塩素ガスは、1774年、スウェーデンの化学者 カール・ヴィルヘルム・シェーレ (1742-1786) によって初めて観察されました。彼は塩酸と二酸化マンガンを反応させることで塩素ガスを得ました。シェーレは、この黄緑色のガスが植物を脱色し、窒息するような臭いを持つことに気づきましたが、酸素を含むと考えました。1810年、ハンフリー・デイビー (1778-1829) は、この物質が酸素化合物ではなく、独立した化学元素であることを証明しました。彼は、その特徴的な色にちなんで、ギリシャ語の khlôros (淡い緑) から chlorine と名付けました。1811年、ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサック (1778-1850) と ルイ＝ジャック・テナール (1777-1857) は塩素の元素としての性質を確認し、フランス語で chlore と命名しました。塩素の発見は、フロギストン説の放棄に重要な役割を果たしました。
塩素 (記号 Cl、原子番号 17) は、周期表の17族 (旧VIIA族) に属するハロゲンです。その原子は17個の陽子、17個の電子、そして最も豊富な同位体 (\(\,^{35}\mathrm{Cl}\)) では通常18個の中性子を持っています。安定同位体は2つあります：塩素-35 (\(\,^{35}\mathrm{Cl}\)) と塩素-37 (\(\,^{37}\mathrm{Cl}\))。
室温では、塩素は二原子分子ガス (Cl₂) として存在し、黄緑色で、空気の約2.5倍の密度 (0 °C で約 3.214 g/L) を持ちます。非常に低い濃度でも検出できる、刺激的で窒息するような特徴的な臭いを持っています。二塩素の融点：171.6 K (−101.5 °C)。沸点：239.11 K (−34.04 °C)。塩素ガスは有毒で腐食性があり、呼吸器や粘膜を重度に刺激します。塩素は周期表で最も電気陰性度が高く、反応性の高い元素の一つです。
| 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 塩素-35 — \(\,^{35}\mathrm{Cl}\,\) | 17 | 18 | 34.968853 u | ≈ 75.76 % | 安定 | 天然塩素の主要同位体。 |
| 塩素-37 — \(\,^{37}\mathrm{Cl}\) | 17 | 20 | 36.965903 u | ≈ 24.24 % | 安定 | 2番目に安定な同位体；天然存在比が高い。 |
| 塩素-36 — \(\,^{36}\mathrm{Cl}\) | 17 | 19 | 35.968307 u | 宇宙線由来の微量 | 301,000年 | β\(^-\)崩壊と電子捕獲により \(\,^{36}\mathrm{Ar}\) と \(\,^{36}\mathrm{S}\) を生成。古代の地下水の年代測定に使用。 |
| 塩素-38 — \(\,^{38}\mathrm{Cl}\) | 17 | 21 | 37.968010 u | 非天然 | 37.24分 | β\(^-\)崩壊によりアルゴン-38に変化。実験室で生成。 |
| その他の同位体 — \(\,^{28}\mathrm{Cl}\) から \(\,^{51}\mathrm{Cl}\) | 17 | 11 — 34 | — (可変) | 非天然 | ミリ秒から秒 | 非常に不安定な人工同位体；核物理学の研究に使用。 |
N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.
塩素は17個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。塩素の完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵、 または簡略化すると[Ne] 3s² 3p⁵です。この配置はK(2) L(8) M(7)とも表記されます。
K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s² 3p⁵として7個の電子が分布しています。3s軌道は完全ですが、3p軌道には6個のうち5個の電子しか含まれていません。このため、この外殻を飽和させるためには1個の電子が不足しています。
外殻（3s² 3p⁵）の7個の電子は塩素の価電子です。この配置は塩素の化学的性質を説明します：
1個の電子を得ることで、塩素はCl⁻イオン（酸化状態-1）を形成し、これは塩素の最も安定で一般的な状態であり、アルゴン[Ar]の配置を採用します。
電子を失うまたは共有することで、塩素は+1、+3、+5、+7のさまざまな正の酸化状態を示します。特に酸素化合物（酸やオキソ酸）で観察されます。
酸化状態0は塩素分子Cl₂に対応し、これは塩素の自然な分子形態であり、2個の塩素原子が電子対を共有しています。
