硫酸（H2SO4）：特性、構造、用途 - 化学 - 2025

硫酸（H ₂ SO _4）で液体、油性、無色の化学化合物、熱の放出を伴う水に溶解し、金属や布に対して腐食性。木やそれに接触するほとんどの有機物を焦がしますが、火災を引き起こす可能性はほとんどありません。

硫酸はおそらくすべての重工業化学物質の中で最も重要であり、その消費は国の経済の一般的な状態の指標として何度も引用されてきました。

硫酸96％超高純度

低濃度への長期暴露または高濃度への短期暴露は、健康への悪影響をもたらす可能性があります。硫酸のこれまでで最も重要な用途は、リン酸塩肥料産業です。

その他の重要な用途は、石油精製、顔料製造、鋼の酸洗、非鉄金属抽出、爆発物、洗剤、プラスチック、人工繊維、医薬品の製造です。

硫酸の前身であるVitriol

中世ヨーロッパでは、硫酸は、ビトリオール、ビトリオールオイル、またはビトリオールリキュールとして錬金術師から知られていました。最も重要な化学物質とされ、哲学者の石として使われるように試みられました。

硫酸骨格式

シュメール人にはすでにさまざまな種類のブドウ糖のリストがあった。さらに、ギリシャの医師であるディオスコリデスのガレンと長老のプリニーは、その医学的使用を高めました。

左：ジョセフライト作「Alchemist、in the Philosopher's Stone」（1771年）/右：錬金術師のモットー「Visit interiora terrae; 修正インビニーオカルタムラピデム（「地球の内部をご覧ください。修正すると、隠された石が見つかります」）。Stolzius von Stolzembuirg、Theatrum Chymicum、1614

ヘレニズム時代の錬金術の研究では、硝子体物質の冶金学的使用はすでに述べられています。ヴィトリオールとは、硫酸を得ることができるガラス質鉱物のグループを指します。

式

-式：H ₂ SO ₄

-番号Cas：7664-93-9

化学構造

2Dで

硫酸

3Dで

硫酸/球と棒の分子モデル

硫酸/球の分子モデル

特徴

物理的及び化学的性質

硫酸は、強力な酸化酸の反応グループに属しています。

空気と水との反応

-酸性度が80〜90％を超えない限り、水との反応は無視できます。その場合、加水分解の熱は非常に大きく、重度の火傷を引き起こす可能性があります。

引火性

-強力な酸化酸は一般に不燃性です。それらは、燃焼サイトに酸素を供給することにより、他の物質の燃焼を加速することができます。

-しかし、硫酸は反応性が高く、接触すると微粉化した可燃性物質に着火する可能性があります。

-加熱すると、非常に有毒なフュームを放出します。

-爆発性があるか、または多種多様な物質と適合しません。

-高温高圧で激しい化学変化を起こす可能性があります。

-水と激しく反応します。

反応性

-硫酸は強酸性です。

-五フッ化臭素と激しく反応する。

-80℃でパラニトロトルエンにより爆発する。

-湿気を含む容器内で、濃硫酸を結晶性過マンガン酸カリウムと混合すると爆発が起こります。七酸化マンガンが形成され、70℃で爆発する。

-アクリロニトリルと濃硫酸の混合物はよく冷やしておく必要があります。そうしないと、激しい発熱反応が発生します。

-硫酸（96％）を次の物質のいずれかと等量で混合すると、温度と圧力が上昇します：アセトニトリル、アクロレイン、2-アミノエタノール、水酸化アンモニウム（28％）、アニリン、n-ブチルアルデヒド、クロロスルホン酸、エチレンジアミン、エチレンイミン、エピクロロヒドリン、エチレンシアノヒドリン、塩酸（36％）、フッ化水素酸（48.7％）、酸化プロピレン、水酸化ナトリウム、スチレンモノマー。

