[ 13 ] [ 14 ]}これらは現在、商業用硫酸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、多くの滴定法で使用される）は、98%硫酸を等量の水にゆっくりと加え、よく撹拌することによって調製される。混合物の温度は80℃（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状態が含まれています。

純硫酸の平衡^{[ 15 ]}

種	ミリモル/kg
HSO−4	15.0
H 3 SO+4	11.3
H 3 O +	8.0
HS2O​​−7	4.4
H 2 S 2 O 7	3.6
水​​	0.1

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、硫酸はほぼ三方晶系の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)面に平行な層から成り、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 ]} H ₂ SO ₄ · n H ₂ O水和物はn = 1、2、3、4、6.5、8で知られているが、中間水和物のほとんどは不均化に対して安定である。^{[ 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です_。自己プロトン化、つまり自己プロトン化の結果として、高い電気伝導性を示します_。^{[ 15 ]}

2 H ₂ SO ₄ ⇌ H ₃ SO+4+ HSO−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）によりイオン価が高く、硫酸は優れた電気伝導体となります。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

濃硫酸の脱水特性を示す実験。濃硫酸がスクロースと接触すると、スクロースはゆっくりと炭化します。この反応に伴ってガス状生成物が発生し、ビーカー上に上昇する泡状の炭素柱の形成に寄与します。

濃硫酸を数滴たらすと、綿タオルは急速に脱水されて分解されます。

硫酸の水和反応は非常に発熱的である。^{[ 19 ]}

酸解離定数からわかるように、硫酸は強酸です。

H ₂ SO ₄ + H ₂ O → 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

濃硫酸は強力な脱水作用を持ち、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分（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、実験室でよく見られる現象です。 ^{[ 21 ]}炭素が形成されると砂糖は黒くなり、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 ]}

${\displaystyle {\underset {\text{スクロース}}{{\ce {C12H22O11}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{black}} \atop {\text{グラファイトフォーム}}}{{\ce {12 C}}}}+{\ce {11 H2O_{(g,l)}}}}$

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。濃硫酸を紙にこぼした場合も、この影響が見られます。紙はデンプンに関連する多糖類であるセルロースで構成されています。セルロースが反応して焦げたような外観になり、炭素は火災で発生する煤のように見えます。それほど劇的ではありませんが、綿に対する硫酸の作用は、たとえ希釈された状態であっても、布地を破壊します。

${\displaystyle {\underset {\text{多糖}}{{\ce {[C6H10O5]}}_{n}}}\longrightarrow 6n\ {\ce {C}}+5n\ {\ce {H2O}}}$

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。水分が除去されると、青い結晶は白い粉末に変化します。

${\displaystyle {\underset {{\text{硫酸銅(II)}} \atop {\text{五水和物}}}{{\ce {CuSO4*5H2O}}}}\longrightarrow {\underset {{\text{無水}} \atop {\text{硫酸銅(II)}}}{{\ce {CuSO4}}}}+{\ce {5 H2O}}}$

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。

硫酸アルミニウムは製紙用ミョウバンとも呼ばれ、ボーキサイトを硫酸で処理して作られます。

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のにも使用できます。例えば、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

同様に、硝酸カリウムを硫酸で処理すると硝酸が生成されます。硫酸は塩化ナトリウムと反応し、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

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、芳香族求電子置換反応を伴うニトロ化反応において重要です。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 反応など、多くの有機化学反応において重要です。

HFの代わりにD Fを使用して合成された[D ₃ SO ₄ ] ⁺ [SbF ₆ ] ⁻中に存在する[D ₃ SO ₄ ] ⁺イオンの固体構造。

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（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 ] ⁻ ）は、液体HF中で以下の反応により合成される。

[(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、副生成物である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、純粋な硫酸は自己電離を起こして[H ₃ O] ⁺イオンを 生成するため、単にフルオロアンチモン酸を用いたプロトン化は失敗に終わった。

2 H ₂ SO ₄ ⇌ H ₃ O ⁺ + HS ₂ O−7

これはHF/ SbF ₅系によるH ₂ SO ₄から[H ₃ SO ₄ ] ⁺への変換を阻害する。^{[ 23 ]}

金属との反応

希硫酸でさえ、他の一般的な酸と同様に、単一の置換反応によって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。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（反応性系列で銅より上位の金属）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作用し、二酸化硫黄を放出する。^{[ 8 ]}

