三酸化硫黄

三酸化硫黄 (SO₃) についての詳細

三酸化硫黄（さんさんかいおう、英名: Sulfur trioxide）は、硫黄の酸化物であり、化学式はSO₃で示されます。この物質は、無水硫酸とも呼ばれ、主に硫酸の製造に利用される重要な化合物です。さらに、三酸化硫黄は酸性雨の原因となる物質の一つであり、日本では大気汚染防止法に基づき特定物質として指名されています。

構造と結合

三酸化硫黄の分子は、気体状態では硫黄原子を中心とする平面の正三角形構造(D₃h対称)を持っています。この構造は、原子価殻電子対反発則に基づいて予測されています。硫黄原子の酸化数は+6で、電荷は中性であり、6つの電子対が存在します。分子軌道理論的に考察すると、これらの電子対のほとんどは非結合的な性質を持っているため、三酸化硫黄は典型的な超原子価分子として分類されます。

化学的性質

三酸化硫黄は、水と反応して硫酸を生成する特性があります。この反応は迅速で発熱性があり、次の反応式で示されます：

$$\ce{SO3(l) + H2O(l) -> H2SO4(l)}$$

反応は340℃以上で平衡に達します。さらに、三酸化硫黄は二塩化硫黄と反応し、塩化チオニルを生成する反応もあります：

$$\ce{SO3 + SCl2 -> SOCl2 + SO2}$$

また、濃硫酸に溶かした三酸化硫黄は発煙硫酸と呼ばれ、その性質から多くの工業用途で使われています。

生成方法

三酸化硫黄は、実験室内では硫酸水素ナトリウムの熱分解によって合成されます。このプロセスは、二ステップで行われ、まずデハイドレーション反応で水が除去され、その後熱分解によって得られます。具体的には、次の反応が行われます：

$$\ce{2NaHSO4 -> Na2S2O7 + H2O}$$ @ 315°C

続いて、熱分解は次のようになります：

$$\ce{Na2S2O7 -> Na2SO4 + SO3}$$ @ 460°C

工業的には、接触法によって三酸化硫黄が生成されます。まず、硫黄や黄鉄鉱が燃焼し二酸化[[硫黄]]が生成され、次に純度を高めるために電気集塵が行われます。その後、得られた二酸化[[硫黄]]は、酸素および五酸化バナジウムの存在下、400℃から600℃の高温で酸化されて三酸化硫黄が得られます。関連反応式は次の通りです：

$$\ce{S + O2 -> SO2}$$
$$\ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}$$

また、硝酸法(鉛室法)を用いた過程でも二酸化[[硫黄]]が生成され、反応は次のように進行します：

$$\ce{SO2 + NO2 -> SO3 + NO}$$

このプロセスの詳細については、硫酸に関する工業的製法を参照してください。

固体の構造

固体の三酸化硫黄は、水分量に依存して複雑な挙動を示します。気体が凝縮すると、γ-SO₃と呼ばれる三量体が形成されます。純粋な三酸化硫黄の融点は16.8℃で、無色の固体です。この環状構造は[S(=O)₂(μ-O)]₃と示されます。また、27℃以上で凝縮した相はα-SO₃と呼ばれ、その融点は62.3℃です。α-SO₃は繊維状の構造を形成し、高分子の形を取ります。

さらに、他の相としてβ-SO₃も存在し、融点は32.5℃で異なる特性を持っています。α-SO₃とβ-SO₃はそれぞれ異なる分子量と融点を持ち、時間経過とともにα相に相転移します。この相転移は微量の水によって助けられます。

最後に、三酸化硫黄は高い吸湿性を持ち、熱濃硫酸に木材や綿を浸すと引火しやすくなります。これは、三酸化硫黄が炭水化物に含まれる水分を脱水し、結果的に可燃性を高めるためです。

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