-硫酸（濃縮）は、炭化物、臭素酸塩、塩素酸塩、下塗り剤、ピクリン酸塩、粉末金属と接触すると非常に危険です。

-塩化アリルの激しい重合を引き起こす可能性があり、発熱的に次亜塩素酸ナトリウムと反応して塩素ガスを生成します。

-クロロ硫酸と98％硫酸を混合することにより、HClが得られます。

毒性

-硫酸はすべての体組織に腐食性があります。蒸気を吸入すると、深刻な肺の損傷を引き起こす可能性があります。目との接触は、視力の完全な喪失をもたらす可能性があります。皮膚に触れると、重度の壊死を引き起こす可能性があります。

-濃厚な化学物質の小さじ1〜1/2オンスの量の硫酸の摂取は、成人にとって致命的となる可能性があります。酸が気管に入ると、数滴でも致命的になる可能性があります。

-慢性暴露は、気管気管支炎、口内炎、結膜炎および胃炎を引き起こす可能性があります。胃穿孔および腹膜炎が発生する可能性があり、その後に循環虚脱が続く可能性があります。多くの場合、循環ショックは直接的な死因です。

-慢性呼吸器疾患、胃腸疾患、神経疾患、眼や皮膚の病気のリスクが高い。

用途

-硫酸は、世界で最も広く使用されている工業薬品の1つです。しかし、その使用のほとんどは間接的であると見なすことができ、成分ではなく試薬として参加します。

-ほとんどの硫酸は、他の化合物の生産で使用済みの酸として、またはある種の硫酸塩残留物として終わります。

・多くの製品に硫黄や硫酸が配合されていますが、そのほとんどが特殊少量製品です。

-2014年に生産された硫酸の約19％は約20の化学プロセスで消費され、残りは多種多様な産業および技術用途で消費されました。

-世界中での硫酸の需要の増加は、リン酸、二酸化チタン、フッ化水素酸、硫酸アンモニウムの製造、およびウランの処理と冶金の用途における減少の順です。

間接

-硫酸の最大の消費者は、はるかに肥料産業です。これは、2014年の世界の総消費量の58％強に相当します。ただし、このシェアは、主に他の化学および工業用途での成長率の高まりの結果として、2019年までに約56％に減少すると予想されます。

-リン酸肥料原料、特にリン酸の生産は、硫酸の主な市場です。また、三重過リン酸塩、一リン酸二リン酸、二リン酸二リン酸などの肥料原料の製造にも使用されます。過リン酸塩と硫酸アンモニウムの製造には少量が使用されます。

-他の工業用途では、ニトロ化、縮合、脱水などの反応を伴う有機化学および石油化学プロセス、ならびに精製原油の精製、アルキル化、精製に使用される石油。

-無機化学産業では、TiO2顔料、塩酸、フッ化水素酸の製造におけるその使用が注目に値します。

-金属加工業界では、硫酸は鋼の酸洗い、銅、ウラン、バナジウム鉱石の浸出に使用され、鉱物の湿式製錬処理、および精製とめっきのための電解浴の準備に使用されます非鉄金属。

-製紙産業、一部の繊維製品の製造、化学繊維の製造、および皮革のなめしにおける木材パルプの製造の特定のプロセスでも、硫酸が必要です。

直接

-おそらく、最終製品に硫黄が組み込まれている硫酸の最大の用途は、特に洗剤の製造のための有機スルホン化プロセスです。

-スルホン化は、他の有機化学物質や副次的な医薬品の入手にも重要な役割を果たします。

-鉛蓄電池は、最もよく知られている硫酸含有消費者向け製品の1つであり、総硫酸消費量のごく一部しか占めていません。

-特定の条件下では、硫酸は農業で直接使用され、米国西部の砂漠地帯で見られるような高アルカリ性土壌の修復に使用されます。しかしながら、この使用は、使用される硫酸の総量の点でそれほど重要ではありません。

