塩酸の工業的製法

塩酸は、塩化ナトリウム（食塩）の電気分解でできる水素と塩素から塩化水素をつくり、これを水に溶かしてつくります。

塩化水素は、黒鉛でできた耐火性の太い円筒の中で水素を塩素で燃やしてつくります。

できた塩化水素は、冷やしてから水に溶かします。
この方法を合成法といい、合成法でつくった合成塩酸といいます。

合成法は費用が安くてすみますし合成塩酸は、品質が非常にすぐれているので現在では、塩酸のほとんどがこの方法でつくられています。

合成法以前の塩酸は、塩化ナトリウムに硫酸を注いでつくっていました。

塩酸の実験室的製法

実験室で塩酸をつくる場合は、塩化ナトリウムに硫酸を注ぐ昔の方法が使われます。

塩化ナトリウムをフラスコに入れ、ろうとの口から硫酸を注いでフラスコの底を静かに熱すると塩化水素が発生します。

このとき、温度がわりあいに低いと図の①式のような反応がおこりますが温度が高いと、反応は②式まですすみます。

こうしてできた塩化水素を冷やして水に溶かし、塩酸をつくります。

この実験は危険ですから、ひとりで行ってはいけません。

塩酸の性質

約20パーセントの塩化水素をふくむ塩酸は沸点が110℃で一定です。
これ以上濃い塩酸を濃塩酸といい、これより薄い塩酸を希塩酸といいます。

日本薬局方の濃塩酸は、30パーセントで、比重が1.05ですが市販の濃塩酸は36パーセントぐらいです。

純粋な塩酸は無色の液体ですが工業用のものは塩化第二鉄をふくむので黄色です。

濃塩酸は、さかんに塩化水素の蒸気をだします。
そのために瓶詰の塩酸は瓶の内側が塩化水素の蒸気で圧力になっていて危険です。

新しい瓶をあけるときには、注意が必要です。
また、この塩化水素の蒸気は強い刺激臭がありアンモニア水をつけたガラス棒を近づけると、白煙を生じます。

この白煙は、塩化アンモニウムです。濃塩駿は、ふつう水でうすめて使います。

実験室で使うには、10倍の容積の水で薄めた希塩酸がよいでしょう。

塩酸の用途

塩酸や塩化水素はアミノ酸醤油などの調味料の製造や塩化アソモニウムなどの薬品の製造に使われています。

また、塩酸は、金属のさびを溶かすのにも利用されますが最近では、合成繊維や合成樹脂の原料として重要な塩化ビニルなどの製造にも、多量に使われています。

塩化ビニルは、アセチレンに塩化水素を作用させてつくったものです。

塩化アンモニウムは、窒素肥料として使われます。
また、純粋塩化アンモニウムは、乾電池の中の薬として使われます。

還元作用をする物質、すなわち他の物質から酸素を奪ったり他の物質に水素や電子を与えるはたらきをする物質を還元剤といいます。

炭素

コークスや木炭などの炭素は金属の酸化物などから酸素を奪い金属に還元するはたらきがあります。

これを利用して、鉄鉱石（酸化鉄）から鉄を取り出す製練などが行われれます。

一酸化炭素

一酸化炭素は炭素が酸化されたものですがさらに酸素と反応して二酸化炭素になることができます。
すなわち、還元作用があるわけです。

炭素のところで述べた鉄の製練の場合も鉄鉱石を還元するのは炭素だけではなく、むしろそのとき同時にできる一酸化炭素が主に還元作用をしているのです。

ホルムアルデヒド

常温では刺激性のにおいのある気体ですが水に溶かしたものはホルマリンとよばれています。

硝酸銀の水溶液に、液が透明になるまでアンモニア水を加えたものにホルマリンを加えると、銀が還元されて析出し器の内面に銀がつきます。

これは銀鏡反応といわれる反応でホルマリンにかぎらず還元作用のあるぶどう糖などでもこの反応がおこります。

そのほかの酸化・還元剤

前にあげたもののほかに酸化剤としては濃硫酸・重クロム酸カリウム・塩素・ヨウ素・二酸化マンガンなどがおり還元剤としては二酸化イオウ・硫化水素・亜硫酸ナトリウム・シュウ酸などがあります。

