水酸化カルシウム
水酸化カルシウムは化学式Ca(OH)2で表される無機化合物で、一般に「消石灰」と呼ばれる。モル質量は74.09 g/mol、密度は約2.21 g/cm3。白色の粉末で、水にわずかに溶けて強いアルカリ性を示す。酸化カルシウム（生石灰）に水を加えて作るのが一般的で、建築材料、排水処理、排ガス処理、食品加工など幅広い分野で使われている。天然には鉱物ポルトランダイト（portlandite）として産出するが、産出量はごく少ない。
生石灰からの製造と消和反応
工業的な製造は石灰石から始まる。石灰石（主成分は炭酸カルシウム）を約900〜1,200℃で焼成すると、二酸化炭素が抜けて酸化カルシウムが残る。これに水を加える工程を「消和」と呼ぶ。反応式はCaO + H2O → Ca(OH)2で、1 molあたり約65 kJの熱が出る。発熱はかなり大きく、水の量が少ないと局所的に100℃を超えて水蒸気が噴き出すこともある。そのため量産設備では、水量と攪拌を細かく管理する乾式消和機（ハイドレーター）を使い、粉末状の消石灰を連続して作っている。水を多めに入れると乳白色の懸濁液「石灰乳」ができ、これは排水処理などでそのまま使われる。
化学的な性質
溶解度は20℃で水100 mLに対して約0.17 g と小さい。しかも温度が上がるほど溶けにくくなるという変わった性質があり、100℃では約0.07 gまで下がる。飽和水溶液（石灰水）のpHは約12.4に達する。
空気中に置いておくと、二酸化炭素を吸ってゆっくり炭酸カルシウムに戻っていく（Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O）。理科の実験で石灰水に息を吹き込むと白く濁るのは、この反応で不溶性の炭酸カルシウムができるためである。加熱すると約580℃で脱水が始まり、酸化カルシウムと水に分解する。酸とは激しく反応して塩を作るので、強酸性の液を中和する薬剤として昔から使われてきた。
石灰系3物質の比較
石灰石・生石灰・消石灰は名前が似ていて現場でも取り違えやすいので、主な違いを下の表にまとめた。
| 項目 | 炭酸カルシウム | 酸化カルシウム | 水酸化カルシウム |
|---|---|---|---|
| 通称 | 石灰石・炭カル | 生石灰 | 消石灰 |
| 化学式 | CaCO3 | CaO | Ca(OH)2 |
| 水との反応 | ほぼ溶けない | 激しく発熱する | わずかに溶ける |
| 水溶液の性質 | 中性付近 | 水と反応して強アルカリ | 強アルカリ（pH約12.4） |
| 取り扱いの危険性 | 低い | 高い（発熱・発火のおそれ） | 中程度（眼・皮膚を傷める） |
建築材料としての歴史
消石灰は人類がもっとも古くから使ってきた建築材料の一つである。古代ローマでは火山灰と混ぜたモルタルが作られ、パンテオンなど2,000年近く残る建物を支えてきた。日本では城郭や土蔵の白壁に使われる漆喰の主原料として知られ、消石灰に海藻のりやすさ（麻などの繊維）を加えて塗る。漆喰が固まるのは乾燥したからというより、空気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムに戻るからで、硬くなるまでに数か月から数年かかる。
現代のセメントとも関係が深い。ポルトランドセメントが水和すると、生成物の約20〜25%が水酸化カルシウムになる。これがコンクリート内部を強アルカリに保ち、鉄筋の表面に不動態皮膜を作ってさびを防いでいる。年月とともに中性化が進むと、鉄筋が腐食しやすくなる。モルタルに消石灰を少し混ぜると、こて伸びがよくなり作業しやすくなることも、左官の現場ではよく知られている。
環境・産業分野での用途
使用量が多いのは環境分野である。主な用途は次のとおり。
- 火力発電所やごみ焼却炉の排煙脱硫・脱塩化水素処理
- めっき工場や鉱山などの酸性排水の中和と重金属の沈殿除去
- 浄水場でのpH調整、軟水化処理
- 軟弱地盤の改良、酸性土壌の改良（農業用石灰）
- 製紙・製糖・皮なめし工程での薬剤
焼却炉では、排ガス中の塩化水素や硫黄酸化物と反応させるため、比表面積を大きくした「高反応消石灰」を煙道に吹き込む方式が広く採用されている。普通品の比表面積がおよそ10〜20 m2/gであるのに対し、高反応品は30 m2/g以上のものもある。硫黄酸化物と反応すると石膏（硫酸カルシウム）ができ、石灰石膏法ではこれを石膏ボードの原料として回収する。
中和剤選定の実務
排水処理の中和剤を選ぶとき、消石灰と水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）がよく比べられる。同じ量の酸を中和するのに必要な薬品代は、消石灰のほうが大幅に安い。ただし消石灰は水に溶けにくいので、石灰乳としてスラリーで注入する設備が必要になり、配管やポンプ内にスケールがたまりやすい。また硫酸系の排水では石膏が沈殿してスラッジが増え、汚泥の処分費用が薬品代の差を打ち消してしまうことも多い。現場では、粗中和を消石灰で行い、最後のpH微調整を苛性ソーダで行う二段階方式がよく採用されている。
食品・医療分野での利用
食品添加物としては国際番号E526に登録されている。代表的な例がこんにゃくの製造で、こんにゃく芋のグルコマンナンに水酸化カルシウムを加えると、アルカリ性の条件でゲル化して特有の弾力が出る。中米ではトウモロコシを石灰水で煮る「ニシュタマリゼーション」という伝統的な加工法があり、トルティーヤの生地作りに欠かせない。歯科では、根管治療の貼薬や覆髄材として使われる。強いアルカリ性による殺菌作用と、硬組織の形成を促す作用があるためである。
品質規格と取り扱い
工業用消石灰の品質はJIS R 9001（工業用石灰）で定められていて、有効成分の含有量や粒度によって等級が分かれる。肥料用は肥料の品質の確保等に関する法律、食品用は食品衛生法の規格に従う必要があり、同じ消石灰でも用途ごとに求められる管理が異なる。
取り扱いでいちばん注意すべきなのは目への付着である。GHS分類では「眼に対する重篤な損傷性 区分1」に当たり、粉が目に入ると角膜を傷める危険が高い。保護メガネと防じんマスクは必須で、目に入ったらこすらずに15分以上流水で洗い流す。保管については、湿気と二酸化炭素を吸って品質が落ちるため、フレコンバッグや紙袋は開けたらできるだけ早く使い切るのが現場の基本である。長く置いて固まった消石灰は反応性が下がり、脱硫や中和で必要な量が増えてしまう。また、酸や酸化カルシウムと同じ場所に置かないことも、事故を防ぐうえで大切な点である。
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