硫酸工業の発展

Vitriolプロセス

青い硫酸塩を形成する硫酸銅（II）結晶

硫酸を得る最も古い方法は、いわゆる「ビトリオールプロセス」であり、これは、さまざまな種類の硫酸塩である天然起源のビトリオールの熱分解に基づいています。

ペルシャの錬金術師、JābiribnHayyān（別名Geber、AD 721-815）、Razi（AD 865-925）、およびJamal Din al-Watwat（AD 1318）は、ミネラル分類リストにビトリオールを含めました。

「ビトリオールプロセス」についての最初の言及は、Jabir ibn Hayyanの著作に出てきます。次に、錬金術師のセントアルバート大王とバジリウスヴァレンティヌスがこのプロセスをより詳しく説明しました。ミョウバンとカルカンタイト（青色のビトリオール）を原料として使用しました。

中世の終わりに、ガラス容器で少量の硫酸が得られました。この環境では、湿気の多い環境で硫黄が硝石で燃焼されました。

硫酸への需要が高まったため、16世紀以降、工業的規模でビトリオールプロセスが使用されました。

ノルトハウゼンのヴィトリオール

生産の焦点は、鉄（II）硫酸（緑色vitriol、のFeSO使用した（vitriol「はノルトハウゼンのvitriol」と呼ばれるようになった理由である）ノルトハウゼンのドイツの都市であった₄ - 7H ₂ O）を原料として加熱し、得られた三酸化硫黄を水と混合して硫酸（ビトリオールの油）を得た。

より多くの量のビトリオール油を得るために、いくつかのレベルが並行してあったギャレーでプロセスが実行されました。

ブドウ糖の生産に使用されるギャレー

リードチャンバー

18世紀には、「鉛チャンバープロセス」として知られる、より経済的な硫酸の製造プロセスが開発されました。

それまでは、得られた酸の最大濃度は78％でしたが、「ビトリオールプロセス」では、濃縮された酸と発煙硫酸が得られたため、この方法は「プロセスの出現」まで業界の特定のセクターで使用され続けました。接触」は1870年に濃縮酸をより安く入手できた。

オレウムまたは発煙硫酸（CAS：8014-95-7）は、油状の濃度と濃い茶色の溶液で、三酸化硫黄と硫酸の組成はさまざまで、式H ₂ SO ₄で表すことができます。 xSO ₃（xは硫黄酸化物（VI）の遊離モル含有量を表します）。xの値が1の場合、経験式H ₂ S ₂ O _{7が得られます}。これは、二硫酸（またはピロ硫酸）に対応します。

処理する

リードチャンバープロセスは、「接触プロセス」に取って代わられる前に、硫酸を大量に生産するために使用される工業的方法でした。

1746年にイギリスのバーミンガムで、ジョンロウバックは鉛で裏打ちされたチャンバーで硫酸を生産し始めました。これは、以前に使用されていたガラス容器よりも強力で安価であり、はるかに大きくすることができました。

二酸化硫黄（元素硫黄または黄鉄鉱などの硫黄を含む金属鉱物の燃焼による）は、鉛シートで裏打ちされた大きなチャンバーに蒸気と窒素酸化物とともに導入されました。

二酸化硫黄と二酸化窒素が溶解し、約30分かけて二酸化硫黄が酸化されて硫酸になりました。

これにより、硫酸生産の効果的な工業化が可能になり、さまざまな改良が加えられて、このプロセスは約2世紀にわたって標準的な生産方法のままでした。

1793年に、クレメンテとデゾルムは、鉛チャンバープロセスに補足空気を導入することにより、より良い結果を達成しました。

1827年、Gay-Lussacは鉛チャンバー内の廃ガスから窒素酸化物を吸収する方法を導入しました。

1859年、グラバーは、高温ガスでストリッピングすることにより、新たに形成された酸から窒素酸化物を回収する方法を開発しました。

1923年に、ピーターセンは改良されたタワープロセスを導入しました。これにより、1950年代まで接触プロセスとの競争が可能になりました。

チャンバープロセスは非常に堅牢になったため、1946年には世界の硫酸生産の25％を占めていました。

現在の生産：連絡プロセス

接触プロセスは、現在の工業プロセスで必要な高濃度の硫酸を製造する現在の方法です。プラチナはこの反応の触媒でした。しかしながら、五酸化バナジウム（V2O5）が現在好ましい。

