最終更新：2025年12月15日

臭素 (35)：有毒な蒸気を持つ液体ハロゲン

臭素の発見の歴史

臭素は1825年から1826年にかけて、2人の化学者によって独立して発見されました。フランスの化学者 アントワーヌ・ジェローム・バラール (1802-1876)は、当時23歳でモンペリエ科学大学の助手として働いており、1826年 に初めて臭素を単離し正式に同定しました。バラールは、モンペリエの塩田から得られる母液（海水から塩を採取した後の高濃度の塩分残留物）を研究していました。

バラールはこの母液を塩素で処理することで、赤褐色の物質が現れるのを観察し、蒸留によってこれを単離することに成功しました。彼はこれが塩素やヨウ素とは異なる新しい元素であるとすぐに認識し、当初はラテン語の muria （塩水）にちなんで muride と名付けようとしましたが、フランスの化学者ルイ・ジャック・テナールがギリシャ語の bromos （悪臭）にちなんで brome （臭素）を提案し、これは臭素特有の刺激的で窒息するような臭いを指しています。

同時に、ドイツの化学者 カール・ヤコブ・レーヴィヒ (1803-1890)は、ハイデルベルクの学生時代にバートクロイツナハの鉱泉水から1825年に臭素を単離していました。しかし、レーヴィヒはより多くの臭素を生成して研究を進めたいと考え、結果の発表を遅らせました。1826年にようやく研究を発表したときには、バラールが既に発見を公表しており、臭素の発見者として正式に認められました。

臭素の発見は、当時知られていたハロゲン族（塩素、ヨウ素、臭素）を完成させ、元素間の周期的な関係の理解を深めました。臭素は常温で唯一の非金属液体であるという独特の性質を持ち、この性質は水銀を除くすべての元素の中で臭素のみが持つものです。

構造と基本的な性質

臭素（記号 Br、原子番号 35）は、周期表の17族に属するハロゲンです。その原子は35個の陽子、通常44個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{79}\mathrm{Br}\)）、および35個の電子を持ち、電子配置は [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ です。

常温では、臭素は赤褐色の濃厚で流動性のある液体として存在し、二原子分子 Br₂ から構成されています。これは標準状態で唯一の非金属液体であり、フッ素と塩素が気体、ヨウ素が固体、アスタチンが極めて希少で放射性であることと対照的です。

液体の臭素は密度が高く、3.12 g/cm³ で水の約3倍です。常温で中程度の揮発性を持ち、赤褐色の有毒で腐食性の蒸気を発生させ、空気中に容易に拡散します。この蒸気は非常に低い濃度でも認識できる、特有の刺激的で不快な臭いを持ちます。

臭素の融点は -7.2 °C （265.9 K）で、橙赤色の結晶固体を形成し、直方晶系の構造を持ちます。沸点は 58.8 °C （332.0 K）で、濃厚な赤褐色の蒸気を発生します。液体の温度範囲が比較的狭い（約66 °C）ため、臭素は通常の実験室条件では液体ですが、容易に固体化または気体化することができます。

臭素の融点：265.9 K (-7.2 °C)。
臭素の沸点：332.0 K (58.8 °C)。
臭素の臨界点：588 K (315 °C)、103 bar。

臭素の同位体表

臭素の同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
臭素-79 — \(\,^{79}\mathrm{Br}\,\)	35	44	78.918337 u	≈ 50.69 %	安定	臭素の中で最も豊富な安定同位体で、天然の臭素の中でわずかに優勢。
臭素-81 — \(\,^{81}\mathrm{Br}\,\)	35	46	80.916290 u	≈ 49.31 %	安定	2番目に豊富な安定同位体で、臭素-79とほぼ同じ量。NMR分光法に使用される。
臭素-77 — \(\,^{77}\mathrm{Br}\,\)	35	42	76.921379 u	合成	≈ 57.0 時間	放射性（電子捕獲）。陽電子放出体で、医学研究のためのPETイメージングに使用される。
臭素-80 — \(\,^{80}\mathrm{Br}\,\)	35	45	79.918529 u	合成	≈ 17.7 分	放射性（β⁻、92%; β⁺、8%）。原子炉で生成され、研究に使用される。
臭素-82 — \(\,^{82}\mathrm{Br}\,\)	35	47	81.916804 u	合成	≈ 35.3 時間	放射性（β⁻）。ガンマ線放出体で、水文学や核医学でトレーサーとして使用される。
臭素-83 — \(\,^{83}\mathrm{Br}\,\)	35	48	82.915175 u	合成	≈ 2.40 時間	放射性（β⁻）。核分裂によって生成され、基礎研究に使用される。

電子配置と臭素の電子殻

注記：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

臭素は35個の電子を持ち、これらは4つの電子殻に分布しています。完全な電子配置は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ で、簡略化すると [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ となります。この配置は K(2) L(8) M(18) N(7) と書くこともできます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s 軌道に2個の電子を含み、この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶ に8個の電子が分布し、この殻も完全で貴ガス（ネオン）の配置を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰ に18個の電子が分布し、3d 軌道が完全であることが臭素の化学的性質に影響を与えます。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁵ に7個の電子が分布し、これらが臭素の価電子で、オクテットを完成させるために1個の電子が不足しています。

