ベンゼン

2014-08-06T10:59:37Z

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| Appearance = 無色透明の液体
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'''ベンゼン''' (benzene) は分子式 C6H6 を持つ最も単純な[[芳香族炭化水素]]である。原油に含まれており、[[石油化学]]における基礎的化合物の一つである。分野によっては慣用として[[ドイツ語]] (Benzol:ベンツォール) 風に'''ベンゾール'''と呼ぶことがある。[[ベンジン]]とはまったく別の物質であるが、英語では同音異綴語である。

== 化学的性質 ==
無色で、甘い芳香を持つ引火性の高い液体である。

構造および性質が類似する4物質、ベンゼン (Benzene)、[[トルエン]] (Toluene)、[[エチルベンゼン]] (Ethylbenzene)、[[キシレン]] (Xylene) の頭文字をとって[[BTEX]]と称されることがある。

=== ベンゼン環 ===
6個の[[炭素]]原子が平面上に[[カメ|亀]]の甲（[[六角形]]）状に配置し、各炭素はsp2[[混成軌道]]をとっている。炭素原子間の結合距離は1.397 [[オングストローム|Å]]であり、C−C間の1.534 ÅとC=C間の1.337 Åの中間である。これは、全ての炭素同士の結合が等価になっていることを意味する。ケクレ構造式では交代する[[二重結合]]と[[単結合]]で表されているが、実際には[[非局在化]]しているため、π電子は特定の結合に寄与していない。[[非局在化]]していることを強調するためにベンゼン環を六角形の中に丸を書いた形（構造式右図）で表示することがある。

π電子が[[非局在化]]すると、単なる二重結合・単結合の並びに比べて安定性が高くなる。このようにπ電子を非局在化した環状炭化水素のうち、π電子が (4n+2) 個（6個、10個、14個、……）あるものはすべてのπ電子が[[結合性軌道]]に入るため特に安定性が高くなる。ベンゼン環を含む、このような安定した化合物を[[芳香族化合物]]と呼ぶ。

ベンゼン環はベンゼン核とも呼ばれるが、現在ではあまり一般的ではない。

置換基となる場合は'''[[フェニル基]]''' (phenyl group) と呼ばれる。

=== 主な化学反応 ===
構造式の見かけ上ベンゼンは二重結合を持つが、アルケンと異なり[[付加反応]]よりも[[置換反応]]の方が起こりやすい。
* 置換反応 - ハロゲン化（フッ素化、塩素化、臭素化、ヨウ素化。生成物の例: [[クロロベンゼン]]、[[ブロモベンゼン]]）、スルホン化（[[ベンゼンスルホン酸]]）、ニトロ化（[[ニトロベンゼン]]）、アルキル化、アセチル化
* 付加反応 - [[紫外線]]を当てながら[[塩素]] (Cl2) と反応させると、[[ベンゼンヘキサクロリド]]（略称 BHC、1,2,3,4,5,6-ヘキサクロロシクロヘキサン）が生成。[[水素]] (H2) とも反応して[[シクロヘキサン]]を生成。
* [[五酸化二バナジウム]] (V2O5) を[[触媒]]として[[酸化]]すると、開環反応を起こし[[マレイン酸]]が生成。

== 製法 ==
ベンゼンは炭素の豊富な素材が[[不完全燃焼]]すると生産される。自然界では火山噴火や森林火災でも発生し、[[タバコ]]の主流煙・副流煙にも含まれる。

ベンゼンの工業的製造法には以下のものがある。
* [[ナフサ]]の[[接触改質]]
* [[エチレンプラント]]における[[水蒸気クラッキング]]の副産物
* [[トルエン]]の脱アルキル化または[[不均化]]
* [[高炉]]で使用する[[コークス]]製造の副産物

[[第二次世界大戦]]までは、[[製鉄産業]]においてコークスの副産物としてベンゼンが生産された。その後1950年代になると、特に[[プラスチック]]産業の成長によりベンゼンの需要は増大し、[[石油]]からベンゼンを生産することが求められた。今日では、ベンゼンの9割以上は[[石油化学工業]]で生産され、[[石炭]]からの生産は相対的に少なくなった。

粗製ベンゼンの2008年度日本国内生産量は 534,406 t、工業消費量は 383,904 t、純ベンゼンの2008年度日本国内生産量は 4,580,950 t、工業消費量は 2,351,642 t である<ref>[http://www.meti.go.jp/statistics/tyo/seidou/result/ichiran/02_kagaku.html 化学工業統計月報] - 経済産業省</ref>。