1831年、イギリスのブリストルで、ペレグリンフィリップスは、高温で白金触媒を使用して二酸化硫黄を三酸化硫黄に酸化することについて特許を取得しました。

しかし、彼の発明の採用と接触プロセスの集中的な開発は、1872年頃に染料の製造のための発煙硫酸の需要が増加した後にのみ開始されました。

次に、より優れた固体触媒が検索され、SO2 / SO3平衡の化学と熱力学が調査されました。

連絡プロセスは5つの段階に分けることができます。

1. 二酸化硫黄を形成するための硫黄と二酸素（O2）の組み合わせ。
2. 精製ユニットでの二酸化硫黄の精製。
3. 五酸化バナジウム触媒の存在下で、450°Cの温度と1-2 atmの圧力で、二酸化硫黄に過剰な二酸素を添加します。
4. 形成された三酸化硫黄は、発煙硫酸（二硫酸）を与える硫酸に添加されます。
5. 次に、発煙硫酸を水に加えて、高濃度の硫酸を形成します。

黄鉄鉱を原料とした接触法による硫酸の製造スキーム

窒素酸化物プロセス（リードチャンバープロセス中）の基本的な欠点は、得られる硫酸の濃度が最大70〜75％に制限されているのに対し、接触プロセスでは濃縮酸（98 ％）。

接触プロセス用の比較的安価なバナジウム触媒の開発と、濃硫酸の需要の増加に伴い、窒素酸化物処理プラントでの硫酸の世界的な生産量は着実に減少しました。

1980年までに、西ヨーロッパと北アメリカの窒素酸化物処理プラントで酸はほとんど生産されていませんでした。

二重接触プロセス

二重接触二重吸収プロセス（DCDAまたは二重接触二重吸収）により、硫酸製造の接触プロセスが改善されました。

1960年、バイエルはいわゆる二重触媒プロセスの特許を申請しました。このプロセスを使用する最初のプラントは1964年に開始されました。

最終的な触媒段階の前に予備のSO ₃吸収段階を組み込むことにより、改善された接触プロセスにより、SO ₂変換が大幅に増加し、大気への排出が大幅に削減されました。

ガスは最終吸収カラムを通過するため、SO ₂からSO ₃への高い変換効率（約99.8％）が得られるだけでなく、より高濃度の硫酸。

このプロセスと通常の接触プロセスの本質的な違いは、吸収段階の数です。

1970年代から、主要な工業国は環境保護のためのより厳しい規制を導入し、二重の引き継ぎプロセスは新しいプラントでより広く普及しました。ただし、従来の接触プロセスは、環境基準があまり厳格でない多くの発展途上国でまだ使用されています。

接触プロセスの現在の開発の主要な推進力は、プロセスで生成される大量のエネルギーの回収と利用の増加に焦点を当てています。

実際、現代の大規模な硫酸プラントは、化学プラントとしてだけでなく、火力発電プラントとしても見ることができます。

硫酸の生産に使用される原料

パイライト

黄鉄鉱は、20世紀半ばまで石油の生産において主要な原料でした。石油の精製プロセスと天然ガスの精製から大量の元素硫黄が回収され、主な原料となりました。業界プレミアム。