Cu + 2 H ₂ SO ₄ → SO ₂ + 2 H ₂ O + SO2−4+ 銅²⁺

しかし、鉛とタングステンは硫酸に対して耐性があります。

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 + 2H 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

ベンゼンおよび多くの誘導体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・ヨウ素サイクル

硫酸は水から水素を生成するために使用できます。

2 I 2 + 2 SO 2 + 4 H 2 O → 4 HI + 2 H 2 SO 4		（120℃、ブンゼン反応）
2 H 2 SO 4 → 2 SO 2 + 2 H 2 O + O 2		（830℃）
4 HI → 2 I 2 + 2 H 2		（320℃）

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反応であり、高温で行われる必要があるため、熱という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、水素経済のための水素供給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る水素に含まれる利用可能なエネルギーはすべて、水素の製造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

リオ・ティントは酸性度の高い水で有名

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界に見られることはほとんどありません。希硫酸は酸性雨の成分であり、大気中の二酸化硫黄が水の存在下で酸化されることによって生成されます。つまり、亜硫酸の酸化です。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に加えて）。

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⁺に酸化される。

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、プロセスは急速に進行す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、 pH値がゼロ未満であることが測定されています。

ARDは硫酸の生成速度が遅いため、帯水層の酸中和能（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ってミネラルが溶解し、水中の 総溶解固形物（TDS）濃度が上昇する可能性があります。

硫酸は特定の海洋生物の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している。^{[ 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生成されます。^{[ 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・凝集によってエアロゾルの成長のための表面を提供します。こうして成層圏エアロゾル層が形成されます。^{[ 29 ]}

地球外硫酸

金星の永久雲は濃硫酸でできており、濃硫酸の雨を降らせます。これは地球の大気の雲が水でできていて雨を降らせるのと同じです。^{[ 30 ]}木星の衛星エウロパでは硫酸の氷が検出されています。これは木星の磁気圏からの硫黄イオンが氷の表面に注入されて形成されます。^{[ 31 ]}

生産

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る。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ある。

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、発煙硫酸（H ₂ S ₂ O ₇ ）を生成します。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。その後、発煙硫酸は水で希釈され、濃硫酸になります。

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

湿式硫酸法

SO3_を水に直接溶解する「湿式硫酸法」は、反応が非常に発熱的であり、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。

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ガスを生成する。

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)

三酸化硫黄は水和されて硫酸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にすることである。

H ₂ SO ₄ (g) → H ₂ SO ₄ (l) (-69 kJ/mol)

その他の方法

硫黄と硝石（硝酸カリウム、KNO ₃）を蒸気の存在下で燃焼させる方法は、歴史的に用いられてきました。硝石が分解すると、硫黄はSO ₃に酸化され、これが水と結合して硫酸を生成します。

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。

実験室での合成法は多岐にわたり、通常は二酸化硫黄または等価の塩から出発します。メタ重亜硫酸塩法では、塩酸とメタ重亜硫酸塩が反応して二酸化硫黄の蒸気を生成します。このガスを硝酸に通すと、反応が進むにつれて茶色/赤色の二酸化窒素の蒸気が発生します。反応の完了は蒸気の消失によって示されます。この方法では、分離できない霧が発生しないため便利です。

3 SO ₂ + 2 HNO ₃ + 2 H ₂ O → 3 H ₂ SO ₄ + 2 NO

あるいは、塩化銅(II)や塩化鉄(III)などの酸化金属塩の水溶液に二酸化硫黄を溶解する。

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

硫酸を生成するためのあまり知られていない実験室での2つの方法は、希硫酸であり、精製に多少の手間がかかるものの、電気分解に基づいています。硫酸銅(II)溶液を銅陰極と白金/グラファイト陽極で電気分解すると、陰極にスポンジ状の銅、陽極に酸素ガスが発生します。希硫酸溶液は、青色から透明に変化することで反応が完了したことを示します（陰極で水素が発生することも反応の完了を示します）。

2CuSO4 + _{2H2O →} 2Cu + _2H2SO4 + _O2​

よりコストが高く、危険で、面倒なのが電気臭素法です。この方法では、硫黄、水、臭化水素酸の混合物を電解液として使用します。硫黄は酸性溶液の下、容器の底に押し込まれます。次に、銅陰極と白金/グラファイト陽極を使用し、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します。この方法は時間がかかる場合があり、有毒な臭素/臭化硫黄の蒸気が発生しますが、反応物の酸はリサイクル可能です。全体として、硫黄と水のみが硫酸と水素に変換されます（蒸気としての酸の損失は除外）。

