塩酸
塩酸(えんさん)とは塩化水素の水溶液であり強酸の一種である。オランダ語Zoutzuur或いはドイツ語Salzsäureの直訳。本来は塩化水素酸と呼ぶべきものだが、歴史的な経緯から酸素を含む酸と同じように、塩酸と呼ばれている。 無色の液体で独特な辛い匂いがする。人間を含むほとんどの動物の消化器系において塩酸は胃酸の成分となっている。塩酸は重要な実験用試薬および工業用化学物質とされている。
10世紀初頭、ペルシャの医師で錬金術師のアル・ラーズィー (865〜925年頃、ラテン語:ラーゼス) は、塩化アンモン石 (塩化アンモニウム) とビトリオール (さまざまな金属の硫酸塩水和物)を用いて実験を行った。混合して蒸留したところ、塩化水素ガスが生成された。そうすることで、アル・ラーズィーは塩酸の発見に非常に近づいたが、彼は実験のガス状生成物を無視し、代わりに残留物に影響を与える可能性のある色の変化に集中したようである。アル・ラーズィーの実験に基づいて、De aluminibus et salibus (『ミョウバンと塩について』、誤ってアル・ラーズィーによるものとされた11世紀または12世紀のアラビア語の文書。クレモナのジェラルドによって12世紀の後半にラテン語に翻訳された。) では、金属のさまざまな塩の加熱について説明されていて、水銀の場合には塩化水銀(II) (昇汞) が生成されることが記載されている。この過程では実際に塩酸が生成され始めるが、すぐに水銀と反応して昇汞が生成される。De aluminibus et salibusが主要な参考書の1つであった13世紀のラテン錬金術師は、昇汞の塩素化特性に魅了され、ビトリオール、ミョウバン、塩の加熱の過程で金属の脱離の際に強鉱酸を直接蒸留することができることをすぐに発見した。鉱酸の発見から生まれた重要な発明の1つには、硝酸と塩酸の1:3の比率の混合物であり、金を溶解できる王水がある。王水は偽ゲーベルによる De inventione veritatis (『真実の発見について』、1300年頃以降)で最初に記載された。ここでは、王水は塩化アンモニウムを硝酸に添加して調製された。しかしながら、塩酸自体の生産 (つまり、すでに硝酸と混合されているのではなく、分離された物質として) は、その後の数世紀ではじめて開発されることとなる、より効率的な冷却装置の使用に依存した。したがって、塩酸の製造法は16世紀後半になって初めて登場し、最も古いものはジャンバッティスタ・デッラ・ポルタ (1535–1615) 著Magia Naturalis (『自然の魔法』) や、アンドレアス・リバヴィウス (1550–1616頃)、ジャン・ベガン (1550–1620)、オズワルド・クロル (1563–1609頃) のような他の同時期の化学者の著作で見られるものである。塩酸などの鉱酸の知識は、ダニエル・セナート (1572–1637) やロバート・ボイル (1627–1691) のような17世紀の化学者にとって非常に重要なものであった。
ヨハン・ルドルフ・グラウバーの方法に従って岩塩から製造されたため、塩酸は歴史的にヨーロッパの錬金術師によってspirits of salt (塩の精) または acidum salis (salt acid、塩の酸) と呼ばれていた。特に他の言語では、Salzsäure、Zoutzuur、Saltsyra、Salfumán、Tuz Ruhu、kwas solny、sósavそしてkyselina solnáのようにこれらに由来する名称が使用し続けられている。英語では、ガス状のHClはmarine acid airと呼ばれていた。muriatic acidという名称は同じ由来であり (muriaticは塩水または塩に関係するを意味するため、muriateは塩化水素を意味する)、この名称は今でも使用されることがある。英語における現在の一般的名称であるhydrochloric acidに相当する語は、1814年にフランスの化学者ジョセフ・ルイ・ゲイ=リュサックによって造られた。
