塩素

原子番号17の元素

塩素(えんそ、: chlorine)は原子番号17の元素元素記号Cl原子量は35.45。ハロゲン元素のひとつ。

硫黄 塩素 アルゴン
F

Cl

Br
Element 1: 水素 (H),
Element 2: ヘリウム (He),
Element 3: リチウム (Li),
Element 4: ベリリウム (Be),
Element 5: ホウ素 (B),
Element 6: 炭素 (C),
Element 7: 窒素 (N),
Element 8: 酸素 (O),
Element 9: フッ素 (F),
Element 10: ネオン (Ne),
Element 11: ナトリウム (Na),
Element 12: マグネシウム (Mg),
Element 13: アルミニウム (Al),
Element 14: ケイ素 (Si),
Element 15: リン (P),
Element 16: 硫黄 (S),
Element 17: 塩素 (Cl),
Element 18: アルゴン (Ar),
Element 19: カリウム (K),
Element 20: カルシウム (Ca),
Element 21: スカンジウム (Sc),
Element 22: チタン (Ti),
Element 23: バナジウム (V),
Element 24: クロム (Cr),
Element 25: マンガン (Mn),
Element 26: 鉄 (Fe),
Element 27: コバルト (Co),
Element 28: ニッケル (Ni),
Element 29: 銅 (Cu),
Element 30: 亜鉛 (Zn),
Element 31: ガリウム (Ga),
Element 32: ゲルマニウム (Ge),
Element 33: ヒ素 (As),
Element 34: セレン (Se),
Element 35: 臭素 (Br),
Element 36: クリプトン (Kr),
Element 37: ルビジウム (Rb),
Element 38: ストロンチウム (Sr),
Element 39: イットリウム (Y),
Element 40: ジルコニウム (Zr),
Element 41: ニオブ (Nb),
Element 42: モリブデン (Mo),
Element 43: テクネチウム (Tc),
Element 44: ルテニウム (Ru),
Element 45: ロジウム (Rh),
Element 46: パラジウム (Pd),
Element 47: 銀 (Ag),
Element 48: カドミウム (Cd),
Element 49: インジウム (In),
Element 50: スズ (Sn),
Element 51: アンチモン (Sb),
Element 52: テルル (Te),
Element 53: ヨウ素 (I),
Element 54: キセノン (Xe),
Element 55: セシウム (Cs),
Element 56: バリウム (Ba),
Element 57: ランタン (La),
Element 58: セリウム (Ce),
Element 59: プラセオジム (Pr),
Element 60: ネオジム (Nd),
Element 61: プロメチウム (Pm),
Element 62: サマリウム (Sm),
Element 63: ユウロピウム (Eu),
Element 64: ガドリニウム (Gd),
Element 65: テルビウム (Tb),
Element 66: ジスプロシウム (Dy),
Element 67: ホルミウム (Ho),
Element 68: エルビウム (Er),
Element 69: ツリウム (Tm),
Element 70: イッテルビウム (Yb),
Element 71: ルテチウム (Lu),
Element 72: ハフニウム (Hf),
Element 73: タンタル (Ta),
Element 74: タングステン (W),
Element 75: レニウム (Re),
Element 76: オスミウム (Os),
Element 77: イリジウム (Ir),
Element 78: 白金 (Pt),
Element 79: 金 (Au),
Element 80: 水銀 (Hg),
Element 81: タリウム (Tl),
Element 82: 鉛 (Pb),
Element 83: ビスマス (Bi),
Element 84: ポロニウム (Po),
Element 85: アスタチン (At),
Element 86: ラドン (Rn),
Element 87: フランシウム (Fr),
Element 88: ラジウム (Ra),
Element 89: アクチニウム (Ac),
Element 90: トリウム (Th),
Element 91: プロトアクチニウム (Pa),
Element 92: ウラン (U),
Element 93: ネプツニウム (Np),
Element 94: プルトニウム (Pu),
Element 95: アメリシウム (Am),
Element 96: キュリウム (Cm),
Element 97: バークリウム (Bk),
Element 98: カリホルニウム (Cf),
Element 99: アインスタイニウム (Es),
Element 100: フェルミウム (Fm),
Element 101: メンデレビウム (Md),
Element 102: ノーベリウム (No),
Element 103: ローレンシウム (Lr),
Element 104: ラザホージウム (Rf),
Element 105: ドブニウム (Db),
Element 106: シーボーギウム (Sg),
Element 107: ボーリウム (Bh),
Element 108: ハッシウム (Hs),
Element 109: マイトネリウム (Mt),
Element 110: ダームスタチウム (Ds),
Element 111: レントゲニウム (Rg),
Element 112: コペルニシウム (Cn),
Element 113: ニホニウム (Nh),
Element 114: フレロビウム (Fl),
Element 115: モスコビウム (Mc),
Element 116: リバモリウム (Lv),
Element 117: テネシン (Ts),
Element 118: オガネソン (Og),
Chlorine has a orthorhombic crystal structure
17Cl
外見
黄緑色気体
Chlorine ampoule.jpg
一般特性
名称, 記号, 番号 塩素, Cl, 17
分類 ハロゲン
, 周期, ブロック 17, 3, p
原子量 35.453(2) 
電子配置 [Ne] 3s2 3p5
電子殻 2, 8, 7(画像
物理特性
気体
密度 (0 °C, 101.325 kPa)
3.2 g/L
融点 171.6 K, -101.5 °C, -150.7 °F
沸点 239.11 K, -34.04 °C, -29.27 °F
臨界点 416.9 K, 7.991 MPa
融解熱 (Cl2) 6.406 kJ/mol
蒸発熱 (Cl2) 20.41 kJ/mol
熱容量 (25 °C) (Cl2) 33.949 J/(mol·K)
蒸気圧
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温度 (K) 128 139 153 170 197 239
原子特性
酸化数 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, -1(強酸性酸化物
電気陰性度 3.16(ポーリングの値)
イオン化エネルギー 第1: 1251.2 kJ/mol
第2: 2298 kJ/mol
第3: 3822 kJ/mol
共有結合半径 102±4 pm
ファンデルワールス半径 175 pm
その他
結晶構造 斜方晶系
磁性 反磁性[1]
電気抵抗率 (20 °C) > 10Ω·m
熱伝導率 (300 K) 8.9×10-3 W/(m·K)
音の伝わる速さ (気体、0 °C)206 m/s
CAS登録番号 7782-50-5
主な同位体
詳細は塩素の同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
35Cl 75.77 % 中性子18個で安定
36Cl trace 3.01×105 y β- 0.709 36Ar
ε - 36S
37Cl 24.23 % 中性子20個で安定
塩素の構造式