石炭蒸し焼きによる[[一酸化炭素]]を主成分とする[[都市ガス]]製造過程でも、ベンゼンが生成する。このため、都市ガスを製造した工場跡地において、ベンゼンなどによる[[土壌汚染]]や[[地下水汚染]]が起こることがある。

=== 接触改質 ===
[[接触改質]] (catalytic reforming) では、沸点が80–200 {{℃}}の[[炭化水素]]の混合物を[[水素]]ガスと混合する。そして、[[塩化白金]]あるいは[[塩化ロジウム]]触媒と500–525 {{℃}}、8–50 atmで作用させる。この条件下では、[[脂肪族炭化水素]]は環を形成し、水素を失って[[芳香族炭化水素]]になる。反応生成物を蒸留、および[[ジエチレングリコール]]や[[スルホラン]]などによる溶媒抽出によって分離精製して純粋なベンゼンを得る。

=== 水蒸気クラッキング ===
[[水蒸気クラッキング]] (steam cracking) は脂肪族炭化水素から[[エチレン]]や他の[[アルケン|オレフィン]]を生成する過程である。ナフサなどを原料とすると芳香族に富む[[分解ガソリン]]を副生する。これを[[蒸留]]および[[溶媒抽出]]によって分離精製して純粋なベンゼンを得る。

=== トルエンの水素脱アルキル化 ===
トルエンの水素脱アルキル化 (toluene hydrodealkylation) によって、トルエンはベンゼンに変換される。この過程ではトルエンは水素と混合され、[[クロム]]、[[モリブデン]]または[[酸化白金]]触媒に500–600℃、40–60気圧で作用させる。場合によっては、[[触媒]]の代わりにより高い圧力が使用される。反応式を以下に示す。
: C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4

通常、反応の[[収率]]は95%を超える。場合によってはトルエンの代わりに[[キシレン]]やもっと分子量の大きい芳香族化合物が使用されるが、[[変換効率]]は悪い。

=== トルエンの不均化 ===
トルエン2分子の反応によってベンゼンと[[キシレン]]を生成する。[[トルエン]]と比較すると、ベンゼンとキシレンは化学原料としての需要が多いので経済的に成立するプロセスである。反応式を以下に示す。
: 2 C6H5CH3 → C6H6 + C6H4(CH3)2
この他に、[[アセチレン]]3分子から赤熱した鉄触媒(あるいは[[石英触媒]])でも得ることができる（[[ワッカー法|ヘキストワッカー法]]）。具体的には、赤熱させた[[鉄]]管もしくは[[石英]]管にアセチレンガスを通すと得られる。
: 3 CH≡CH → C6H6

==用途==
現在ベンゼンは他の化学物質を製造するための材料として利用されている。
用途の大部分を占めるのが、プラスチック原料としての[[スチレン]]や、樹脂や接着剤の原料としての[[フェノール]]、[[ナイロン]]製造に用いる[[シクロヘキサン]]などである。その他、ゴム、潤滑剤、色素、洗剤、医薬品、爆薬、殺虫剤などの製造に用いられている。

===歴史的用途===
かつては強力な[[有機溶剤]]として利用され、特に金属部品から[[グリース]]を除くのに使われていた。またペンキはがし、染み抜き、ゴム糊などの家庭用製品にも広く使われていた。毒性が明らかになるにつれより毒性の少ないトルエンなどの他の溶剤に取って代わられた。日本では[[労働安全衛生法]]および[[特化則]]により[[溶剤]]としての利用は原則禁止されている。

1950年代に[[四アルキル鉛]]に代わるまで、[[オクタン価]]を上げて[[ノッキング]]を防ぐため[[ガソリン]]に添加されていた。世界的に有鉛ガソリンが廃止される過程で、再びベンゼン添加が行われるようになった国もある。

<imagemap>
File:Benzene_uses.png|center|ベンゼンに由来する主な化成品。記事へのリンクあり。|600px|thumb
rect 39 660 435 807 [[ベンゼン]]
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rect 665 1161 1062 1317 [[アニリン]]
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rect 1215 345 1614 495 [[アセトン]]
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rect 2313 822 2712 975 [[フェノール樹脂]]
rect 2313 1083 2712 1233 [[ナイロン]]
rect 2313 1335 2712 1485 [[ナイロン]]
desc bottom-left
</imagemap>

