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希硫酸,濃硫酸,熱濃硫酸の違いと7つの性質

硫酸は化学のいたるところで登場する物質で,様々な性質があります.そのため,登場する場面によって硫酸のどの性質がはたらいているのかを考えることは非常に重要です.

硫酸と一言で言っても,濃度や温度の違いで希硫酸,濃硫酸,熱濃硫酸の3種類に分けられ,異なる性質をもちます.この記事では硫酸の性質を希硫酸,濃硫酸,熱濃硫酸の3種類に分けてまとめました.

なお,「濃硫酸」は接触法により生成されます.接触法については「工業的製法3|接触法」で説明しているので参考にしてください.

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希硫酸と濃硫酸の両方にみられる性質

希硫酸も濃硫酸も水に硫酸\mathrm{H_2SO_4}が溶けている水溶液ですが,希硫酸は硫酸の濃度が小さく,濃硫酸は硫酸の濃度が大きいという違いがあります.

「薄める」という意味の「希釈」の「希」が頭についているので,「希硫酸」の方が濃度が薄いことは想像ができると思います.

不揮発性

放置していると溶液に溶けている気体が蒸気として抜けていく性質を「揮発性」と言います.

たとえば,塩酸はそのまま放置すると,溶けている塩化水素が蒸気となって空気中へ逃げていきますから,塩化水素は揮発性です.

一方,硫酸を放置しても,水に溶けている硫酸は空気中へ逃げていくことはありません.すなわち,硫酸は不揮発性です.しかし,ここで注意することは,硫酸の溶媒である水はどんどん蒸発していくということです.

水はどんどん蒸発してなくなっていくのに硫酸は逃げて行きません.ですから,たとえ初めは硫酸の濃度が薄かったとしても,放置していると水が抜けてどんどん硫酸の濃度が濃くなっていきます.

この現象を「濃縮」と言います.「濃縮」という言葉はとくに覚える必要はありませんが,この現象は覚えておくと役に立ちます.

実験などで衣服に硫酸が付着すると,その硫酸は薄くても濃縮が起きて服に穴があいてしまうことがあります.

車のバッテリーは鉛蓄電池という電池なのですが,この電池のバッテリー液は硫酸です.バッテリー液が手に付いたまま洗わずに作業を進めていたら,手がただれてしまったという話もあるようです.

【参考:電池と電気分解4|鉛蓄電池の仕組みと反応

硫酸が服や肌に付着してしまったときには,すぐに洗い流すようにしてください.

酸としての性質が強い

「酸としての性質」とは相手に水素イオン\mathrm{H^+}を与えようとする強さのことです.

濃度に関係なく,濃硫酸も希硫酸も相手に水素イオン\mathrm{H^+}を与えようとする性質は非常に強いです.

近くに弱い相手がいれば,「オラオラ!水素イオン受け取れや!」と水素イオンをゴリゴリ押し付けます.これが,「酸としての性質が強い」の意味です.

酸性

ここでの「酸性」と,上で書いた「酸としての性質」は別の話です.

「酸としての性質」は水素イオン\mathrm{H^+}を与えようとする力の強さのことですが,「酸性」というのは塩基性,中性,酸性の「酸性」です.

さて,酸性は強酸,弱酸におおよそ分けられるのですが,この強酸,弱酸は電離度の違いで区別されることに注意してください.溶質がほとんど電離すれば強酸で,あまり電離しなければ弱酸です.

そして,「酸としての性質」は強くても,「酸性」は弱酸であるものがあります.その例が「濃硫酸」です.

「え?濃硫酸って強酸じゃないの?」

これはよく勘違いされることなのですが,希硫酸は文句なく強酸なのですが,実は濃硫酸は弱酸です.

初めに書いたように,濃硫酸の濃度は98%と非常に濃いため,水が少なく濃硫酸がほとんど電離できないのです.それによって,濃硫酸は弱酸なのです.

濃硫酸も希硫酸も「酸としての性質」は強いのですが,希硫酸は強酸,濃硫酸は弱酸なのです.

濃硫酸のみにみられる性質

上でも書きましたが,濃硫酸の最大濃度は非常に高く,質量パーセント濃度で98%までなることは知っておいて良いでしょう.

たとえば,「98%の濃度の濃硫酸100g」は「2gの水に98gの硫酸が溶けている」わけですから,とても濃いことが分かると思います.

吸湿性

空気中の水蒸気を吸収する性質を「吸湿性」と言います.

つまり,密閉した容器の中に濃硫酸を入れておけば,容器内の水蒸気を吸収するので容器内の湿度はどんどん下がっていきます.

この濃硫酸の性質を利用したデシケーターという器具があります.