塩素の電子配置は、価電子殻に7個の電子を含み、ハロゲンに分類されます。この構造は、塩素に特徴的な性質を与えます：非常に高い化学反応性（貴ガスの安定性を達成するために1個の電子しか必要としない）、強い電気陰性度（電子を引き付ける能力）、および強力な酸化力。塩素は電子を1個捕獲することで塩化物イオンCl⁻を容易に形成し、これは食塩（NaCl）に存在します。また、他の原子と電子を共有することで共有結合を形成することもできます。その高い電子親和力と反応性は、塩素を化学において不可欠な元素にしています。特に、水の消毒、多くの有機および無機化合物の製造、および漂白剤として使用されます。
塩素は非常に反応性が高く、自然界では単体として存在しません。ほとんどすべての元素と直接反応しますが、希ガス、窒素、酸素 (通常条件下) は除きます。塩素は金属と激しく反応して塩化物を形成し、水素と反応して塩化水素 (HCl) を生成します。塩化水素は水に溶けて塩酸となります。塩素は複数の酸化状態で存在します：-I (塩化物、最も一般的)、+I (次亜塩素酸塩)、+III (亜塩素酸塩)、+V (塩素酸塩)、+VII (過塩素酸塩)。塩素は強力な酸化剤であり、多くの物質から電子を奪うことができます。この酸化性質は、消毒や漂白に利用されています。二塩素は水と反応して塩酸と次亜塩素酸 (HOCl) の混合物を生成し、後者が塩素の消毒作用を担っています。
20世紀初頭に導入された飲料水の塩素消毒は、公衆衛生における最も重要な進歩の一つです。コレラ、チフス、赤痢などの水媒介性疾患を根絶または大幅に減少させ、先進国で何百万人もの命を救いました。塩素は病原性の細菌、ウイルス、原虫の細胞膜を酸化し、代謝過程を破壊することで殺菌します。しかし、塩素は水中の有機物と反応して消毒副生成物 (トリハロメタン、ハロ酢酸) を生成し、一部は高濃度で発がん性を示す可能性があります。水処理基準は、効果的な消毒とこれらの副生成物の最小化のバランスを最適化することを目指しています。
塩素は地殻中で19番目に豊富な元素 (質量比約0.017%) で、主に海水 (質量比約1.9%) や岩塩 (ハライト) 中の塩化ナトリウム (NaCl) として存在します。その他の塩素鉱物には、シルビン (KCl) やカナル石 (KMgCl₃·6H₂O) があります。工業用塩素は、塩化ナトリウム溶液 (かん水) の電気分解によって生産されます。主な方法は、隔膜法、水銀法 (環境問題により廃止中)、膜法の3つです。この電気分解では、塩素ガス、水素、水酸化ナトリウム (苛性ソーダ) が同時に生成され、塩素アルカリ工業の基盤となっています。世界の塩素生産量は年間7,500万トンを超えています。
塩素は不可欠な応用がある一方で、一部の有機塩素化合物は深刻な環境問題を引き起こしてきました。冷媒やエアロゾルの推進剤として使用されたクロロフルオロカーボン (CFC) は、成層圏オゾン層の破壊要因として特定され、モントリオール議定書 (1987年) により段階的に生産が禁止されました。DDTなどの残留性有機塩素殺虫剤は有効ですが、食物連鎖に蓄積するため広く禁止されています。塩素化ダイオキシンやフランは、一部の産業プロセスや焼却の副生成物であり、最も有毒な物質の一つです。化学産業は、これらの環境影響を最小限に抑えるため、より持続可能な代替品やクリーンなプロセスを開発してきました。
塩素は、主に中性子捕獲と核融合反応によって、大質量星の核合成過程で生成されます。地球上では比較的豊富ですが、宇宙規模ではマイナーな元素です。塩素は、進化した星、隕石、星間物質中で検出されています。宇宙線由来の塩素-36は、大気中のアルゴンと宇宙線の相互作用によって生成されます。塩素塩は火星の探査車によって検出されており、過去に液体の塩水が存在した可能性を示唆しています。塩素化合物は、一部の系外惑星の大気中にも存在しますが、居住可能性への意味合いは複雑です。
注記：
塩素ガスは、第一次世界大戦中に初めて近代的な化学兵器として使用されました。1915年4月22日、ドイツ軍はベルギーのイープル近郊で168トンの塩素ガスを放出し、致死的な黄緑色の雲が連合軍の塹壕に流れ込みました。空気より重いガスは塹壕にたまり、窒息や肺水腫で数千人の死者を出しました。この攻撃は、より有毒なホスゲンやマスタードガスなどの使用へと続く化学戦争の道を開きました。現在、化学兵器の使用は化学兵器禁止条約 (1997年) により禁止されていますが、この暗い歴史は、化学元素が人間の使い方次第で善にも悪にもなり得ることを思い出させます。
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(C, Z = 6)：生命の元素 
窒素 (N, Z = 7)：大気中に豊富に存在する元素 
酸素 (O, Z = 8)：生命の中心となる元素 
フッ素 (F, Z = 9)：反応性の高い必須元素 
ネオン (Ne, Z = 10)：希ガスの貴族元素 
ナトリウム (Na, Z = 11)：反応性の高い多目的元素 
マグネシウム (Mg, Z = 12)：生物学と産業に不可欠な元素 
アルミニウム (Al, Z = 13)：軽量で多目的な元素 
ケイ素 (Si, Z = 14)：地球と現代技術の鍵となる元素 
リン (P, Z = 15)：生命に不可欠な基本元素 
硫黄 (S, Z = 16)：生命と産業に不可欠な元素 
塩素 (Cl, Z = 17)：化学産業と消毒の鍵となる元素 
アルゴン (Ar, Z = 18)：大気中の貴族元素 
