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付録4　気体の性質

 

►水素

　水素には，軽水素1H(プロチウム)，重水素2H(ジュウテリウムD)，三重水素

3H(トリチウムT)の3つの同位体が存在する。その質量存在比は，

1H：D：T＝1：1.6×10−4：1.0×10−18

である。水素の同位体は，他の元素の同位体に比べて質量比が大きく，1H2とD2の

物理的性質にかなり差がある(下表)。(液体水素を−259.06℃(三重点)で分留すると，

重水素D2が得られる。

1H2とD2の物理的性質

 

H2

D2

比重(空気＝1)

0.0659

−

沸点

−252.7℃

−249.5℃

三重点

71.75hPa

171.6hPa

−259.06℃

−254.4℃

臨界温度

−239.9℃

−232℃

臨界圧

13152hPa

19150hPa

融解熱

117J/(mol･g)

218J/(mol･g)

 

　水素は，H2分子として存在し，室温・常圧で最も軽い物質である。紫外線など

の光エネルギーを与えると解離して，反応性に富む原子状水素になる。

　　　H2＝2H＋436kJ

　水素は，室温では比較的安定な気体で，F2以外とは直接反応しない。光を当て

るとCl2とも反応する。高温にすると，ほとんどの元素と直接反応する。

　水素と酸素との体積比2：1の混合気体を爆鳴気といい，点火すると爆発的に化

合する。この反応は高温(約2700℃)が得られるので，酸水素炎に用いられる。

　　　2H2＋O2＝2H2O＋572kJ

　水素は，非金属性元素とは共有結合で分子性化合物をつくる。電気陰性度が小さ

い金属元素とは水素化物イオンH-となってイオン性化合物をつくる。

　工業的には，水の電解，水性ガスの変性，鉄と水蒸気の反応，また石油類のガス

化，などで製造されている。

 

◆塩素　1774年，スウェーデンの化学者シェーレK.W.Scheeleは，軟マンガン

鉱MnO2·nH2Oに塩酸を作用させて，初めて塩素をつくった。現在では塩化ナト

リウム水溶液の電気分解で製造されている。塩素は天然には単体として存在しな

いが，化合物としてはNa，K，Mg，Caなどの金属化合物として広く多量に存在し，

その種類は非常に多い。海水は塩素の宝庫であるが，岩塩には，NaClの他

に，CaSO４，CaCl2，MgCl2，KClなどを含んでいるものが多い。

　塩素の単体は，融点−100.98℃，沸点−34.6℃で，室温では黄緑色・刺激臭を

もつ重い気体できわめて有毒である。液体は淡黄色，固体は黄白色である。

 

◆塩化水素　天然には火山の噴出ガス中に存在する。また，ヒトの胃液中にも塩

酸として存在する。かなり液化しやすい気体で，臨界温度は51.4℃，臨界圧力は

84100hPaである。湿った空気中で発煙し，水によく溶けて塩酸となる。アンモニア

にあうと塩化アンモニウムの白煙を生じる。

　　市販の塩酸は，およそ37.2％，密度1.19g/cm3の塩化水素水溶液であり，濃度

c〔％〕と密度d〔g/cm3〕との関係は，c＝200(d−1)のようになる。

　　20.24％の塩酸(約6mol/l)は常圧で110℃の沸点を示す。そして，これより

濃度が大きくても小さくても，塩酸の沸点は下がる。この20.24％以上の濃度の塩

酸を濃塩酸と呼んでいる。塩酸は代表的な強酸で，その電離度は約1である。

　　塩化水素の工業的製法では，下図のように，塩素と水素を直接化合させる。

H2＋Cl2→2HCl

　　わが国での塩酸の生産量は約240.85万t (1998年)で，その主な用途は，食料品

(L−グルタミン酸ナトリウム，しょうゆ)の製造や，化学工業，製鉄工業などである。

 

►酸素（沸点−182.96℃，融点−218.4℃）

典型的な非金属元素である。原子の最外殻の電子配置はで，分子をつくる

ときは最外殻の電子数が8個になる安定な化学結合をしており，0＝0で表

される。また，やの電子配置をとる状態も考えられる。これらの電子

配置は02がN2に比べて他の元素と反応しやすいことを説明するのに役立つ。

　酸素は化学的に活発で，ハロゲン，希ガス，白金，金，銀以外の元素を直接酸化

する力をもつ。このとき，一般に発熱し，燃焼，爆発に至ることもある。

　酸素は，主に液体空気の分留で得られ，液体や固体は淡青色である。液体酸素は

常磁性のため，ネオジム磁石(など強い磁石)に引きつけられる。

 

►オゾン（沸点−111.3℃，融点−193℃）

　酸素の同素体で，空気または酸素中の無声放電で製造されている。

　　　3O2＝2O3−286kJ

　気体は淡青色，液体は黒青色，固体は暗紫色で，特有の生臭いにおいをもつ。

酸素は常磁性体であるが，オゾンは反磁性体である。

　オゾンは光，熱などで分解して酸素になり，強い酸化作用を示す。そのため，殺

菌，漂白などに用いられている。

 