デシケーターは容器が穴の空いた板で上下に区切られた2層構造になっていて,下側に濃硫酸を上側に乾燥させたいものを入れ蓋をします.

すると,濃硫酸が容器内の水蒸気を吸収して湿度が下がるので,上側に入れたものが速く乾燥するという仕組みです.

脱水作用

物質から水を奪う性質を「脱水作用」と言います.

脱水作用と吸湿性との違いに注意してください.

吸湿性は空気中の水蒸気を吸収するだけでしたが,脱水作用は化合物から無理矢理\mathrm{H_2O}を引っこ抜き,別の物質に変えてしまう性質です.

ですから,脱水作用は化学変化を引き起こす性質と言えます.

たとえば,スクロース\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}に濃硫酸を加えると,濃硫酸の脱水作用により次のように水と炭素が残ります.

\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} \to 11H_2O + 12C}

このように物質から水を無理やり引っこ抜く作用を脱水作用といいます.

溶解熱が非常に大きい

濃硫酸を水で希釈する場合には,濃硫酸に水を加えてはいけません!とても危険です.それは次の2つの理由からです.

  1. 濃硫酸の水への溶解熱が非常に大きい
  2. 水の濃度が濃硫酸の濃度より小さい

「濃硫酸に水を注ぐ希釈」が危険な理由として1はよく知られていますが,2があるためにさらに危険になります.

どうして2が危険なのかというと,水の濃度が濃硫酸の濃度より小さいことによって,濃硫酸に水を加えると水が濃硫酸の表面に浮いてしまうからです.

このことに注意して,濃硫酸に水を加えてはいけない理由を書いてみます.

濃硫酸に水を加えると,水の濃度が濃硫酸の濃度より小さいため濃硫酸に水を加えると水が濃硫酸の表面に浮き,非常に大きい濃硫酸の溶解熱により水が突沸するので,沸騰した水が濃硫酸とともに飛び散り危険だから.

これは非常に重要で,試験で問われることもありますからきっちり理解しておいてください.

濃硫酸に水を加えてはいけないのは分かりました.では,濃硫酸を希釈したいときにはどうするかというと,水に濃硫酸を少しずつ注ぐと良いです.

水を濃硫酸に注ぐ場合は「水が濃硫酸の表面に浮いて飛び散るため危険」でしたが,濃硫酸を水に注ぐ場合は「濃硫酸は水に沈みながら溶けるので飛び散らない」のです.

このことに注意して,濃硫酸を希釈するときに,水に濃硫酸を少しずつ注ぐと危険でなくなる理由を書いてみます.

水に濃硫酸を加えると,水の密度は濃硫酸の密度より小さいため濃硫酸は水に沈みながら溶解するので,非常に大きい溶解熱も多量の水に分散され,突沸させることなく希釈できるから.

こちらも非常に重要なので,理解しておいてください.

熱濃硫酸のみにみられる性質

熱濃硫酸はその名の通り,濃硫酸を加熱したものです.

常温の濃硫酸は「油状」の粘性が強い液体なのに対し,熱濃硫酸は粘性が弱まりサラサラとした液体となります.

酸化作用

熱濃硫酸は強い酸化作用を示します.つまり,熱濃硫酸は酸化剤としてはたらきます.そのときの酸化還元反応として,熱濃硫酸の半反応式

\mathrm{H_2SO_4 + 2H^{+} + 2e^- \to SO_2 + 2H_2O}

があります.

これは硫酸\mathrm{H_2SO_4}に溶けている三酸化硫黄\mathrm{SO_3}が原因で起こります.

「接触法」は最後に「発煙硫酸\mathrm{H_2S_2O_7}に希硫酸を加える」という作業をして濃硫酸が出来上がるのですが,そのときに次の反応が起こっています.

\mathrm{SO_3 + H_2O \to H_2SO_4}

なお,発煙硫酸\mathrm{H_2S_2O_7}は高校範囲では覚える必要はありません.

この反応は発熱反応で,高温にするとルシャトリエの原理から平衡が温度を下げる向き,つまり左に偏って三酸化硫黄\mathrm{SO_3}が溶液中で増加します.

三酸化硫黄\mathrm{SO_3}は強力な酸化剤なので,高温にするとこの三酸化硫黄\mathrm{SO_3}によって熱濃硫酸\mathrm{H_2SO_4}は酸化剤の振る舞いをするというわけです.

まとめ

以上をまとめます.

  1. 希硫酸と濃硫酸にみられる性質
    1. 不揮発性
    2. 酸としての性質が強い
    3. 酸性
  2. 濃硫酸のみにみられる性質
    1. 脱水作用
    2. 吸湿性
    3. 溶解熱が非常に大きい
  3. 熱濃硫酸のみにみられる性質
    1. 酸化作用

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