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.

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,これらは異なる性質をもちます.

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.

この記事では硫酸の性質として,

  • 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(酸度)が強い
    3. 酸性
  • 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
  • 熱濃硫酸のみにみられる性質
    1. 酸化作用

の7つを説明しています.

なお,「濃硫酸」の製法である「接触法」については以下の記事で解説しています.

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$\mrm{H_2SO_4}$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ますね.

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いい,たとえば塩酸は常温で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,揮発性を持たない性質を不揮発性といい,硫酸を放置しても水に溶けている硫酸が空気中へ逃げていくことはありません.そのため,硫酸は不揮発性です.

ただし,硫酸は揮発しないものの溶媒である水はどんどん蒸発していくという点には注意してください.

このため,たとえ初めは硫酸の濃度が薄かったとしても,空気中に放置していると次第に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.

例えば,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.

また,車のバッテリーである鉛蓄電池のバッテリー液は硫酸です.そのため,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ことも起こります.

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(酸度)が強い

酸としての性質(酸度)とは相手に水素イオン$\mrm{H^+}$を与えようとする強さのことで,濃硫酸も希硫酸も(濃度に関係なく)酸としての性質は非常に強いです.

つまり,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!」と水素イオンを力強く押し付けます.これが酸度が高いの意味です.

例えば,塩化水素$\mrm{HCl}$の実験室的製法として,

\begin{align*} \mrm{NaCl + H_2SO_4 \to NaHSO_4 + HCl} \end{align*}

があります.この反応が起こるのは

  • 硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の酸度
  • 塩酸$\mrm{HCl}$の酸度

を比較して,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の酸度の方が強いことが理由です.

実は塩酸$\mrm{HCl}$の酸度も強いことが知られています.しかし,それ以上に「硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の酸度」は強いわけですね.

このように「硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の酸度が非常に強い」ことも硫酸の重要な性質です.

酸性

水溶液は酸性,中性,塩基性の3種類におおまかに分類できるのでした.

定義はいくつかありますが,次の定義が基本的で分かりやすいですね.

水溶液中の水素イオンのモル濃度$[\mrm{H^+}]$と,水酸化物イオンのモル濃度$[\mrm{OH^-}]$を比較して

  • $[\mrm{H^+}]>[\mrm{OH^-}]$なら酸性
  • $[\mrm{H^+}]=[\mrm{OH^-}]$なら中性
  • $[\mrm{H^+}]<[\mrm{OH^-}]$なら塩基性

という.

要するに,水溶液中の水素イオン$\mrm{H^+}$の方が多ければ酸性,水酸化物イオン$\mrm{OH^-}$の方が多ければ塩基性というわけですね.

ここでの酸性と,先ほど説明した「水素イオン$\mrm{H^+}$を与えようとする力の強さ」である酸としての性質(酸度)は別の概念です.

高校化学においては,$[\mrm{H^+}]$が大きければ強酸,小さければ弱酸といい,強酸と弱酸は電離度の違いで区別されます.

つまり,強酸と弱酸の違いは

  • 溶質がほとんど電離すれば強酸
  • 溶質があまり電離しなければ弱酸

というわけですね.

さて,直感的には先ほど説明した「酸としての性質(酸度)」が強ければ,電離度も高く「強酸」になりそうに思えますが,実は濃硫酸は酸度は強いものの強酸ではありません.

たとえば,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の電離は

\begin{align*} \mrm{H_2SO_4 \to H^+ + HSO_4^-} \end{align*}

と表されることが多いですが,正確には水素は単体でいるのではなく水$\mrm{H_2O}$に水素イオン$\mrm{H^+}$を渡しています.つまり,

\begin{align*} \mrm{H_2SO_4 + H_2O \to H_3O^+ + HSO_4^-} \end{align*}

と表すのが正確です.つまり,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$が電離する際にも「水$\mrm{H_2O}$に水素イオン$\mrm{H^+}$を受け取ってもらい,ヒドロニウムイオン$\mrm{H_3O^+}$になってもらうこと」が必要になります.