価電子と酸化状態

最外殻の7個の電子（4s² 4p⁵）は、臭素の 価電子 です。安定な貴ガス（クリプトン）の配置を完成させるために1個の電子が不足しているため、臭素は非常に反応性が高く、ブロミドイオン Br⁻ を形成するために電子を1個獲得しようと強く傾向します。

臭素の最も一般的な酸化状態は -1 で、電子を1個獲得してブロミドイオン Br⁻ を形成し、その電子配置は [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ でクリプトンと等電子です。ブロミドは非常に安定で、自然界では最も一般的な臭素の形態であり、海洋では約65 mg/Lの濃度で存在します。

臭素は、酸素やフッ素などのより電気陰性度の高い元素と結合すると、正の酸化状態も示します。+1 の状態は次亜臭素酸（HBrO）や次亜臭素酸塩に見られ、強力な酸化剤ですが不安定です。+3 の状態は亜臭素酸（HBrO₂）や亜臭素酸塩に存在し、これも不安定です。

+5 の酸化状態は臭素酸（HBrO₃）や臭素酸塩に見られ、これらはエネルギーの高い酸化剤で、さまざまな産業応用に使用されます。これらの化合物は、低い酸化状態の同族体よりも安定です。+7 の状態は過臭素酸（HBrO₄）や過臭素酸塩に見られ、臭素化学の中で最も強力な酸化剤で、1968年に初めて合成されました。

+4 のような中間の酸化状態は二酸化臭素（BrO₂）に見られますが、希で不安定です。元素状態の臭素（酸化状態0）は、単純な共有結合によって安定化された二原子分子 Br₂ を形成します。

臭素の電気陰性度（パウリングスケールで2.96）は、塩素（3.16）より低く、ヨウ素（2.66）より高く、ハロゲン群の中間的な位置にあります。この中程度の電気陰性度により、臭素は金属とのイオン結合と非金属との共有結合の両方を形成することができます。

化学的反応性

臭素は強力な酸化剤ですが、塩素やフッ素ほど反応性は高くありません。ほとんどの金属と激しく反応して金属ブロミドを形成します。ナトリウムとの反応は特に劇的で、2Na + Br₂ → 2NaBr となり、激しい炎と白色の臭化ナトリウムの煙を発生します。

臭素は高温またはUV照射下で水素と反応し、臭化水素（HBr）を形成します。これは水溶液中で強酸となります：H₂ + Br₂ → 2HBr。この反応は塩素と水素の反応よりも遅く、通常は触媒または活性化エネルギーを必要とします。

水との反応は遅く、臭化水素酸と次亜臭素酸の混合物を形成します：Br₂ + H₂O ⇌ HBr + HBrO。この反応は可逆で、平衡は反応物側に偏っています。臭素水（臭素の飽和水溶液）は黄橙色で、酸化性質を持ちます。

臭素は塩基と反応して、冷たい条件下ではブロミドと次亜臭素酸塩を、熱い条件下では臭素酸塩を形成します：3Br₂ + 6OH⁻ → 5Br⁻ + BrO₃⁻ + 3H₂O（熱）。この不均化反応は、塩基性条件下でのハロゲンに特徴的です。

臭素は多くの有機化合物、特に不飽和炭化水素（アルケンやアルキン）を激しく攻撃します。二重結合への臭素の付加反応は瞬時に起こり、臭素溶液の特徴的な赤褐色が無色に変化します：C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂。この反応は二重結合の検出のための定性試験として使用されます。

臭素は光や触媒の存在下で、有機化合物中の水素原子を置換することもできます。このようにして形成された有機臭素化合物は、有機合成の中間体として広く使用されます。臭素はまた、ある種の芳香族分子と電荷移動錯体を形成することもできます。

赤リンとの反応は激しく、三臭化リンを形成します：2P + 3Br₂ → 2PBr₃。硫黄との反応では、S₂Br₂ のようなさまざまな硫黄ブロミドを形成します。臭素はまた、多くの遷移金属をより高い酸化状態に酸化します。

臭素の産業および技術的応用

プラスチック、繊維、電子機器用の臭素系難燃剤（PBDE、TBBPA）;
プールやスパの消毒のための活性臭素またはBCDMH;
石油掘削および完了用流体（塩化カルシウム、塩化亜鉛）での圧力制御;
医薬品および有効成分の製造のための医薬品合成の中間体;
農業用フミガント（メチルブロミド、現在はモントリオール議定書によりほとんど禁止）;
伝統的な銀塩写真（光に敏感な臭化銀）;
染料の製造、特にチリアンパープル（6,6'-ジブロモインジゴチン）;
再生可能エネルギー貯蔵用の亜鉛-臭素電池;
特定の有機合成および重合反応の触媒;
核医学での代謝研究用の放射性トレーサー（臭素-82）;
燃料用のアンチノック添加剤（エチレンジブロミド、現在は廃止）;
金やその他の貴金属の精製および抽出;
有機化合物の検出および定量のための特定の分析試薬;
食品産業でのプロセス水の処理用消毒剤;
複雑な有機化合物の合成における反応性ハロゲン化中間体;
特殊な殺虫剤および殺生物剤の製造;
微細化学および研究用の臭素化合物の製造。

