硫酸
金属と反応させた場合の挙動は、金属の種類のほか、硫酸の濃度と温度に依存する。例えば濃度と温度がいずれも高い熱濃硫酸では、酸化力が高くなる。
反応生成物も変化に富む。一般には、水素 (H2)、硫化水素 (H2S)、硫黄 (S)、二酸化硫黄 (SO2)、金属の硫化物、硫酸塩が生成される。
希硫酸は水素よりイオン化傾向の大きな金属と反応し水素を発生させる。ただし、鉛は表面に不溶性の硫酸鉛を生じ反応が進行しない。スズ、ニッケルなどとの反応も極めて遅い。亜鉛との反応は実験室で手軽に水素ガスを発生させる方法として用いられる。
H 2 SO 4 + Zn ⟶ ZnSO 4 + H 2 {\displaystyle {\ce {H2SO4 + Zn -> ZnSO4 + H2}}}
濃硫酸を加熱したものを熱濃硫酸(ねつのうりゅうさん)という。290°C以上では濃硫酸は水と三酸化硫黄に分解し、三酸化硫黄は酸化力を持ち、これ以下の温度でも平衡混合物として三酸化硫黄が存在する。そのため熱濃硫酸には強い酸化力があり、酸化剤として用いられる。イオン化傾向の小さい銅や銀などとも反応する。また炭素、硫黄などの非金属とも反応する。 例えば熱濃硫酸と銀との化学反応式は以下のようになる。
3 H 2 SO 4 + 2 Ag → Δ 2 AgHSO 4 + SO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {3H2SO4 + 2Ag ->[\Delta] 2AgHSO4 + SO2 + 2H2O}}}
水分子との強い親和力により吸湿性と強い脱水作用があり、有機化合物から水素と酸素を水分子の形で引き抜く。ショ糖に濃硫酸をかけると炭化したり、濃硫酸が皮膚に付くと火傷を起こすのは、この脱水作用と発熱およびプロトン化能力のためである。
硫酸の水和熱は極めて大きく第一水和エンタルピー変化は以下の通りである。
H 2 SO 4 ( l ) + H 2 O ( l ) ↽ − − ⇀ H 2 SO 4 ⋅ H 2 O ( l ) {\displaystyle {\ce {H2SO4(l) + H2O(l) <=> H2SO4 . H2O(l)}}} , Δ H ∘ = − 27.80 k J m o l − 1 {\displaystyle \Delta H^{\circ }=-27.80~\mathrm {kJ~mol} ^{-1}}
また硫酸の溶解エンタルピー変化は以下の通りである。
H 2 SO 4 ( l ) ↽ − − ⇀ H + ( aq ) + HSO 4 − ( aq ) {\displaystyle {\ce {H2SO4(l) <=> H^+ (aq) + HSO4^- (aq)}}} , Δ H ∘ = − 73.35 k J m o l − 1 {\displaystyle \Delta H^{\circ }=-73.35~\mathrm {kJ~mol} ^{-1}}
このため濃硫酸を希釈する場合は、発熱に注意しながら、撹拌しながら水の側に濃硫酸を少しずつゆっくりと加えていかなければならない(塩酸や硝酸など他の強酸類も同様)。
硫酸を水に溶かすと発熱するが、氷と混ぜると多くの水溶性化合物に見られるように、逆に寒剤ともなり得る。
硫酸は製造が安価にできる不揮発性の強酸であるために、種々の硫酸塩が工業製品として製造されている。
硫酸塩は硫酸イオンを含むイオン結晶であり、多くのものは水溶性であるが、アルカリ土類金属塩(CaSO4, SrSO4, BaSO4, RaSO4)、鉛塩(PbSO4)および銀塩(Ag2SO4) は難溶性であり、バリウム塩およびラジウム塩は特に水への溶解度が極めて低い。本来硫酸イオンは無色透明であるが遷移金属イオンを含むものは様々な色を呈する。(記事 硫酸塩も参照のこと)
硫酸亜鉛 (ZnSO4) – 七水和物は皓礬(こうばん)
硫酸アルミニウム (Al2(SO4)3)
硫酸アルミニウムカリウム (AlK(SO4)2·12H2O) – 最も一般的なミョウバン
硫酸アンモニウム ((NH4)2SO4) – 硫安、肥料として用いられる
硫酸カリウム (K2SO4) – 肥料
硫酸カルシウム (CaSO4) – 石膏の主成分
硫酸銀 (Ag2SO4)
硫酸クロムカリウム (CrK(SO4)2·12H2O) – クロムミョウバン