二酸化硫黄

現在、二酸化硫黄はさまざまな原料からさまざまな方法で得られています。

米国では、20世紀初頭から、「Fraschプロセス」によって地下鉱床から硫黄元素を取得することに業界の基盤が置かれてきました。

中程度の濃度の硫酸は、他の工業プロセスの副産物として得られた大量の硫酸を再濃縮および精製することによっても生成されます。

リサイクル

この酸のリサイクルは、特に主要先進国では、環境の観点からますます重要になっています。

元素硫黄と黄鉄鉱に基づく硫酸の製造は、もちろん、これらの材料から生成される酸が主要な製品であるため、市場の状況に比較的敏感です。

対照的に、硫酸が副産物であり、別のプロセスから廃棄物を除去する手段として製造されている場合、その生産レベルは硫酸市場の状況ではなく、主要製品。

臨床効果

-硫酸は、工業用および一部の家庭用洗浄剤（バスルームクリーナーなど）で使用されています。電池にも使用されています。

-意図的に摂取すると、特に高濃度の製品を摂取すると、深刻な怪我や死を引き起こす可能性があります。これらの摂取曝露は米国ではまれですが、世界の他の地域では一般的です。

-組織の損傷やタンパク質の凝固を引き起こす強酸です。皮膚、目、鼻、粘膜、気道、消化管、または接触する組織に対して腐食性があります。

-傷害の重症度は、接触の濃度と期間によって決まります。

-曝露量が少ない（濃度が10％未満）場合、皮膚、上気道、消化管粘膜に刺激が生じるだけです。

-急性吸入暴露の呼吸器系の影響には、鼻と喉の刺激、咳、くしゃみ、反射性気管支痙攣、呼吸困難、肺水腫などがあります。死亡は、突然の循環虚脱、声門浮腫および気道病変、または急性肺損傷から発生する可能性があります。

-硫酸を摂取すると、すぐに心窩部痛、吐き気、唾液分泌、および「コーヒーの粉」のように見えるムコイドまたは出血性物質の嘔吐を引き起こす可能性があります。時々、新鮮な血液の嘔吐が観察されます。

-濃硫酸の摂取は、特に幽門において、食道の腐食、壊死、および食道または胃の穿孔を引き起こす可能性があります。時折、小腸の損傷が見られます。その後の合併症には、狭窄や瘻孔の形成などがあります。摂取後、代謝性アシドーシスが発症することがあります。

-壊死や瘢痕を伴う重度の皮膚火傷が発生する可能性があります。体表面の十分に広い領域が影響を受ける場合、これらは致命的となる可能性があります。

-目は特に腐食による損傷に敏感です。刺激、涙、および結膜炎は、低濃度の硫酸を用いても発生する可能性があります。高濃度の硫酸による水しぶきは、角膜のやけど、視力喪失、そして時折地球の穿孔を引き起こします。

-慢性的な曝露は、肺機能の変化、慢性気管支炎、結膜炎、肺気腫、頻繁な呼吸器感染症、胃炎、歯のエナメル質のびらん、そしておそらく気道の癌に関連している可能性があります。

安全とリスク

化学物質の分類と表示の世界的に調和されたシステム（GHS）のハザードステートメント

Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals（GHS）は、国際的に合意されたシステムであり、国際的に合意されたシステムであり、国際的に一貫した基準（Nations国、2015年）。

危険有害性クラス（および対応するGHSの章）、分類およびラベル付けの基準、および硫酸の推奨事項は次のとおりです（European Chemicals Agency、2017年、国連、2015年、PubChem、2017年）。

GHSハザードクラス

H303：飲み込むと有害となる場合があります（PubChem、2017年）。

H314：重度の皮膚火傷および眼の損傷を引き起こします（PubChem、2017年）。

H318：深刻な目の損傷を引き起こします（PubChem、2017年）。

H330：吸入による致命的（PubChem、2017年）。

H370：臓器の障害を引き起こす（PubChem、2017）。

H372：長期にわたる、または反復暴露による臓器の障害。（PubChem、2017）。

H402：水生生物に有害（PubChem、2017年）。

注意書きコード

P260、P264、P270、P271、P273、P280、P284、P301 + P330 + P331、P303 + P361 + P353、P304 + P340、P305 + P351 + P338、P307 + P311、P310、P312、P314、P320、P321、 P363、P403 + P233、P405、およびP501（PubChem、2017）。

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