2 HBr → H ₂ + Br ₂（臭化水素水溶液の電気分解）

臭素₂ + 臭素⁻ ↔ 臭素−3（最初は臭化三臭化物が生成され、最終的には臭素^が減少する）

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）

用途

2000年の硫酸生産量

硫酸は非常に重要な汎用化学物質であり、2002年まで、一国の硫酸生産量はその国の産業力の良い指標であると考えられていました。^{[ 33 ]} 2004年の世界生産量は約1億8000万トンで、地理的分布は次のとおりです。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 ]} 2022年の世界の生産量は2億6000万トンと推定されています。^{[ 35 ]}

20世紀後半の時点で、生産量のほとんど（約60％）は肥料、特に過リン酸塩、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウムとして消費されました。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、および油井の酸性化、アルミニウム還元、紙のサイズ、水処理などのさまざまなプロセスで使用されています。約6％の用途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が含まれます。残りは爆薬、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。^{[ 36 ]}

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ています。この原料は、正確な組成は異なる場合がありますが、下図ではフッ化アパタイトとして示されています。これを93%の硫酸で処理すると、硫酸カルシウム、フッ化水素（HF）、リン酸が生成されます。HFはフッ化水素酸として除去されます。全体的なプロセスは以下のように表すことができます。

${\displaystyle {\underset {\text{fluorapatite}}{{\ce {Ca5(PO4)3F}}}}+{\ce {5 H2SO4 + 10 H2O}}\longrightarrow {\underset {{\text{calcium sulfate}} \atop {\text{dihydrate}}}{{\ce {5 CaSO4*2H2O}}}}+{\ce {HF + 3 H3PO4}}}$

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、アンモニアは塩（鉄の混入により茶色になることが多い）として結晶化し、農薬業界に販売されます。

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において、錆や汚れを除去するための酸洗剤として使用されています。^{[ 37 ]}使用済み酸は、多くの場合、使用済み酸再生（SAR）プラントによってリサイクルされます。これらのプラントでは、使用済み酸を天然ガス、製油所ガス、燃料油、またはその他の燃料源と燃焼させます。この燃焼プロセスによって二酸化硫黄（SO ₂）と三酸化硫黄（SO ₃）というガスが生成され、これらが「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、潜在的に危険な洗浄液であり、基板表面を洗浄することができます。ピラニア溶液は、主にマイクロエレクトロニクス産業で使用され、実験室ではガラス器具の洗浄にも使用されます。

触媒

硫酸は化学産業において様々な用途に使用されています。例えば、ナイロンの製造に用いられるシクロヘキサノンオキシムからカプロラクタムへの変換において、硫酸は一般的な酸触媒として用いられます。_また、マンハイム法によって塩から塩酸を製造する際にも硫酸は使用されます。硫酸_は石油精製においても大量に使用されており、例えばイソブタンとイソブチレンを反応させてイソオクタン（ガソリンのオクタン価を上げる化合物）を生成する触​​媒として用いられます。また、硫酸は様々な糖を脱水して固体炭素を生成するなど、工業反応において脱水剤や酸化剤としても頻繁に使用されます。

電解質

家庭用の酸性排水管洗浄剤には通常、高濃度の硫酸が含まれており、pH 試験紙を赤く変色させて瞬時に焦がし、強酸性と脱水特性の両方を示します。

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： ​

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

家庭用の酸性排水管洗浄剤は、水道管内の油脂、髪の毛、さらにはティッシュペーパーを溶かすのに使用できます。

全体：

Pb + PbO ₂ + 4 H ⁺ + 2 SO2−4⇌ 2 PbSO ₄ + 2 H ₂ O

家庭用

高濃度硫酸は、脂質、髪の毛、ティッシュペーパーなどの除去に使用される家庭用酸性排水管洗浄剤^{[ 12 ]}の主成分としてよく使用されます。アルカリ性のものと同様に、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します。さらに、濃硫酸は強い脱水作用を持つため、ティッシュペーパーも脱水作用によって除去できます。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投入する必要があります。