ヨーロッパの産業革命の間に、塩基性物質の需要が増加した。イスーダン (フランス) のニコラ・ルブランによって開発された新しい工業的生産法により、炭酸ナトリウム (ソーダ灰) の安価な大量生産が可能になった。このルブラン法では、硫酸、石灰石、石炭を使用して塩化ナトリウムを炭酸ナトリウムに変換し、副産物として塩化水素が放出される。英国1863年のアルカリ法および他の国での同様の法律が制定されるまで、余分なHClはしばしば大気中に放出されていた。初期の例外としてはボニントン化学工場があり、1830年にHClが捕集され始め、塩化アンモン石 (塩化アンモニウム) の製造に使用されていた。法案の成立後、炭酸ナトリウムの生産者は廃ガスを水中に吸収する義務が生じたため、工業規模で塩酸が生産されることとなった。
20世紀には、ルブラン法が塩酸副産物のないソルベイ法に効果的に置き換えられていった。塩酸はすでに多くの用途で重要な化学物質として完全に定着していたため、商業的関心により他の製造方法が開始され、その一部は現在でも使用されている。2000年以降、塩酸は主に工業用有機化合物の生産で副産物として生成される塩化水素を吸収することによって作られている。
塩酸はヒドロニウムと塩化物イオンの塩である。 そのイオンは陽イオンは実際には他の水分子と結合していることがよくあるもののH3O+ Cl-と書かれる。濃塩酸の赤外分光法、ラマン分光法、X線、および中性子回折を組み合わせた研究により、これらの溶液中のH+(aq)の主要な形態はH5O2+であり、いくつかの方法で、塩化物イオンとともに隣接する水分子に水素結合していることが明らかになった。(この問題についてのより深い議論についてはヒドロニウムを参照すること)
強酸なので、塩化水素のKa (酸解離定数) は大きい。理論的な推定では、塩化水素のpKaは-5.9であることが示唆されている。ただし、塩化水素ガスと塩酸を区別することが重要である。水平化効果により、高濃度で挙動が理想から逸脱する場合を除いて、塩酸 (HCl水溶液) は、水中で利用可能な最強のプロトン供与体であるアクアプロトン (一般にヒドロニウムイオンとして知られる) と同じくらい酸性が強い。NaClなどの塩化物塩をHCl水溶液に添加してもpHへの影響はわずかであり、Cl-が非常に弱い共役塩基であること、HClが完全に解離していることが示される。 HClの希薄溶液は、水和したH+とCl-への完全な解離を想定して予測されたpHに近い値となっている。
沸点、融点、密度、水素イオン指数 (pH) などの塩酸の物理的特性は、水溶液中のHClの濃度またはモル濃度に依存している。それらは、0% HClに近い非常に低濃度の値から40% HClを超える発煙塩酸の値までの範囲で定義されている。
HClとH2Oの2成分の混合物としての塩酸は、HClの濃度が20.2%の時に108.6 °C (227 °F)で一定になる沸騰共沸混合物である。[H3O]Cl (68% HCl)、[H5O2]Cl (51% HCl)、[H7O3]Cl (41% HCl)、[H3O]Cl·5H2O (25% HCl)、そして氷 (0% HCl)の結晶形の間には、塩酸の4つの一定結晶化共晶点がある。氷と[H7O3]Cl結晶化の間には、24.8%の準安定共晶点もある。これらはすべてヒドロニウム塩である。
塩酸は産業的には塩化水素を水に溶解させることで調製されることが多い。塩化水素はさまざまな方法で生成されることがあるため、塩酸の前駆体はいくつか存在する。 塩酸の大規模生産は、ほとんどの場合、水酸化物、水素、塩素を生産するクロルアルカリプロセスなどの工業規模の他の化学物質の生産と統合されている。この時発生する水素と塩素を利用してHClを生成することができる。