ここで、ちょっと注意しなければならないことは酸化剤や還元剤は、それぞれ酸化・還元の作用の強さに違いがあることです。

強い酸化剤と弱い酸化剤とが反応し、弱い酸化剤が強い酸化剤によって酸化されるすなわち弱い酸化剤が還元剤としてはたらくことがあります。

ふつう、酸化剤としてはたらく過酸化水素は過マンガン酸カリウムにたいしては還元剤として作用します。

また、還元剤である二酸化硫黄が硫化水素と反応すると、二酸化硫黄は酸化剤としてはたらきます。

酸化と還元

今までは、酸化と還元について別々に考えてきましたがここで酸化・還元をまとめて考えてみましょう。

かんたんな例として、炭素が燃える場合を考えてみましょう。

炭素原子の原子価は0、二酸化炭素になったときは炭素の原子価は4です。
すなわち、炭素は原子価0から4に増えて酸化されたことになります。

酸素は、反応するまえは電気的に中性で原子価は0二酸化炭素になったときは　一2価にかわります。

つまり、酸素は0から-2価に原子価が減ったことになりこれはすなわち酸素が還元されたことにほかならないのです。

このように、酸化と還元はいつも同時に起こるものです。
一方が酸化されているときにはもう一方は必ず還元されています。

いろいろな酸化・還元反応について自分で考えてみてください。

酸化・還元とイオン

すでに述べたように酸化は原子の＋電気が増えること、あるいは－電気が減ることであり、還元は＋電気が減ることあるいは－電気が増えることです。

原子は原子核の周りに－電気をおびた電子という粒がとりまいている形をしています。

その電子が増えたり、減ったりすると原子は－電気をおびたり＋電気をおびたりします。

原子が電気をおびた状態にあるものをイオンといいます。

こうして見ると、原子が＋イオンになることは酸化であり－イオンになることは還元であるということができます。

また、反対に＋イオンが原子になることは還元であり－イオンが原子になることは酸化です。

酸化・還元と電気分解

酸化・還元とイオンの関係を電気分解について考えてみましょう。

食塩の水溶液はナトリウムイオンと塩素イオンに分かれています。
これを電気分解すると、塩素イオンは陽極（プラス極）に引かれ
そこで電子を陽極にわたして塩素原子となり、これが2個で塩素分子になります。

つまり、塩素イオンは酸化されたわけです。
ナトリウムイオンは陰極（一極）に引かれますが
水が電離してできた水素イオンのほうが電子をもらいやすい性質をもっているので
電子をもらって水素原子となり、これが二個で水素分子になります。

つまり水素イオンは還元されたのです。
ナトリウムイオンは、食塩水の中に水酸イオンとともに残ります。

そのほかの電気分解のときにも
陽極や陰極で、必ず酸化・還元の反応が起こっているのです。

また、金属のメッキのときにも酸化・還元が起こっています。

広い意味での酸化

元素が酸素と化合することだけが酸化ではありません。
酸素のかわりに、塩素や硫黄がはたらいて化合物をつくることも酸化といいます。

塩素ガスの中に赤熱した銅線をいれると激しく反応して、塩化第二銅ができます。

このとき、銅が酸化されたといいます。
銅とイオウが化合して硫化第二銅ができることも銅が酸化されたといいます。

それでは、なぜこのような場合にも酸化といわれるのでしょうか。

そのわけは広い意味での酸化と原子の＋電気が増えるような方向に反応がすすむことをいうのです。
いいかえると、原子の原子価が＋の方向に増えるような反応を酸化といいます。

塩素と銅との反応の場合について考えてみるとはじめ銅の原子は＋・－が丁度つり合って電気的に中性です。

塩化第二銅になったときは銅の原子価は二価、つまりCu²⁺の状態になっています。

電気的に中性（0）の状態から+2の状態にかわったので銅は酸化されたということができます。

硫黄との反応についても、同じように考えることができます。

金属の還元

金属が酸化されても、その金属がなくなったわけではありません。

酸化されたもの（酸化物）から再び金属をとりだすことができます。

例えば、酸化第二銅と炭素をまぜて熱すると酸化第二銅の酸素が炭素に奪われて金属銅ができます。

また、酸化銅と水素を反応させて酸化銅から酸素を取り除くこともできます。

鉄は鉄鉱石からつくりますが鉄鉱石は鉄の酸化物です。
これから鉄をとりだすときも酸素を取り除く必要があります。

このように、酸化物から酸素をとることを酸化にたいして還元といいます。

しかし、広い意味においては酸素がとれることだけを還元というのではなく酸化の場合とは反対に、原子の＋電気が減るような（－電気が増えるような）方向に反応が進むことを還元といいます。