== 歴史 ==
[[1825年]]、[[マイケル・ファラデー|ファラデー]]によって、[[鯨油]]を[[熱分解]]したときの生成物の中から初めて発見された。<ref>{{cite journal|author= M. Faraday|title=On New Compounds of Carbon and Hydrogen, and on Certain Other Products Obtained during the Decomposition of Oil by Heat
|journal=[[Philosophical Transactions of the Royal Society of London]]|volume=115|year=1825|pages=440–466|doi=10.1098/rstl.1825.0022|jstor=107752|authorlink= Michael Faraday}}</ref><ref>{{cite journal|author= R. Kaiser|title=Bicarburet of Hydrogen. Reappraisal of the Discovery of Benzene in 1825 with the Analytical Methods of 1968|journal=Angewandte Chemie International Edition in English|volume=7|issue=5|year=1968|pages=345–350|doi=10.1002/anie.196803451}}</ref>

1833年、ミチェルリヒが[[安息香酸]]({{lang|en|benzoic acid}})と[[生石灰]]を蒸留して得た物質に{{lang|de|benzin}}と名付けたのが名前の由来となった。
<ref>{{cite journal|author= E. Mitscherlich|title=''Über das Benzol und die Säuren der Oel- und Talgarten'' |journal=[[Liebigs Annalen|''Annalen der Pharmacie'']]|volume=9|issue=1|year=1834|pages=39–48| doi=10.1002/jlac.18340090103 }}</ref>
<ref name=rocke>{{cite journal|author= A. J. Rocke|title=Hypothesis and Experiment in the Early Development of Kekule's Benzene Theory|journal=[[Annals of Science]]|volume=42|year=1985|pages=355–81|doi =10.1080/00033798500200411|issue= 4}}</ref>

1845年、[[アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマン]]の下にいたCharles Mansfieldが[[コールタール]]からベンゼンを単離し、4年後に工業規模の製造を始めた。化学者の間では次第にベンゼンに関連する化合物が大きなグループを形成するという考えが醸成され、1855年にホフマンが[[芳香族]]という名称を付けることになる。

そして[[1865年]]にドイツの化学者[[アウグスト・ケクレ]]によって、炭素原子からなる六員環構造をもち、各炭素原子に1つずつ水素原子が結合し、さらに、炭素原子間には単結合と二重結合が交互に配列した「ベンゼンの環状構造式」（ケクレ構造式）が提案された。<ref>{{cite journal|author=F. A. Kekulé|title=''Sur la constitution des substances aromatique''s|journal=Bulletin de la Societe Chimique de Paris|volume=3|year=1865|pages= 98–110|authorlink= Friedrich August Kekulé von Stradonitz}}</ref><ref>{{cite journal|author=F. A. Kekulé|title=''Untersuchungen uber aromatische Verbindungen''|doi = 10.1002/jlac.18661370202|journal=Liebigs Annalen der Chemie|volume=137 |year=1866|pages=129–36|issue=2}}</ref>
ケクレはベンゼンの1置換体は常に1種類だけ生じ、一方2置換体は3種の異性体（オルト・メタ・パラ）が生じることを根拠にこの構造を提唱している。
この構造は、ケクレが夢の中でヒントを得たとされている。猿が手を繋いでいたとか、蛇（[[ウロボロス]]）が自分の尻尾を噛んでぐるぐる回っていたなどといわれているが、その真偽については疑問が持たれている（詳細はケクレの項目を参照）。

[[画像:Historic Benzene Formulae V.3.svg|thumb|400px|left|提唱されたベンゼンの構造式。左から2番目がデュワーの式、3番目は[[プリズマン]]として知られる]]
ケクレ以外にも[[ジェイムズ・デュワー|デュワー]]や[[バンバーガー]]をはじめとして多くのベンゼン構造式が提唱されてきた。

これらのうち、デュワーのベンゼン式に相当する置換化合物（フォトピリドン (photopyridone) など）が発見されており、デュワー式に相当するベンゼンの類縁体の総称して[[デュワーベンゼン]]と呼称されることがある。ヘキサメチルデュワーベンゼンは市販もされている。

== 危険性 ==
[[世界保健機関|WHO]]の下部機関[[国際がん研究機関|IARC]]より[[発癌性]]がある (Type1) と勧告されており、日本でも[[大気汚染]]に係る[[環境基準]]が定められている。
=== 健康被害と産業界への影響 ===
[[1950年代]]、[[サンダル]]工場で[[接着]]作業に従事していた工員が継続的なベンゼンの吸入により、[[造血器]]系の傷害（[[白血病]]等）を受け死亡する事象が発生した。この事象を契機としてベンゼンの毒性・発癌性が問題視されるようになり、[[有機溶剤]]としては代替品で毒性の比較的低いトルエンやキシレンが使用されるようになった。しかし、これら代替溶剤は故意の吸入（いわゆるシンナー遊び）という、別の弊害を生むことになった。現在においても化学工業・[[実験|理化学実験]]では使用が忌避される傾向にある。ベンゼン含有量を削減した[[ガソリン]]などがその代表例である。