よって,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$が電離するには,水$\mrm{H_2O}$の存在が不可欠なのですが,濃硫酸の最大濃度は98%と非常に濃く水素イオン$\mrm{H^+}$を受け取ってくれる水$\mrm{H_2O}$が少ないため電離度が低く弱酸となるわけです.

濃硫酸98%は例えば水$2[\mrm{g}]$に硫酸$98[\mrm{g}]$が溶けているので,非常に濃いことが分かりますね.

一方,希硫酸は濃硫酸とは違って水素イオン$\mrm{H^+}$を受け取ってくれる水$\mrm{H_2O}$が多量にあるため,文句なく強酸です.

濃硫酸のみにみられる性質

次に濃硫酸にのみみられる性質を説明します.

吸湿性

空気中の水蒸気を吸収する性質を吸湿性といいます.

先ほど説明したように濃硫酸の最大質量パーセント濃度は98%と非常に高く,このことから非常に水を欲する状態にあるため,濃硫酸は空気中の水蒸気を吸収します.つまり,濃硫酸は吸湿性をもちます.

このことから,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くわけですが,この濃硫酸の性質を利用した乾燥器具にデシケーターというものがあります.

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乾燥するという仕組みです.

ビュレット,ホールピペット,メスフラスコなど,精密な計量が可能な器具は加熱すると大きさが変わってしまうために加熱乾燥できません.デシケーターはこのような加熱乾燥できない器具に有効な乾燥器具です.

脱水作用

濃硫酸は物質から水を奪う性質を脱水作用を持ちますが,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性質でしたが,脱水作用は化合物から無理矢理$\mrm{H_2O}$を引っこ抜き,別の物質に変えてしまう性質です.

そのため,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(ショ糖)$\mrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$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$\mrm{H_2O}$と炭素$\mrm{C}$が残ります.

\begin{align*} \mrm{C_{12}H_{22}O_{11} \to 11H_2O + 12C} \end{align*}

このようにショ糖に濃硫酸をかけると本当に糖が真っ黒な灰になります.

吸湿性と脱水作用は似て非なる性質ですから,区別して理解してください.

溶解熱が非常に大きい

まずは次の問題を考えましょう.

濃硫酸を水で希釈する際,濃硫酸に水を加えると危険な理由を答えよ.

この問題に答えるために重要な事実は次の2つです.

  • [事実1] 濃硫酸の水への溶解熱が非常に大きい
  • [事実2] 水の密度が濃硫酸の密度より小さい

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

どうして[事実2]が危険なのかというと,水の濃度が濃硫酸の密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.

このことに注意すると,上の問題の答えは次のようになりますね.

水の濃度が濃硫酸の密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.

このため,沸騰した水が濃硫酸とともに飛び散り危険だから.

では,濃硫酸を希釈したいときの正しい方法は「水に濃硫酸を少しずつ注ぐ」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.

このことに注意すれば,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は「水の密度は濃硫酸の密度より小さいため,水に濃硫酸を加えると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.」と説明できますね.

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.

そのときの熱濃硫酸の半反応式は

\begin{align*} \mrm{H_2SO_4 + 2H^+ + 2e^- \to SO_2 + 2H_2O} \end{align*}

となります.

この熱濃硫酸の酸化還元反応は,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$に溶けている三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$が原因で起こります.

濃硫酸の製法である「接触法」は最後に「発煙硫酸$\mrm{H_2S_2O_7}$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.

\begin{align*} \mrm{SO_3 + H_2O \to H_2SO_4} \end{align*}

発煙硫酸$\mrm{H_2S_2O_7}$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$\mrm{SO_3}$が溶液中で増加します.

発煙硫酸$\mrm{H_2S_2O_7}$には三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$が多く溶けており,これが揮発することで白い蒸気が出るので「発煙」と表現しているわけですね.