一般に「塩素」という場合は、塩素の単体である塩素分子(Cl2、二塩素、塩素ガス)を示すことが多い。ここでも合わせて述べる。塩素分子は常温常圧では特有の臭いを持つ黄緑色の気体で、腐食性と強い毒を持つ。

名称編集

1774年スウェーデンカール・ヴィルヘルム・シェーレが「脱フロギストン海塩酸気」と命名。

1810年ハンフリー・デービーが、気体が黄緑色である点から、ギリシャ語で「黄緑色」を意味するχλωρος (Chloros)を取ってchlorineと命名した。日本語に直訳すれば緑気(りょっき)である。

日本語の「塩素」(鹽素)は江戸時代後期に宇田川榕菴が著書「遠西医方名物考補遺」で用いたのが最初である[2]。オランダ語 zoutstof の訳語であり、食塩の主成分である点による命名である。

性質編集

塩素原子の電子親和力は非常に大きく、通常イオン化する際は1価の陰イオンとなる(EA=3.617eV[3])。

単体(塩素ガス)は、常温常圧では特有の臭いを有する黄緑色の気体分子量70.90。融点-101℃、沸点-34.1℃、比重2.49。非常に反応性が高く、多くの金属や有機物と反応し塩化物を形成する。

強い漂白殺菌作用を持つため、パルプや衣類の漂白剤や、水道水プールの殺菌剤として使用される。ただし、気体を扱うのは困難であり、また保存性の点から水酸化ナトリウム (NaOH)水溶液と反応させた次亜塩素酸ナトリウムの形で利用されることが多い[4]

地球上の塩素の存在編集

地球上において、92ある天然元素のうち18番目に多く存在し、鉱物やイオン、気体などとしてマントルに99.6パーセント、地殻に0.3パーセント、海水に0.1パーセントが保有されている[5]