つまり、原子の＋の原子価が減るか、－の原子価が増える反応を還元といいます。

実験

酸化第二銅の粉と木炭の粉を10対1くらいの割合でよくまぜあわせ、乾いた試験管に入れる。
バーナーでしばらく熱し発生する気体を水酸化カルシウムの水溶液に通す。

酸化第二銅が炭素により還元されて二酸化炭素が発生し水酸化カルシウムの水溶液がにごる。

ガラス管を水酸化カルシウムの水溶液から引きあげてから熱するのを止め、試験管の中のものを水で洗うと還元された金属の銅がえられる。

酸化第二銅と炭素との反応の場合酸化第二銅の銅の原子価は二価です。

これが金属の銅になったときは、電気的に中性ですから原子価は0です。
つまり、+2価の状態から0に原子価が減ったことになります。

このとき銅は還元されたといいます。
ほかの反応についても同じように考えてみてください。

実験

亜鉛と希硫酸で水素を発生させ濃硫酸を通して水分を除いてからガラス管に導くガラス管の中央に銅製の網をおきガラス管の外からアルコールランプで温める。

水素を溶かさない状態で銅を加熱すると黒い酸化第二銅ができるが水素を通すと、還元されて銅にもどる。

さて、酸化にたいして、その全く逆の反応である還元という言葉があります。

酸化と還元を理解するには金属について考えるとわかりやすいのでここでは金属の酸化・還元を勉強しましょう。

さびない金属

さびない金属として、私たちがよく知っているものに、金・銀・白金などがあります。
金と同じように、金色をしていても黄銅（しんちゅう）は空気中におくとつやがなくなって表面がさびてきます。

これにたいして、金・銀・白金はつやもかわりません。

これらは、空気中の酸素と化合しないので、さびないのです。
銀は、ときどき黒くなりますがこれは空気中に硫黄の蒸気などがあったとき、それと反応して化合物をつくるためです。

金・白金は天然にもそのまま産出します。
金・銀・白金でつくった器はみがかなくてもいつも美しい光沢をもっているので、食器や装飾品に使われます。

さびやすい金属に金めっきや銀めっきをすると、さびにくくなります。

クロムも銀色をした金属ですが固すぎるのでそのまま利用されることは少なく、鉄などにメッキしたクロムメッキとして、使われています。

クロムメッキをしたものは、なかなかさびません。

鉄とクロム・ニッケルの合金もさびにくいのでさびない鋼（ステンレス鋼）といわれています。

金属の酸化

金属が酸素と化合することを金属の酸化といいます。
金属が酸化してできるものについて、まえにも少し勉強しましたがここでもう少し詳しく調べてみましょう。

鉄を空気中で強く熱すると黒い色のさび（黒さび）ができます。

これは四三酸化鉄 Fe₃O₄という化合物です。
式からもわかるように鉄の酸化物で鉄原子3個と酸素原子4個の割合でむすびついているところから、四三酸化鉄とよびます。

また、鉄を空気中に放置したり雨ざらしにしておくと、茶色のさび（赤さび）ができます。

これは、三二酸化鉄Fe₂O₃を主成分とするものです。

黒さびは、きめが細かく、鉄にしっかりくっついていて鉄がそれ以上さびるのをふせぎます。

ですから、鉄の表面にわざと黒さびをつくってさび止めにします。

これにたいして、赤さびはきめが粗く表面がボロボロしているので、さらに水や酸素が内部の鉄に触れ酸化反応が進み、鉄の芯までさびてしまいます。

銅は空気中で黒くさびます。これは酸化第二銅ができるためです。

銅を雨ざらしにしたり、とくに酸などをはたらかせると緑色のさびができます。

これをロクショウといいます。
また、銅を空気中で1000℃ぐらいに熱すると表面に赤い酸化物の膜ができます。

この膜は、酸化第一銅Cu₂Oというもので銅の表面だけにできて、内部を保護するので、わざわざ酸化物を銅の表面につくることがあります。

純粋なアルミニウムは空気中においても、その表面のつやに変化がないので、さびないように見えますがこれは表面にごくうすい酸化アルミニウムの膜ができて、内部がおかされないからです。