硫酸タリウム (Tl2SO4) – 殺鼠剤の有効成分
硫酸鉄(II) (FeSO4) – 七水和物は緑礬
硫酸鉄(III) (Fe2(SO4)3)
硫酸銅(I) (Cu2SO4)
硫酸銅(II) (CuSO4) – 五水和物は胆礬
硫酸ナトリウム (Na2SO4) – 芒硝(ぼうしょう)
硫酸鉛 (PbSO4) – 鉛蓄電池の電極
硫酸ニッケル (NiSO4)
硫酸バリウム (BaSO4) – 造影剤、用紙の白さを増す用途(写真印画紙のバライタ紙、酸性紙)など。
硫酸マグネシウム (MgSO4) – 瀉利塩(しゃりえん、Epsom salt)
H 2 O + H 2 SO 4 ⟶ H 3 O + + HSO 4 − {\displaystyle {\ce {H2O + H2SO4 -> H3O^+ + HSO4^-}}} , K = 1 m o l k g − 1 {\displaystyle K=1~\mathrm {mol~kg} ^{-1}\,}
H 2 SO 4 + H 2 S 2 O 7 ⟶ H 3 SO 4 + + HS 2 O 7 − {\displaystyle {\ce {H2SO4 + H2S2O7 -> H3SO4^+ + HS2O7^-}}} , K = 7 × 10 − 2 m o l k g − 1 {\displaystyle K=7\times 10^{-2}\mathrm {mol~kg} ^{-1}}
平衡にある純硫酸中の化学種の濃度はH3SO+4(1.13×10 mol kg), HSO−4(1.50×10 mol kg), H3O(8.0×10 mol kg), HS2O+7(4.4×10 mol kg), H2S2O7(3.6×10 mol kg), H2O(1×10 mol kg)であり、分子性の液体としてはかなり高い電気伝導度を示し、25°Cにおける比電気伝導度は1.044×10 Ω cmである。
この電気伝導度の値は純硝酸の3.72×10 Ω cm(25°C)よりは低いものの、フルオロ硫酸の1.085×10 Ω cm(25°C)、純フッ化水素の1.6×10 Ω cm(0°C)、および純水の6.40×10 Ω cm(25°C)よりもはるかに高い。
濃度98%の硫酸の融点は3 °C、比重は1.84 (15 °C) である。204 °C、98.33%の濃度で水と三酸化硫黄の分圧が等しくなるため、不揮発性ではあるが、温度を上げるだけではこれ以上濃度を高めることはできない。
濃度が薄いほど密度が水に近くなり、濃度が高くなるにつれて密度と粘稠性(粘り気)が増す。硫酸の粘度 (Pa s) は多くの液体で見られるように温度の上昇とともに低下し、常温25 °C、1気圧では、23.8×10であるが、50 °Cで11.7×10、100 °Cでは4.1×10となる。しかし、ヒドロキシ基により強い水素結合が生成されるため、粘度は水の数十倍にもなる。
硫酸溶液の濃度と密度の性質を利用して鉛バッテリー液などでは、液比重計を使用して硫酸溶液の濃度を測定している。
純硫酸の25 °Cにおける比誘電率は101であり、イオン解離に有利な溶媒であるといえる。
硫酸を原料(実際には発煙硫酸と塩化水素から製造したクロロスルホン酸を反応に用いる)に合成される直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム(RC6H4SO3Na)および高級アルコールの硫酸モノエステルのナトリウム塩であるラウリル硫酸ナトリウム(CH3(CH2)11OSO3Na)は合成洗剤、シャンプーおよび歯磨き粉などの界面活性剤として用いられる。多数のスルホ基(-SO3H)を有する高分子は陽イオン交換樹脂として、イオン交換膜および水の精製などに用いられる。酸触媒としてはニトロ化合物製造の反応助剤として重要な役割を持つ。
また安価な強酸であることから希硫酸は、デンプンの糖化による水飴の製造、臭素およびヨウ素の製造、紡績、金属の電解精錬用の電解液としても用いられる。鉛蓄電池の電解液としては濃度約33%(d=1.24 g cm)の希硫酸が用いられ、放電に伴い濃度は低下する。
肥料としては硫安、過リン酸石灰の製造原料として大量に消費される。紙を濃硫酸で処理した半透明の薄い紙は硫酸紙と呼ばれ、羊皮紙の代用として用いられる。