歴史

ジョン・ドルトンが 1808 年に作成した硫酸分子は、中心の硫黄原子が 3 つの酸素原子と結合した構造、つまり硫酸の無水物である三酸化硫黄を示しています。

毒舌

ビトリオール（様々な金属の水和硫酸塩で、ガラス質の鉱物を形成し、そこから硫酸を抽出できる）の研究は古代に始まった。シュメール人はビトリオールの種類の一覧表を持っており、物質の色に応じて分類していた。ビトリオールの起源と特性に関する最も古い議論は、ギリシャの医師ディオスコリデス（西暦1世紀）とローマの博物学者大プリニウス（西暦23～79年）の著作の中に見られる。ガレノスもその医学的用途について論じた。ビトリオールの冶金的用途は、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Xに記録されている。^{[ 38 ]}中世イスラムの錬金術師であるジャービル・イブン・ハイヤーン（806年頃死去 - 816年頃、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、ラテン語ではラーズィーとして知られる）、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たちは、鉱物の分類リストに硫酸を含めていた。^{[ 39 ]}

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。^{[ 40 ]}彼の『キターブ・アル＝アスラール』 （『秘密の書』 ）に記録されているレシピの一つでは、アル＝ラーズィーは気づかずに硫酸を作り出していた可能性がある。^{[ 41 ]}

白色（イエメン産）ミョウバンを溶かし、濾過して精製する。次に、緑色の硫酸（？）を銅緑色（酢酸塩）と蒸留し、蒸留液を精製ミョウバンの濾過液と混ぜる。その後、ガラスビーカーの中で固化（または結晶化）させる。こうして、最高のカルカディス（白色ミョウバン）が得られる。^{[ 42 ]}

— 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』）^{[ 43 ]} 、アル・ラーズィー（Lumen luminum magnum、『光の中の大いなる光』）[ 44 ]、あるいはイブン・シーナー^{[ 45 ]}に帰属する匿名のラテン語作品の中で、著者は硫酸鉄(II) （緑ビトリオール）の蒸留によって得られる「油」（オレウム）について語っており、これはおそらく「ビトリオール油」または硫酸であったと思われる。^{[ 45 ]}この作品は、ラテン語に翻訳された数少ないアラビア語ジャービル作品の1つであるジャービル・イブン・ハイヤーンの七十巻（Liber de septuaginta）に複数回言及している。 ^{[ 46 ]}アル・ラーズィーに帰せられる版の著者もまた『七十人訳聖書』を自身の作品として言及しており、彼が『七十人訳聖書』をアル・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。^{[ 47 ]}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、^{[ 48 ]}ある写本によると、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。^{[ 49 ]}

アフマド・Y・アル・ハッサンによれば、硫酸のレシピは、複数の著者から集められた約 1100年以前の匿名のガルシュニ写本に3つ記載されているという。^{[ 50 ]}その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に対して黄硫黄1の割合で粉砕し、ローズウォーターのように蒸留する。^{[ 51 ]}

硫酸の製法は、シーア派のイマーム、ジャアファル・サディーク（765年没）に誤って帰属されたアラビア語の論文『リサーラト・ジャアファル・サディーク・フィールム・アル・シャンア』に記載されている。ユリウス・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、おそらくそれよりも古い時代のものである。^{[ 52 ]}

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。^{[ 51 ]}

ヴァンサン・ド・ボーヴェ、アルベルトゥス・マグナス、擬似ゲーバー

硫酸は、鉄製の蒸溜器で硫酸鉄(II)または緑色の硫酸を焙焼して作られることから、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。ヨーロッパ起源の文献における硫酸への最初の言及は、例えばボーヴェのヴァンサンの著作、アルベルトゥス・マグヌスに帰せられる『合成論』 、そして偽ゲーベルの『完全大全』など、13世紀に現れます。^{[ 53 ]}

硫黄から硫酸を生成する

16世紀には、 oleum sulphuris per campanam（硫黄の鐘）の製造方法が知られていました。これは、湿った天候下でガラスの鐘の下で（後には湿らせた鐘の下で）硫黄を燃焼させるというものでした。しかし、この方法は非常に効率が悪く（ゲスナーによれば、5ポンド（2.3 kg）の硫黄から1オンス（0.03 kg）未満の酸が生成される）、結果として得られる生成物は亜硫酸（正確には二酸化硫黄の溶液）で汚染されていたため、ほとんどの錬金術師（例えばアイザック・ニュートンを含む）は、これを「硫酸の鐘」と同等のものとは考えませんでした。