アルミニウムの表面を処理して酸化アルミニウムの膜をつくったものはアルマイトとよばれます。

固くて、さびにくいのでやかん・弁当箱・食器などに使われます。

不純物をふくむアルミニウムは表面にボツボツの酸化物の粒ができてまもなく穴があいてきます。

ロウが燃えてできる物

瓶の中で口ウを燃やすと瓶の内側は水分でくもります。
これは、ロウが燃えて水がでてきたことをあらわしています。　

また、ロウが燃えたあとその瓶に石灰水を入れてふると石灰水が白くにごります。

これは、ロウが燃えて、二酸化炭素ができたことの証拠です。

このように、ロウが燃えて水と二酸化炭素になることからロウには炭素と水素とがふくまれていることがわかります。

しかし、ロウは白くやわらかで木炭のように黒くもなければ、固くもありません。

また、水素のように気体でもなければ火をつけて爆発することもありません。
すると、ロウの場合は、炭素と水素とはどういう状態にあるのでしょうか。

これは、炭素と水素とが互いにむすびついて炭素だけ、水素だけとは違った性質をもった物をつくっているのです。

このように、炭素と水素とが化合していても火をつけることにより、そのむすびつきが離れて今度は、それぞれの原子が空気中の酸素とむすびついてしまい水や二酸化炭素となってしまうのです。

アルコールや木・紙なども燃えて二酸化炭素と水とができます。
しかし、これらのつくりはロウとは違い炭素と水素・酸素からできた化合物なのです。

燃える物の重さと、燃えてできた物の重さ

木炭が燃えてできた物が灰だと間違って考えると、物が燃えると重さが減るということになってしまいます。

しかし、木炭が燃えてできるものは二酸化炭素です。
この二酸化炭素は、炭素に酸素がむすびついた物ですから炭素だけのときよりも重さが増しているわけです。

しかし、二酸化炭素などの気体の場合は目方がはかりにくく、実験も面倒になりますが鉄の細い線（スチールウール）を燃やすと燃えて重さの増えることが、はっきりと確かめられます。

マグネシウムを燃やしても、重さの増えることがわかりますがこのとき、できた酸化マグネシウムの一部が飛び散ることがあるので間違えることがあります。

ロウソクが燃えると、二酸化炭素と水とができます。
こうしてできた二酸化炭素と水とを図のような仕掛けで逃がさないようにして重さをはかるともとのロウソクよりも重くなったことがわかります。