►さらし粉

　さらし粉は，消石灰粉末に塩素ガスを通じて製造される。

　　　2Ca(OH)2＋2Cl2＝Ca(ClO)2·CaCl2 · 2H2O＋138kJ

　主成分はCaCl(ClO)· H2Oの複塩で，Ca(OH)2などが不純物として含まれてい

る。カルキ，クロル石灰などともよばれ，有効塩素量35〜37％で漂白剤，殺菌剤，

消毒剤などに用いられている。さらし粉は過去大量に使用されていたが，不安定で

あること，沈殿物が生じやすいことなど不便な点があり，近年はさらし液や高度さ

らし粉に置き換えられている。さらし液は，石灰乳に塩素ガスを通じたもので，液

体として用いられる。高度さらし粉は，濃い石灰乳に塩素ガスを通じ析出する

Ca(ClO)2をろ別したものである。

 

►硫化水素（融点−85.5℃，沸点−60.7℃）

　無色・腐卵臭の悪臭をもつ気体。分子は二等辺三角形で∠H-S-Hは92°。水に

溶けた硫化水素水は弱酸で，電離度は約0.07％である。

　　　H2SH＋+HS−　　　　HS−H＋＋S2−

　硫化水素水を空気中に放置すると，空気中の酸素によって徐々に酸化され，硫黄

を遊離する。これは硫黄よりも酸素のほうが水素と化合しやすいためである。また，

硫化水素水を熱したり，過マンガン酸カリウムや二クロム酸カリウムの酸性溶液

あるいは硝酸などと反応させれば，硫黄を析出する。

　　　3H2S＋8HCl＋K2Cr2O7→2KCl＋2CrCl3＋7H2O＋3S

　これらの変化は，硫化水素に還元作用があるため起こる。このほか，濃硫酸を分

解させたり，ハロゲンと反応したりする性質も，すべて硫化水素の還元作用による。

　　　H2SO4＋H2S→SO2＋2H2O＋S

　　　SO2＋2H2S→2H2O＋3S　　　　Cl2＋H2S→2HCl＋S

 

►二酸化硫黄

気体を亜硫酸ガスという。工業的には硫黄の燃焼，実験室では銅と濃硫酸で加熱

するか亜硫酸水素ナトリウムに強酸を加えて発生させる。無色で刺激臭の気体(融

点−75.5℃，沸点−10℃)。溶解度10.5g/水100g(20℃)。水溶液中には亜硫酸を含

み，還元性を示し，漂白に用いられる。

 

►窒素（融点−209.86℃，沸点−195.8℃)

　窒素N2は空気中に多量に含まれ，安定である。酸素など他の元素との親和力は

小さい。一方，アンモニウム塩や硝酸塩あるいは尿素など重要で多量に消費される

窒素化合物があるので，古くから「空中窒素の固定」は重要な課題であった。地殻

中にはチリ硝石NaNO3，硝石KNO3など硝酸塩の形で存在している。

　硝酸塩は，化学的に活発であり，たとえば，黒色火薬は次式のように爆発する。

　　　3C＋S＋2KNO3→K2S＋3CO2＋N2

　近年，大気汚染あるいは光化学的大気汚染が問題になっているが，これは，エン

ジンの排ガス中の窒素酸化物，あるいはそれが光エネルギーを受けて生じるオキシ

ダントが原因となっている。

 

►窒素酸化物

　窒素の酸化物には，一酸化二窒素N2O，一酸化窒素NO，三酸化二窒素N2O3，二

酸化窒素NO2(低温・液体では二量体の四酸化二窒素N2O4)，五酸化二窒素N2O5な

どが知られている。

　N2Oは麻酔性があり，これを吸入すると笑いの表情を起こすので笑気ともよぶ。

室温では安定である。300℃以上でN2とO2に分解し始め，酸化剤となる。

　NOは空気中で酸化されやすく，NO2になる。高温では分解してN2，N2O，O2を

生じる。

　N2O3は分解しやすく，気体ではNOとNO2の平衡混合物になると考えられる。

水溶液では亜硝酸となり青色となるが，さらに分解して硝酸とNOを生じる。

　NO2は空気中では比較的安定であるが，高温ではNOとO2に分解する。水に溶

けると，亜硝酸と硝酸を生じる。酸化剤となる。

　N2O5は室温でもNO2とO2にゆっくり分解する。水に溶けると硝酸になる。固

体中では，NO2＋，NO3−になっている。強い酸化剤になる。

 

窒素酸化物の性質

酸化物

N2O

NO

N2O3

NO2  (N2O4)

N2O5

融点〔℃〕

−90.8

−163.6

−102

−9.3

30

沸点〔℃〕

−88.5

−151.8

3.5分解

21.3

分解45〜50

色

無

無(気)

赤褐(気)

赤褐(気)

無

 

 

青(液，固)

青(液，固)

黄(液)，無(固)

 

水溶性

微溶

不溶

溶，分解

溶，分解

溶，分解

生成熱

−82.05(気)

−90.25(気)

−83.72(気)

−33.18(NO2気)

−11.3(気)