塩酸は、最大38% HCl (濃縮グレード) 溶液として生産される。化学的には40%をわずかに超える高濃度にすることは可能だが、蒸発率が非常に高いため、保管と取り扱いには、加圧や冷却などの特別な予防措置が必要である。したがって、大量生産のための工業グレードは30%から35%であり、輸送効率と蒸発による製品損失のバランスが取れるように最適化されている。アメリカ合衆国では、20%から32%の溶液が塩酸として販売されている。アメリカ合衆国の家庭用溶液、主にクリーニングは、通常10%から12%のものを使用するので、使用前に希釈することが強く推奨されている。塩酸が家庭用洗浄用のSpirits of Saltとして販売されている英国では、効力は米国の工業用グレードと同じである。イタリアなど他の国では、家庭用または工業用洗浄用の塩酸がAcido Muriaticoとして販売されており、その濃度は5%から32%の範囲である。
世界中の主要な生産者には、HClガス換算で年間200万メートルトン(2 Mt/年)生産しているダウ・ケミカルがあり、また、ジョージアガルフコーポレーション、東ソー、アクゾノーベル、およびテセンドロがそれぞれ0.5〜1.5 Mt/年生産している。比較すると、HClとして表される世界の総生産量は、20 Mt/年と推定され、その内訳は、直接合成から3 Mt/年、残りは有機合成および同様の合成からの二次生成物である。なお、2016年度日本国内生産量は合成696,835 t, 副生929,311 t、消費量は533,600 tである。
塩酸は、金属の精製など多くの工業プロセスで使用される強い無機酸である。多くの場合、利用方法によって求められる製品の品質が決定される。塩酸ではなく塩化水素は、例えばクロロエチレンおよびジクロロエタン用に有機化学工業でより広く使用されている。
塩酸の最も重要な用途の1つとして、鋼の酸洗浄で、押出成形、圧延、亜鉛めっき、およびその他の技術などの後続の処理の前に、鉄または鋼から錆または酸化鉄の被膜を除去するということが挙げられる。通常18%の濃度の技術品質のHClは、炭素鋼等級の酸洗浄に最も一般的に使用される酸洗浄剤である。
Fe3O4 + Fe + 8 HCl -> 4 FeCl2 + 4 H2O
使用済みの酸は、塩化鉄(II) (塩化第一鉄としても知られている) 溶液として長い間再利用されてきたが、酸洗浄液中の重金属水準が高いため、あまり行われなくなってきている。鉄鋼酸洗い業界は、スプレーロースターや流動床塩化水素再生プロセスなどの塩酸再生プロセスを開発した。これにより、使用済み酸洗浄液からHClを回収できる。 最も一般的な再生プロセスは、次の反応式による熱加水分解プロセスである。
4 FeCl2 + 4 H2O + O2 -> 8 HCl + 2 Fe2O3
使用済みの酸を回収することにより、閉じた酸ループが確立される。再生プロセスで生じる酸化鉄(III)副産物は貴重であり、さまざまな第二次産業で使用されている。
酸洗浄に使用されるのと同様に、塩酸は多くの金属、金属酸化物、金属炭酸塩を溶解するために使用される。 変換は、多くの場合、以下のような簡略化された方程式で表される。
Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2
NiO + 2 HCl -> NiCl2 + H2O
CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + CO2 + H2O
これらの過程は、分析またはさらなる生産のための金属塩化物の生産に使用される。
塩酸は、溶液の酸度 (pH) を調整するために使用できる。
OH^- + HCl -> H2O + Cl^-
純度が要求される業界 (食品、医薬品、飲料水) では、高品質の塩酸を使用して経路の水流のpHを制御している。純度の要求の少ない業界、廃水流の中和やプールのpHの制御などには、技術的な品質の塩酸で十分である。