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

最後までありがとうございました!

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コメント

  1. 匿名 より:

    熱濃硫酸$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$の半反応式の左辺の水素イオン$\mathrm{H^{+}}$はどこからきたのですか?
    高校の範囲では一般的に硫酸$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$によって水素イオン$\mathrm{H^{+}}$をつくる(酸性にする)と思うのですが、そう考えると、この式での水素イオン$\mathrm{H^{+}}$についてよくわかりませんでした。宜しければ解説よろしくお願いします‍

    • 山本 拓人 より:

      ご質問をありがとうございます.
       
      まず,ご質問から,電離の話と半反応式の話を少し混乱して理解されているようにお見受けします.
      「硫酸$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$が電離して水素イオン$\mathrm{H^{+}}$ができる」ことは正しいですが,この電離と半反応式は別の話です.
       
      「電離」とは,$\mathrm{H_{2}SO_{4}}\to\mathrm{HSO_{4}^{-}}+\mathrm{H^{+}}$のように「イオンに分かれる現象のこと」であり,化学反応は起こっていません.
      一方,「半反応式」は複数の物質が化学反応する際に起こる変化について,1つのの物質に注目して表したいわば「半分だけの化学反応式」で,例えば化学反応式$\mathrm{2Na+Cl_{2}\to2NaCl}$について,ナトリウム$\mathrm{Na}$だけに注目すると半反応式$\mathrm{Na\to Na^{+}+e^{-}}$が,塩素$\mathrm{Cl_2}$だけに注目すると半反応式$\mathrm{Cl_2\to 2Cl^{-}+2e^{-}}$が起こっています.
       
      さて,もう1つ前提知識として,水溶液中には必ず水素イオン$\mathrm{H^{+}}$と水酸化物イオン$\mathrm{OH^{-}}$が存在しているのでした.
      水溶液中の水素イオン$\mathrm{H^{+}}$と水酸化物イオン$\mathrm{OH^{-}}$のモル濃度の積$[\mathrm{H^{+}}][\mathrm{OH^{-}}]$のことを「水のイオン積」といい,これは各温度で一定です(とくに25℃で$10^{-14}$となるのでした).
      熱濃硫酸$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$は酸性ですから,水溶液中には水酸化物イオン$\mathrm{OH^{-}}$より水素イオン$\mathrm{H^{+}}$の方が多く存在することになります.
       
      以上から,まとめて質問にお答えすると,
      ・熱濃硫酸の半反応式の左辺の水素イオン$\mathrm{H^{+}}$は,水溶液中に存在しているものです.
      ・熱濃硫酸は硫酸単体ではなく水溶液です.そのため,熱濃硫酸の半反応式の左辺に水素イオン$\mathrm{H^{+}}$があります.
      ということになります.
       
      なお,酸性条件,中性・塩基性条件についての以下の私の記事が少し参考になるかと思います.
      酸化還元反応3|酸性条件,中性・塩基性条件

  2. こんにちは より:

    $\mrm{NaCl}$と$\mrm{H_2SO_4}$の反応は、酸性の強弱では無く揮発性の差によって起こる揮発性酸遊離だと思うのですが

    • 山本 拓人 より:

      コメントをありがとうございます.
       
      塩化水素$\mrm{HCl}$の実験室的製法の$\mrm{NaCl+H_2SO_4\to NaHSO_4+HCl}$は揮発性酸遊離反応で,濃硫酸$\mrm{H_2SO_4}$が塩化ナトリウム$\mrm{NaCl}$にガンガン水素イオン$\mrm{H^+}$をぶつけることで起こります.
      ですから,ご指摘のように,この反応に強酸,弱酸は関係ありません.
      この「水素イオン$\mrm{H^+}$をガンガンぶつける性質」のことを,記事では「酸としての性質」と書いており,強酸,弱酸の意味での「酸性」とは別の話で書いています.
       