17世紀、ヨハン・ルドルフ・グラウバーは、硝石（硝酸カリウム、KNO ₃）を加えることで、水分を蒸気に置き換えることで、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SO ₃に酸化され、これが水と反応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・ワードはこの方法を用いて、硫酸の大規模生産を初めて開始しました。

鉛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製造しました。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高く、安価で、大型化も可能でした。この方法により、硫酸製造の効率的な工業化が可能になりました。幾度かの改良を経て、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、純度62%、転化率75%という高い水準で、ほぼ2世紀にわたって硫酸製造の標準法として使用され続けました。^{[ 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。その後、フランスの化学者ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとイギリスの化学者ジョン・グローバーが鉛室法を改良し、濃度は 78% まで向上した。しかし、一部の染料の製造やその他の化学プロセスでは、より高濃度の製品が必要となる。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得ることができた。しかし、このプロセスは費用がかかるため、濃硫酸の大規模な使用は避けられた。^{[ 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、三酸化硫黄と濃硫酸をはるかに経済的に生産する接触法の特許を取得しました。今日では、世界の硫酸のほぼすべてがこの方法で生産されています。 ^{[ 33 ]}

19世紀初頭から中期にかけて、「ビトリオール」工場は、スコットランドのプレストンパンズ、シュロップシャー、そして北アイルランドのアントリム州ラガン渓谷など、様々な場所に存在し、リネンの漂白剤として使用されていました。リネンの初期の漂白は、酸乳由来の乳酸を用いて行われていましたが、これは処理速度が遅く、ビトリオールの使用によって漂白速度が速まりました。^{[ 54 ]}

安全性

実験室の危険性

98%硫酸を滴下すると、ティッシュペーパーは瞬時に焦げてしまいます。脱水反応後に残った炭素が、紙を黒く染めます。

98%硫酸の滴に10分間さらされたニトリル手袋

98%硫酸の飛沫2回による表面化学火傷（前腕皮膚）

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と接触すると、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。^{[ 8 ] [ 9 ]}そのため、角膜を急速に攻撃し、目に入ると失明につながる可能性があります。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。^{[ 7 ]}そのため、取り扱う際には常に個人用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腐食性が強く、他の物質にも破壊が広がる可能性があります。^{[ 8 ]}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。

酸の危険警告標識

硫酸は、非反応性材料（ガラスなど）でできた容器に入れて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」と表示され、0.5 M以上1.5 M未満の溶液には「刺激性」と表示されます。ただし、通常の実験室で「希釈」された濃度（約1 M、10%）であっても、十分な時間接触させる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、大量の水で洗い流すことです。酸による火傷の周囲の組織を冷却し、二次的な損傷を防ぐため、少なくとも10～15分間洗浄を続けます。汚染された衣服は直ちに脱ぎ、皮膚全体を徹底的に洗浄します。

希釈の危険性

希釈した酸を調製する際は、希釈過程で発生する熱により危険を伴う場合があります。飛び散りを防ぐため、通常は濃酸を水に加え、その逆は行いません。このことを覚えておくための諺に「酸は水に加えるべき」というものがあります。^{[ 55 ] [ 56 ]}水は酸よりも熱容量が高いため、冷水の入った容器に酸を加えると熱を吸収します。

硫酸と水の比較

物理的性質	H 2 SO 4	水	ユニット
密度	1.84	0.997	kg/l
体積熱容量	2.56 (100% 硫酸) 2.54 (98.3% 硫酸)	4.18	kJ/l
沸点	約290～300℃（100% H2SO4） 337℃（98.3%硫酸）	100	°C

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って上昇し、界面を冷却することで、酸と水の沸騰を防ぎます。

一方、濃硫酸に水を加えると、硫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、あるいは最悪の場合、爆発を引き起こす可能性があります。

濃度が6 M（35%）を超える溶液を調製する場合は、酸をゆっくりと添加し、混合物が十分に冷却されるまでの時間を確保しないと危険です。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。

反応速度は温度が約10℃上昇するごとに2倍になります。^{[ 57 ]}そのため、混合物を冷却する時間を与えない限り、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することができます。硫酸を希釈する過程で、氷は吸熱反応で溶けます。この過程で氷を溶かすのに必要な熱量は、硫酸を希釈する際に発生する熱量よりも大きいため、溶液は冷たいままです。^{[ 58 ]}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。