このにように物が燃えるとその物と酸素の重さの和はできた物の重さに等しくなります。

これは、質量保存の法則とよばれている極めて大切な法則です。

木炭が燃えてできる物

木炭が燃えているところを見ると木炭の火がふわふわした向い灰に包まれています。　

それで、よく木炭が燃えて灰かできる、と考えられがちですがこの灰は、実はもともと木炭にふくまれていた物なのです。

木炭はその90パーセント以上が炭素で残りは灰になる物でできています。

木炭に火をつけると、この炭素が燃えて二酸化炭素ができます。
二酸化炭素は、炭素と酸素とが化合してできた気体です。

前にも述べたように、空気中で物が燃えるということは空気中の酸素にその物が酸化されることなのです。

木炭の燃えているところを拡大して見ることができたとすれば、分子や原子が入りまじりところどころに灰になる物質がまざっている様子がわかるでしょう。

木炭が燃えると二酸化炭素ができることは瓶の中で木炭を燃やし、このあとに石灰水を少し入れて振り混ぜてみると白くにごることでわかります。

石灰水には、二酸化炭素にあうと白くにごる性質があるのです。
この二酸化炭素は、木炭の炭素が瓶の中の酸素と化合してできた物です。

水素が燃えてできる物

水素が燃えると、何もなくなるようですがその炎の上に冷たい物をかざすとそこに水がつくので、水ができたことがわかります。

このときは、水素の2分子と、空気中の酸素の一分子とが反応して水の分子が2個できると考えることができます。

マグネシウムが燃えてできる物

マグネシウムのリボンに火をつけると白い煙をあげ、強い光をだして燃えます。

また、マグネシウムを瓶の中でも燃やすと瓶の内からに白い粉がたくさんつきます。

この白い粉は、マグネシウムと酸素とが化合したもので、酸化マグネシウムといいます。

しかし、この酸化マグネシウムは水や二酸化炭素と違って、分子ではありません。

酸化マグネシウムは、酸素原子とマグネシウム原子とが1対1の割合でむすびつきそれが、何万何億と集まってできた固体の粉です。

硫黄が燃えてできる物

硫黄を燃やすと、硫黄にも酸素にも全くなかった、特別の匂いのある気体ができます。

これは二酸化硫黄（亜硫酸ガス）という気体です。

二酸化硫黄は無色の気体で水でぬれた色素を漂白する性質があります。
例えば、赤い花を入れておくと白くなってしまいます。

鉄が燃えてできる物

鉄も、燃えて酸化物になります。
しかし、鉄などの場合はできるときの条件で赤い鉄の酸化物、黒い鉄の酸化物などというように、できる物が違ってきます。

酸素のはたらき

私たちの周りにある物はふつう空気中の酸素によって燃えます。
その酸素はいったいどんなはたらきをするのでしょうか。　

炭が燃えるのは炭をつくっている炭素という元素と酸素とが化合するからです。
化合して二酸化炭素ができます。このとき、熱や光をだします。

このように酸素とほかの物質が化合することを酸化といいます。
炭素が酸化されて二酸化炭素ができたわけです。

木や紙なども燃えます。
木や紙は炭素・水素・酸素からできていますが酸素と化合することによって二酸化炭素や水になります。

すなわち、炭素は二酸化炭素に水素は水にまで酸化されたのです。

空気中にふくまれている酸素の量は体積で20パーセントぐらいですが純粋な酸素をつくって、その中で物を燃やすと非常に激しく燃えることは酸素の性質のところで実験してみましょう。

金属も、酸素といっしょにして熱すると燃えます。

例えば、マグネシウムリボンや毛状にした鉄くず（スチールウール）は火の上にかざすと燃えます。

マグネシウムは燃えて白い粉になります。
これは、マグネシウムと酸素とが化合してできた酸化マグネシウムです。

鉄は燃えると黒くなります。

これは、鉄と酸素との化合物で、酸化鉄といいます。
物が酸化されてできたものを、酸化物といいます。

酸化物は、ふつう酸化される物のあたまに酸化ということはをつけて酸化………とよばれています。

酸化マグネシウムや酸化鉄などはその例です。

物をよく燃やす方法

紙切れやカンナくずはマッチの火でも燃えだしますが木や炭などはマッチの火では燃えだしません。
同じ紙でもきちんとそろえて本のようになっていると、なかなか燃えません。

それは、大きい固まりのようなものではマッチの火ぐらいでは充分温度を上げられないからです。

また、燃やすはたらきをする酸素が充分そばに近づけないからです。

鉄板やマグネシウム・アルミニウムの板や俸はマッチの火ではもちろん少しぐらい大きな火でも燃えません。

しかし、マグネシウムの粉やリボンはマッチの火でも燃えます。
鉄も毛状にしたスチールウールはマッチの火でも燃えて、赤い火の玉になり、あとは黒くなります。

石炭も、細かい粉になるとよく燃えます。

このように、小さい粒や粉にするとそれが小さな火にもよく囲まれて温度が上がり、周りに空気とくに酸素が充分存在することができるのでよく燃えるのです。

水や酸化鉄はなぜ燃えないか

物は、すべて小さい粒にすると燃えるとはかぎりません。
酸素と化合することができない物は燃えません。
水や酸化鉄は酸化物で、それ以上酸化されることがないので、燃えません。

水は水素の酸化物で、水素の燃えがらともいえます。
二酸化炭素も同じように炭の燃えがらということもできます。
ですから、二酸化炭素は燃えません。

ところが、一酸化炭素は酸化物ですがさらに酸素と化合して二酸化炭素になることができます。

そのとき、熱と光を出します。つまり、一酸化炭素は燃える物質です。

光を出さずに燃える物

鉄は空気中にほうっておくと赤さびになることがあります。

これも酸化です。

そのとき、光をだしたり、温度が上がることはありません。

酸化がゆっくり進むので、熱がでても酸化が進むあいだに逃げてしまい温度が上がらないのです。
しかし、酸化はどんどん進んで酸化鉄になっていきます。

ふつう鉄の製品などは表面にペンキなどをぬったりして空気中の酸素に触れないようにしてあります。

ゆっくりした酸化で大切なものに食物の消化があります。

食物が、私たちの体の中に入るといろいろなものに消化分解されますが最後には肺から取り入れた酸素と化合して二酸化炭素と水になります。

このときも光はでませんが熱はでます。