      もう少し詳しく説明します.
      この「酸としての性質」は,塩酸$\mrm{HCl}$よりも濃硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の方が強いです.
      ですから,塩化ナトリウム$\mrm{NaCl}$の塩化物イオン$\mrm{Cl^-}$はやむなく水素イオン$\mrm{H^+}$を受け取って塩酸$\mrm{HCl}$が遊離し,濃硫酸$\mrm{H_2SO_4}$は塩化ナトリウム$\mrm{NaCl}$に水素イオン$\mrm{H^+}$を押し付けることに成功し硫酸ナトリウム$\mrm{NaHSO_4}$になる,というわけですね.

  3. 僕もピアノが趣味です より:

    熱濃硫酸の酸化作用は「硫酸$\mrm{H_2SO_4}$に溶けている三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$が原因」で、「高温にするとルシャトリエの原理から~三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$が溶液中で増加」とのことですが、半反応式の右辺では$\mrm{SO_2+2H_2O}$となっています。
    また、手元の参考書には「濃硫酸を高温に熱すると、$\mrm{S}$原子が電子を取り入れて酸化数の低い$\mrm{SO_2}$に変化する傾向があり、酸化作用を示す」と書いてあります。
    さらに、この資料にも「濃硫酸は自身が還元されて$\mrm{SO_2}$になる酸化力を持っている」とあります。

    ここでの$\mrm{SO_3}$と$\mrm{SO_2}$はどのような関係ですか?
    また、なぜ$\mrm{SO_3}$は含まれているのではなく「溶けている」と表現したのでしょうか?

    • 山本 拓人 より:

      ご質問をありがとうございます.
      二酸化硫黄$\mrm{SO_3}$と三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$の関係性については,接触法で考えるように二酸化硫黄$\mrm{SO_2}$を酸化させることで三酸化硫黄$\mrm{SO_2}$となります.
      逆に,三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$を還元させることで,二酸化硫黄$\mrm{SO_2}$となり得ます.
      さらに,(三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$はごく微量ですが,)発熱反応$\mrm{SO_3 + H_2O \to H_2SO_4}$は平衡状態になっています(三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$と硫酸$\mrm{H_2SO_4}$の酸化数は同じです).
      これらのことから,$\mrm{H_2SO_4}$→$\mrm{SO_3}$→$\mrm{SO_2}$と,硫酸$\mrm{H_2SO_4}$が還元されて二酸化硫黄$\mrm{SO_2}$となります.
      ですので,提示された参考書や資料については,「(間に三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$が挟まれているものの,まとめた反応として)還元されて二酸化硫黄$\mrm{SO_2}$になる」ということかと思います.
      ただ,仰るように,普通は三酸化硫黄$\mrm{SO_3}$を介することなく単に「$\mrm{H_2SO_4}$→$\mrm{SO_2}$」と説明するので,あまり神経質になることはないかもしれません.

      また,「三酸化硫黄$\mathrm{SO_3}$が硫酸$\mathrm{H_2SO_4}$に含まれている」という表現,「溶けている」という表現に大きな差異はないと考えます.
      敢えてニュアンスの違いを考えるならば

      • 「含まれる」→「(その中に)存在している」
      • 「溶けている(溶解している)」→「溶媒中に一様に存在している」

      というところかと思いますが,ここでは本質的な問題ではないと思います.

  4. 冨 鉄治 より:

    初歩的な疑問で申し訳ないのですが、強酸は一般に電離度が高いので$\ce{H+}$を与えるはず。しかし濃硝酸や濃硫酸は酸化剤であり、電子を奪う(⇔$\ce{H}$を奪う⇔$\ce{O}$を与える)性質を持つはず。ここが良くわかりません。
    また$\ce{H}$を放つとどういう経緯で最終的な酸化還元の定義である$\ce{e-}$を放つことになるのでしょうか。
    $\ce{O}$を受け取ると受け取った物質がその共有電子対が$\ce{O}$に引っ張られ結果$\ce{O}$が$\ce{O^{2-}}$になりその受け取った物質は酸化数が増え酸化されたことになるというのは納得できたのですが$\ce{H}$に関してはよくわからないのでお返事お願いいたします。

    • 山本 拓人 より:

      ご質問をありがとうございます.
      また,お返事を失念しており,遅くなりました.申し訳ありません.