  • マントル - アルステア・キャメロンによる隕石の分析で、ケイ素10,000原子に対し塩素190原子が含まれていると考えられていることから、地球の質量約6,000Ygに対し22Yg (22×1024g)の塩素が存在すると推測される。
  • 地殻 - 塩素が地殻の総重量の0.19パーセントを占めると考えられていることから、約60Zg(60×1021g)の塩素が地殻に存在すると推測される。火山噴火により毎年0.4 - 11Tg(0.4 - 11×1012g)の塩素がおもに塩化水素の形で対流圏に放出され、その大部分が地表や海洋に降下する。
  • 海水 - 約1.36×108km3の海水の総量のうち、平均塩素濃度19.354g/kgであることから、26Zgがおもに塩化ナトリウム (NaCl)として存在すると推測される。海面上で生じるにより、年間6 - 18Pg(6-18×1015g)が大気中に放出される。大部分が海洋に戻るが、一部は揮発性塩素となる。
  • 河川水湖水 - 河川・湖の水の総量は約1×105km3であり、河川水には約5.8mg/L含まれていることから、河川・湖水総量に対し580Tgが含まれていると推測される。
  • 地下水 - 帯水層および土壌中の地下水は地球の水量のおよそ8パーセントであり、標準的塩素濃度が40mg/Lであることから、地下水中の塩素含有総量は320Pgと推測される。
  • 雪氷圏 - 極地や大陸の氷原には、0.5Gg(0.5×109g)の塩素が存在すると推測される。
  • 対流圏 - 大気中では主に塩化水素クロロメタンの状態で存在し、塩化水素は地表近くでは100 - 300pptv(1pptvは1兆分の1 (10-12))、都市部の高濃度域では3,000pptvが測定される。クロロメタンや、より高層の塩化水素、海水からのエアロゾルなどを含めると、5.3Tgが存在していると推測される。対流圏から成層圏へは年間約0.03Tgが放出され、成層圏から対流圏へもほぼ同量が移動する。
  • 成層圏 - 成層圏には約3pptvの塩素が含まれ、約0.4Tgの塩素が存在すると推測される。

生産編集

現在では一般的に、塩化ナトリウム水溶液からイオン交換と電気分解とを併用するイオン交換膜法によって、水酸化ナトリウムとともに生産される[6]。塩素ガスの2016年度日本国内生産量は343万9,341トン、消費量は296万9,305トン、液体塩素の2016年度日本国内生産量は47万3,016トン、消費量は30万909トンである[7]高圧ガス保安法に基づく容器保安規則により、黄色ボンベに保管するように決められている[8]。また液化塩素専用タンク車タキ5450形も塗装は黄色である。

塩酸クロロホルムなど各種塩化物の原料、ポリ塩化ビニルポリ塩化ビニリデンなどの合成樹脂原料として多方面で使用されるほか、合成中間体としてシリコーンポリウレタン、各種ポリマーなど塩素を含まない製品の製造にも用いられる[9]

人体・環境への影響編集

消毒編集

塩素は水道水消毒に使用されており、水道法の規定で、各家庭の蛇口で1リットルあたり0.1mg以上 (=3*10-5 mol/l)の濃度を保つように規定されている。一方、有機物と塩素が反応することにより、塩素臭(カルキ臭)が発生するほか[10]発癌性が疑われるトリハロメタンを生成するといわれ、同様に塩素で汚水処理を行うと水路に塩素化有機物が流れ出てしまうのではないかという懸念の声もある。日本の水道基準値はWHOよりも厳しく、発がん性を問題視する必要はない。コレラなどの病気がほとんどの国で駆逐されたのは、塩素を含んだ水道水のおかげでもある。近年は水道水の高度処理が進み、塩素臭は以前に比べて弱まっている[10]

単体の毒性編集

塩素は強い毒性を持つため、人類初の本格的な化学兵器としても使われた。第一次世界大戦中の1915年4月22日イープル戦線でのことである。このときにドイツ軍の化学兵器部隊の司令官を務めていたのは、後年(1918年ノーベル化学賞を受賞するフリッツ・ハーバーである。また塩素ガスは、色がついて重いためすぐにばれたり、周りへの被害が少ない。支給されたマスクは中和液を含ませたガーゼマスクだった。

塩素を吸引するとまず呼吸器に損傷を与える。空気中である程度以上の濃度では、皮膚粘膜を強く刺激する。や呼吸器の粘膜を刺激して嘔吐を催し、重大な場合には呼吸不全に至る場合もある。液体塩素の場合には、塩素に直接触れた部分が炎症を起こす。

塩素を浴びてしまった場合、ただちにその場から離れ、着ていた衣服を脱ぎ、毛布に包まるなどして体を温めなければならない。ただちに医療機関での処置を要する。呼吸が停止している場合には一刻も早く人工呼吸による蘇生を行わなければならない。呼吸が苦しい場合には酸素マスクの着用を要する。

特に塩素を含む漂白剤(次亜塩素酸ナトリウム)と酸性の物質(おもにトイレ用の洗剤)を混合すると、有毒な単体の塩素ガスが遊離し危険な状態となる。このため、漂白剤や酸性のトイレ用の洗剤には「混ぜるな危険」との大きく目立つ表示がある(しかしこれだけの表示では、具体的に何と混ぜると危険なのかが示されていない)。このような表示がされる前(当時も小さな注意書き自体は存在した)には1986年には徳島県で、1989年には長野県で、実際に塩素系漂白剤と酸性洗浄剤を混ぜたことにより、塩素ガスが発生し死亡した事故が起こっている。