[[2006年]]春以降英国などの諸外国で清涼飲料水からベンゼンが低濃度検出されることが公表され、10ppbを越える製品の自主回収が要請された。生成の原因は[[保存料]]である[[安息香酸]]と[[酸化防止剤]]である[[ビタミンC]]の反応によるもの、とされている。日本でも厚生労働省医薬食品局食品安全部が市販の清涼飲料水を調査し、1つの製品で70ppbを超える濃度が検出され、自主回収を要請した。

=== 地下水汚染 ===
都市ガス製造時に生成しガス製造施設で高濃度のベンゼンによる[[土壌汚染]]や[[地下水汚染]]が公表されている。<ref>[http://www.shijou.metro.tokyo.jp/senmonkakaigi/image4/1006youyaku.pdf 豊洲新市場予定地における土壌汚染対策等に関する専門家会議公開資料]〈[[東京都]]〉</ref>

== 法規制 ==
*[[化審法]]：優先評価化学物質(45)
*[[化管法]]：特定第一種指定化学物質(1-400)
*[[消防法]]：危険物第四類第一石油類
*[[労働基準法]]：がん原性化学物質、疾病化学物質
*[[労働安全衛生法]]：危険物引火性の物質、特定化学物質（特定第2類物質、特別管理物質）、名称等を表示すべき有害物、名称等を通知すべき有害物、管理濃度 1 ppm
*[[環境基本法]]：
**水質汚濁に係る環境基準 0.01 mg/L
**地下水の水質汚濁に係る環境基準 0.01 mg/L
**土壌汚染に係る環境基準 0.01 mg/L (溶出試験検液濃度)
**大気の汚染に係る環境基準 0.003 mg/m3 (年平均値)
*[[水道法]]：水質基準 0.01 mg/L
*[[下水道法]]：水質基準 0.1 mg/L
*[[水質汚濁防止法]]：有害物質、排水基準 0.1 mg/L
*[[大気汚染防止法]]：特定物質、有害大気汚染物質 (優先取り組み物質)、環境基準 0.003 mg/m3(年平均値)
*[[土壌汚染対策法]]：特定有害物質、土壌溶出基準 0.01 mg/L
*[[海洋汚染防止法]]：有害液体物質C 類
*[[船舶安全法]]：引火性液体類
*[[航空法]]：引火性液体
*[[港則法]]：引火性液体類
*[[廃棄物処理法]]：特別管理産業廃棄物、判定基準 1 mg/L (廃酸・廃塩基、含有量)、0.1 mg/L(汚泥など、溶出量)
*[[建築物衛生法]]：水質基準 0.01 mg/L
*[[高圧ガス保安法]]：毒性ガス、可燃性ガス

== 出典 ==
{{Reflist|2}}

== 関連項目 ==
* [[芳香族化合物]]
* [[ナフタレン]]
* [[アントラセン]]
* [[フェナントレン]]
* [[ボラジン]] - 無機ベンゼンとも呼ばれる[[窒素]]・[[ホウ素]]化合物
* [[プリズマン|トリプリズマン]] - 三角柱型をしたベンゼンの[[異性体]]
* [[π-π相互作用]]
* [[1,3,5-シクロヘキサトリエン]]
* [[環境基準]]、[[地下水汚染]]、 [[土壌汚染]]
* [[シクロオクタテトラエン]]

== 外部リンク ==
*[http://ceis.sppd.ne.jp/fs2011/factsheet/data/1-400.html 化学物質ファクトシート2011年版ベンゼン]（環境省）
*[http://www.safe.nite.go.jp/risk/files/pdf_hyoukasyo/299riskdoc.pdf 化学物質の初期リスク評価書 No.104 ベンゼン]（新エネルギー・産業技術総合開発機構）
* [http://www.nihs.go.jp/ICSC/icssj-c/icss0015c.html 国際化学物質安全性カードベンゼン] - [[国立医薬品食品衛生研究所]]

{{官能基}}
{{芳香環}}
{{Cycloalkenes}}
{{DEFAULTSORT:へんせん}}
[[Category:溶媒]]
[[Category:第1石油類]]
[[Category:毒]]
[[Category:労働安全]]
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[[Category:芳香族炭化水素]]

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ベンゼン