      まず,水素$\ce{H}$を放出することと,電子$\ce{e-}$を放出することの関係について説明します.
      ご存知のように,酸素$\ce{O2}$に関する半反応式は

      *** QuickLaTeX cannot compile formula:
      \begin{align*}
      \ce{O2 + 4e- -> 2O^{2-}}
      \end{align*}
      
      *** Error message:
      Undefined control sequence \ce.
      leading text: \end{align*}
      
      

      なので,相手から電子$\ce{e-}$を奪って,酸素$\ce{O2}$と結合することになります.このことから,「電子$\ce{e-}$を奪う」=「酸化させる」となります.
      一方,水素$\ce{H2}$に関して,相手から電子$\ce{e-}$を奪おうとすると,半反応式は

      *** QuickLaTeX cannot compile formula:
      \begin{align*}
      \ce{2H+ + 2e- -> H2}
      \end{align*}
      
      *** Error message:
      Undefined control sequence \ce.
      leading text: \end{align*}
      
      

      となり,相手から水素$\ce{H+}$を奪っていますね.このように,水素$\ce{H+}$を奪うことと,電子$\ce{e-}$を奪うことは同時に起こることになります.

      次に,強酸と酸化剤の関係について説明します.
      お分かりのように,水素イオン$\ce{H+}$を電離によって放出するものを酸といい,その電離度が高いものを強酸といいます.ここで大切なことは,あくまでイオン$\ce{H+}$を放出するだけであり,電子$\ce{e-}$に動きはないという点です.
      電子$\ce{e-}$の移動がなければ,酸化数の変化はなく酸化還元反応とは言いませんから,$\ce{H+}$を放っても酸化還元反応ではありません.実際,例えば濃硝酸$\ce{HNO3}$の電離

      *** QuickLaTeX cannot compile formula:
      \begin{align*}
      \ce{HNO3 -> H+ + NO3^-}
      \end{align*}
      
      *** Error message:
      Undefined control sequence \ce.
      leading text: \end{align*}
      
      

      を考えても,窒素$\ce{N}$の酸化数は変わっていませんね.一方の濃硝酸$\ce{HNO3}$の半反応式は

      *** QuickLaTeX cannot compile formula:
      \begin{align*}
      \ce{HNO3 + H+ + e- -> NO2 + H2O}
      \end{align*}
      
      *** Error message:
      Undefined control sequence \ce.
      leading text: \end{align*}
      
      

      のように,電子の移動があるので,窒素$\ce{N}$の酸化数は変化していますね.

  5. ななし より:

    硫酸$\ce{H2SO4}$の電離を

    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    \begin{align*}
    \ce{H2SO4 -> H+ + HSO4^{-}}
    \end{align*}
    
    *** Error message:
    Undefined control sequence \ce.
    leading text: \end{align*}
    
    

    と書かれていましたが、多段階の電離を行なって

    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    \begin{align*}
    \ce{H2SO4 -> 2H+ + SO4^{2-}}
    \end{align*}
    
    *** Error message:
    Undefined control sequence \ce.
    leading text: \end{align*}
    
    

    とはならないのですか?

    • 山本 拓人 より:

      ご質問をありがとうございます!
      回答が遅くなりました.

      多段階電離は「1段階目が完全に終わってから2段階目が起こる」というように,基本的に同時に複数の段階の電離は起こりません.
      そのため,まず起こる電離は$\ce{H2SO4 -> H+ + HSO4^{-}}$です.
      記事の中ではどれだけ電離するかという話をしているので,2段階目の電離には触れていない(触れる必要がない)ので無視しているというわけです.