毒物および劇物取締法により劇物に指定されている[11]

オゾン層への影響編集

塩素はオゾンホールの原因物質としても指摘されている。フロンなどの塩素原子を含む化合物が紫外線に当たると、結合が切断され塩素ラジカルが生じる。塩素ラジカルは周囲のオゾンと反応して触媒的にオゾンを酸素分子へと分解するため、オゾン層の破壊効果が大きい。

歴史編集

1774年スウェーデンカール・ヴィルヘルム・シェーレが、海塩酸(塩酸)と二酸化マンガンを加熱させることによって単体を分離。

1810年ハンフリー・デービーが元素であると認めた。

塩素の化合物編集

塩化物イオンあるいは置換基として塩素を含む化合物は塩化物あるいは塩素化合物と呼ばれる。塩素はほとんどすべての元素と安定な化合物を形成し、また有機化合物にも塩素を含むものが多く知られている(記事塩化物に詳しい)。個々の化合物については、「塩化物のカテゴリ」および「有機ハロゲン化合物のカテゴリ」を参照されたい。

有機塩素化合物は、安定で、かつ安価に合成できるために、クロロホルムジクロロメタンのような代表的な有機溶媒として、あるいはポリ塩化ビニルなどのプラスチックとして、大量に生産・使用されている。

反面、多くは毒性を持ち、環境中に放出された際に化学分解されにくい点、さらに焼却時にはダイオキシンを発生する点から、法令などで規制されている物質も多い。

塩素のオキソ酸編集

塩素のオキソ酸は慣用名を持つ。次にそれらを挙げる。

オキソ酸の名称 化学式(酸化数) オキソ酸塩の名称 備考
次亜塩素酸
(hypochlorous acid)
  (+I) 次亜塩素酸塩
( - hypochlorite)
次亜塩素酸塩は塩基性を示し、遊離酸よりも安定で漂白剤、殺菌剤として使用される。
亜塩素酸
(chlorous acid)
  (+III) 亜塩素酸塩
( - chlorite)
亜塩素酸は中程度の酸(pKa2.31)。亜塩素酸塩は危険物第1類
塩素酸
(chloric acid)
  (+V) 塩素酸塩
( - chlorate)
塩素酸は強酸。塩素酸塩は危険物第1類マッチ火薬などの酸化剤として用いられる。
過塩素酸
(perchloric acid)
  (+VII) 過塩素酸塩
( - perchlorate)
過塩素酸は強酸で危険物第6類。過塩素酸塩は危険物第1類

オキソ酸塩名称の '-' にはカチオン種の名称が入る。

塩素のオキソ酸はいずれも酸化力が強い。代表的な化合物に次のようなものがある。

同位体編集

脚注編集

[脚注の使い方]
  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds (PDF) (2004年3月24日時点のアーカイブ), in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ 宇田川榕菴 (1834). “元素編第二”. 遠西医方名物考補遺. 8. http://archive.wul.waseda.ac.jp/kosho/ya09/ya09_00857/ya09_00857_0044/ya09_00857_0044_p0005.jpg 
  3. ^ 日本化学会(編)『化学便覧 基礎編』丸善、1993年、改訂4版。
  4. ^ 『化学大辞典』共立出版、1993年。
  5. ^ 『塩素白書』p10-21
  6. ^ F.A. コットン、G. ウィルキンソン、中原勝儼(訳)『コットン・ウィルキンソン無機化学』培風館、1987年。
  7. ^ 経済産業省生産動態統計年報 化学工業統計編
  8. ^ 容器保安規則 - e-Gov法令検索
  9. ^ 『塩素白書』p45
  10. ^ a b 尼崎市水道局
  11. ^ 毒物及び劇物指定令 昭和四十年一月四日 政令第二号 第二条 十七の三

参考文献編集

  • IUPAC編、宮本純之監訳『塩素白書』化学工業日報社、2000年。ISBN 4-87326-346-8

外部リンク編集

ハロゲン間化合物
フッ素 塩素 臭素 ヨウ素 アスタチン
フッ素 F2
塩素 ClF ClF3 ClF5 Cl2
臭素 BrF BrF3 BrF5 BrCl BrCl3 Br2
ヨウ素 IF IF3 IF5 IF7 ICl I2Cl6 IBr IBr3 I2
アスタチン AtCl  AtBr中国語版  AtI At2?