イオン交換樹脂の再生には高品質の塩酸が使用される。陽イオン交換は、水溶液からNa+やCa2+などのイオンを除去し、脱塩水を生成するために広く使用されている。酸は、樹脂から陽イオンを洗い流すために使用される。Na+はH+に、Ca2+は2 H+に置き換わる。
イオン交換体と純水は、すべての化学産業、飲料水生産、および多くの食品産業で使用されている。
化学における6つの一般的な強無機酸のうち、塩酸は、酸化還元反応の干渉を受ける可能性が最も低い一価の酸である。また、取り扱うのに最も危険性の低い強酸の1つである。 酸度が高いにもかかわらず、反応性がなく、毒性のない塩化物イオンで構成されている。中程度の濃度の塩酸溶液は、保管時に非常に安定しており、長期間にわたってその濃度が保たれる。これらの特性に加えて、純粋な試薬として利用できるため、塩酸は優れた酸性化試薬になる。それに加えて費用があまりかからない。
塩酸は、塩基の量を決定するための滴定をするときによく選択される酸である。より明確な滴定の終点が生じる強酸の滴定剤を用いることによって、より正確な結果を得られる。共沸、または定沸点塩酸 (約20.2%) は、定量分析の主要な標準物質として使用できるが、正確な濃度は、調製時の気圧によって異なる。
塩酸は、皮革加工、家庭用掃除、ビル建設など、小規模な用途に多く使用されている。油井の岩石層に塩酸を注入し、岩石の一部を溶解し、大孔径構造を作成することにより、石油生産を促進することができる。油井の酸性化は、北海の石油生産業界では一般的なプロセスである。
塩酸は、炭酸カルシウムを溶解するために使用されてきた。例としては、やかんの被膜除去や煉瓦のモルタルの洗浄などがある。煉瓦造りの壁で使用する場合、モルタルとの反応は、以下の式のように酸がすべて変換されて塩化カルシウム、二酸化炭素、および水が生成されるまで続く。
CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + CO2 + H2O
塩酸を含む多くの化学反応は、食品、食品成分、および食品添加物の製造に関与している。典型的な製品には、アスパルテーム、フルクトース、クエン酸、リシン、食品増強剤としての加水分解植物性タンパク質、およびゼラチン製造が含まれている。食品等級の (超高純度) 塩酸は、最終製品に必要なときに使用される。
胃酸は胃の主要な分泌物の1つである。その主成分は塩酸で、それによって胃の内容物はpH1から2に酸性化されている。塩化物イオン (Cl−) と水素イオン (H+) は、胃粘膜の壁細胞によって胃底部の胃底領域に別々に分泌され、胃管腔に入る前に小管と呼ばれる分泌ネットワークに分泌される。
胃酸は微生物に対する防壁として働くことで感染を防いだり、食物を消化したりするのに重要である。その低いpHによってタンパク質が変性され、それによってペプシンなどの消化酵素による分解を受けやすくなっている。 低pH環境ではまた、酵素前駆体であるペプシノーゲンが自己切断によって活性酵素であるペプシンに活性化される。粥状液の塩酸塩は胃を出た後、十二指腸で炭酸水素塩によって中和される。
胃自体は、厚い粘液層の分泌と、セクレチンによって誘発される炭酸水素ナトリウムによる緩衝作用によって、強酸から保護されている。これらのメカニズムの欠陥によって、胸やけまたは消化性潰瘍を発症する可能性がある。抗ヒスタミン薬とプロトンポンプ阻害薬などの医薬品は胃での酸の生成を阻害する可能性があり、また制酸薬は過剰に存在する酸を中和するために使用される。
塩酸は強酸であるため、生体組織や多くの物質に対して腐食性があるが、ゴムに対しては腐食性がない。 通常、濃縮溶液を取り扱う場合は、ゴム製の保護手袋と関連する保護具が使用される。
塩酸は、ヘロイン、コカイン、およびメタンフェタミンの生産に使用されているため、1988年の麻薬および向精神薬の違法取引に対する国連条約の下で表IIの前駆体として表記されている。