臭素の毒性と危険性

元素状態の臭素は極めて有毒で腐食性があります。臭素の蒸気は非常に低い濃度でも目、呼吸器系、粘膜を強く刺激します。臭素蒸気の吸入は、重度の肺損傷、遅発性肺水腫、最悪の場合は死に至ることがあります。職業曝露限界は8時間あたり0.1 ppmで、この化合物の高い毒性を反映しています。

液体の臭素との皮膚接触は、痛みを伴う化学火傷を引き起こし、治癒が遅れます。臭素は皮膚を素早く浸透し、深い壊死性の損傷を引き起こします。目に入ると永久的な損傷を引き起こし、失明する可能性があります。臭素を取り扱う際には、適切な個人用保護具（耐性手袋、安全メガネ、換気フード）の着用が義務付けられています。

臭素はガラスまたは特定の耐性プラスチック（PTFE、PVDF）製の容器で取り扱う必要があります。臭素はほとんどの金属や有機材料を侵します。保管には、揮発を最小限に抑えるために、換気された冷暗所に密閉された琥珀色のガラス瓶が必要です。

一部の有機臭素化合物、特にポリ臭素化難燃剤（PBDE）は、環境および健康上の懸念を引き起こします。これらの持続性物質は食物連鎖に蓄積し、内分泌系や神経系に悪影響を及ぼす可能性があります。多くの臭素系難燃剤は、多くの国で段階的に禁止または制限されています。

メチルブロミドはかつて広く農業用フミガントとして使用されていましたが、オゾン層破壊物質として特定され、現在はモントリオール議定書により厳しく規制されています。その使用は先進国ではほとんど廃止され、例外的な重要な用途のみが許可されています。

天体物理学および宇宙論における役割

臭素は、恒星内のいくつかの星核合成プロセスによって合成されます。臭素の2つの安定同位体（\(\,^{79}\mathrm{Br}\) と \(\,^{81}\mathrm{Br}\)）は、主にタイプII超新星におけるケイ素の爆発的燃焼および漸近巨星分枝（AGB）星におけるsプロセス（遅い中性子捕獲）によって生成されます。

臭素の宇宙存在量は極めて低く、水素の原子数に対して約7×10⁻¹⁰倍であり、宇宙で最も希少な元素の一つです。この希少性は、臭素が奇数の陽子（35）を持ち、偶数の陽子を持つ元素よりも安定性が低く、核安定性曲線上で核合成プロセスが効率的でない領域に位置するためです。

太陽系における同位体比 ⁷⁹Br/⁸¹Br は約1.03で、異なる核合成プロセスの相対的な寄与を反映しています。原始隕石や難揮発性包有物におけるこの比の分析は、太陽系の形成条件や、異なる恒星集団がその化学組成に与えた影響についての情報を提供します。

中性およびイオン化された臭素のスペクトル線は、この元素の宇宙存在量が非常に低いため、恒星スペクトルで観測することが困難です。しかし、いくつかの化学的に特異な恒星やエキゾチックな天体物理オブジェクトで臭素の線が検出されています。これらの観測は、恒星の化学的進化と銀河の化学進化の理解に役立ちます。

注記：
臭素は地殻中に質量比で約0.0003%（3 ppm）の平均濃度で存在し、比較的希少な元素です。通常、独自の鉱石を形成せず、主に海水や天然の塩水からブロミドイオン（Br⁻）として抽出されます。

海洋は臭素の主要な供給源であり、平均濃度は65 mg/L（約65 ppm）で、世界の海洋には1000億トン以上の臭素が溶解しています。海洋の臭素は主に大陸岩石の風化と海底火山活動に由来します。陸上の供給源には、塩床の塩水、塩湖、および一部の温泉が含まれます。

世界の臭素生産量は年間約55万トンで、主にアメリカ（アーカンソー州、ミシガン州）、中国、イスラエル（死海）、ヨルダンで採掘されています。抽出は、通常、塩素を酸化剤として使用してブロミドイオンを元素状態の臭素に酸化する化学的方法で行われます：2Br⁻ + Cl₂ → Br₂ + 2Cl⁻。その後、臭素は蒸留によって精製されます。

主要な臭素生産国は、臭素が複数の産業にとって戦略的な性質を持つため、市場を厳密に管理しています。歴史的にアメリカとイスラエルがこの市場を支配してきましたが、中国は過去数十年間で主要な生産国となりました。臭素の価格は、難燃剤や石油掘削流体の需要などの産業需要に応じて変動します。

臭素の使用は、環境および健康上の懸念に応じて進化しています。多くの臭素系難燃剤は、より問題の少ない代替品に段階的に置き換えられています。しかし、新たな応用分野、特にエネルギー貯蔵（亜鉛-臭素電池）や微細化学において需要が安定しています。