この酸による主な職業上のリスクは、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されると、目、呼吸器、粘膜に即時の重度の刺激が生じる。この刺激は曝露後速やかに治まるが、組織損傷がより重度の場合はその後に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で最も一般的に報告されている症状は歯の侵食であり、ほとんどすべての研究で認められている。呼吸器への慢性損傷の可能性を示す兆候は、1997年現在で決定的なものではない。硫酸ミストへの職業上の反復曝露は、肺がんのリスクを最大64％増加させる可能性がある。^{[ 59 ]}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、他の国でも限界は同様である。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したという報告があります。このような症例では脊髄が最も多く影響を受けますが、視神経でも脱髄、軸索喪失、グリオーシス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よって規制されており、同条約の表IIには、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硫酸が記載されている。^{[ 60 ]}

参照

• 王水
• ジエチルエーテル—「甘い硫酸」とも呼ばれる
• ピラニア溶液
• 硫黄オキソ酸
• 硫酸中毒

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    • Hoefer 1866 、p. 343は依然としてこの著作がアル＝ラーズィーの著作であると固く信じていたが、 Ruska 1939の研究以降、この見解は放棄されている。Moureau 2020、p. 117を参照：「多くの錬金術のラテン語文献がラーズィーに帰属しているが、現在の研究では、この有名な医師であり錬金術師による翻訳であることが知られているのはたった1冊だけである」（すなわち、アル＝ラーズィーの『Kitāb al-asrār 』を言い換えた『 Liber secretorum Bubacaris』）
    • Ferrario, Gabriele (2009). 「アラビア語による錬金術用語辞典：ベルリン国立図書館所蔵シュプレンガー版（3r–6rページ）」. Ambix . 56 (1): 42. doi : 10.1179/174582309X405219 . PMID  19831258. S2CID  41045827.この伝統的な帰属説に対して、ルスカ・[ ... ] によって強力な、しかし未だ反駁されていない批判が提起された。
50. Al-Hassan 2001、60、63 ページ。この原稿の年代については、 Berthelot、Marcellinも参照。フーダス、オクターブ V. (1893)。ラ・シミ・オー・モヤン・アージュ（フランス語）。パリ: 国立帝国。第2巻、p.xvii。
51. アル・ハッサン 2001、60ページ。
52. ウィリアムズ、アラン（2012年）『剣とるつぼ：16世紀までのヨーロッパの剣の冶金学の歴史』ライデン：ブリル社、104頁。ISBN 978-90-04-22783-5。
    • アル・ハッサン、アフマド・Y.（2001年）『イスラムにおける科学技術：技術と応用科学』ユネスコ、60頁。ISBN 978-92-3-103831-0。
53. Karpenko & Norris 2002、1002–1004 ページ。
54. Benninga, H. (1990).乳酸製造の歴史：バイオテクノロジー史の一章. ドルドレヒト、オランダ: Kluwer Academic. p. 4. ISBN 9780792306252. OCLC  20852966 .
55. スナイダー、ルーシー・A. (2005年11月4日). 「水に酸を加えましょう」 .ルーシー・A・スナイダー. 2022年1月23日閲覧。
56. 「注ぎと混合」（PDF）カリフォルニア大学. 2025年4月21日閲覧。
57. Pauling, LC (1988).一般化学. ドーバー.
58. 「硫酸を水と氷に変える」。化学が生き生きする！ 。 2025年11月20日閲覧。
59. Beaumont, JJ; Leveton, J.; Knox, K.; Bloom, T.; McQuiston, Tm; Young, M.; Goldsmith, R.; Steenland, NK; Brown, DP; Halperin, WE (1987). 「硫酸ミストおよびその他の酸性ミストに曝露された労働者の肺がん死亡率」. J Natl Cancer Inst . 79 (5): 911–21 . doi : 10.1093/jnci/79.5.911 . PMID 3479642 . 
60. 「様式D（レッドリスト）の付属書」（PDF）（第11版）ウィーン、オーストリア：国際麻薬統制委員会。2007年1月。4ページ。2008年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。

外部リンク

• 国際化学物質安全性カード 0362
• 周期表のビデオにおける硫酸（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職場安全衛生トピック
• 計算機：表面張力、密度、モル濃度、硫酸水溶液のモル濃度