キップの装置とは？使い方と実験手順、気体の発生を止める原理

キップの装置は、固体と液体を加熱せずに反応させて気体をつくる実験器具で、活栓を閉じるだけで気体の発生を止められます。止まる理由は、行き場を失った気体の圧力が液体を押し戻し、固体と液体を引き離すからです。

1844年にオランダの薬剤師キップが設計を発表し、二酸化炭素や硫化水素、水素を必要なときだけ取り出す器具として長く使われました。いまの現場では気体の多くをボンベで買いますが、「反応する物どうしを離せば止まる」考え方は、ガスを扱う安全の基本です。

この記事では、装置の構造と使える条件、実験手順、発生が止まる原理を整理し、二酸化炭素・硫化水素の反応式を確かめます。そのうえで、現場での気体の調達、工業での回収、硫化水素の基準値と作業環境を見ていきます。

キップの装置の使用用途：固体と液体で、加熱せずに気体をつくる

キップの装置が向いているのは、固体と液体を混ぜるだけで進み、加熱のいらない気体の発生反応です。代表例は、石灰石と希塩酸から二酸化炭素、硫化鉄(II)と希塩酸から硫化水素、亜鉛と希硫酸から水素をつくる反応で、どれも室温で気体が出続けます。

装置は縦に3つ重なったガラスの球でできていて、雪だるまのような形をしています。いちばん上は液体を注ぐ漏斗部で、そこから伸びた長い管が中の球を貫いて下の球まで届いています。固体の塊は中の球の底のくびれに載せ、中の球の横には気体の出口となる活栓付きのガラス管が付きます。

図1：キップの装置の構造

上の漏斗部から入れた液体は長い管を通って下の球にたまり、中の球に載せた固体の塊と触れたときだけ気体が出ます。

※形は代表的なガラス製の例を簡略化したものです。漏斗部と容器部はすり合わせで差し込みます。

加熱のいらない反応を「止められる」ことが大事なのは、固体と液体が触れている限り、気体が勝手に出続けてしまうからです。試験管に入れて混ぜただけでは途中で止める手段がなく、硫化水素のような有毒な気体なら、使わない分まで部屋に出てしまいます。

一方で、どんな固体と液体の組み合わせにも使えるわけではありません。キップの装置が設計どおりに働くのは、次の条件がそろったときです。

• 固体が、くびれから落ちない大きさの塊になっている（粉末はすき間から下の球へ落ちる）
• 固体そのものが液体に溶ける物質ではない（溶けると、下の球にたまった液の中でも溶け続け、液を押し戻しても止まりきらない）
• 反応でできた物が固体の表面を覆わない（覆うと、液に触れていても反応が止まってしまう）
• 加熱しなくても反応が進む（装置には加熱する部分がなく、液の出し入れだけで反応を制御する）

同じ「固体＋液体・加熱なし」の反応には、ふたまた試験管も使えます。2本に分かれた枝に固体と液体を分けて入れ、傾けて液を固体側へ流すと発生し、戻すと止まるしくみで、少量なら手軽ですが、キップの装置のように活栓ひとつで何度も出し止めはできません。

キップの装置の実験手順

実験手順は、組み立てて固体を入れる、液体を注ぐ、活栓で出し止めする、という流れの6つの操作に分けられます。液体を入れるときは活栓を閉じておくことが、全体を通じた要点です。

図2：キップの装置の実験手順

液体を注ぐまでは活栓を閉じたまま。開けると発生し、閉じると止まります。

組み立て（活栓は閉）

1漏斗部を差し込む漏斗部を容器部に差し込み、すり合わせを密着させる

2固体を入れる中の球のくびれに、落ちない大きさの塊を載せる

3活栓付き管を付ける活栓を閉じた状態で、中の球の口に差し込む

液体を注ぐ・出し止めする

4液体を注ぐ中の空気に押し返され、液は下の球にたまるだけ

5活栓を開く液面が上がって固体に触れ、気体が出る

6活栓を閉じるたまった気体が液を押し戻し、発生が止まる

※最初に出てくる気体には、装置の中に残っていた空気が混ざっています。

漏斗部を容器部に差し込む

最初に、上の球と長い管が一体になった漏斗部を、中の球と下の球からなる容器部に差し込みます。差し込み口はすり合わせのガラスで、ここにすき間があると気体が漏れて液を押し戻せなくなるため、まっすぐ奥まで入っているかを確かめます。

固体を入れる

次に、中の球の口から固体を入れ、底のくびれの上に溜めます。くびれと漏斗部の管のすき間より大きい塊を選ぶのが前提で、粉末を入れると下の球に落ちて液に浸かったままになり、活栓を閉じても反応が止まらなくなります。

活栓付きガラス管を差し込む

固体を入れた口に、活栓付きのガラス管を差し込みます。この活栓が気体の出口の開け閉めをすべて受け持つので、差し込むときは閉じた状態にしておき、次の操作で液体を入れても気体が出ていかないようにします。

漏斗部に液体を入れる

漏斗部から希塩酸などの液体を注ぐと、液は長い管を通って下の球にたまりますが、中の球まではほとんど上がりません。活栓が閉じているので容器の中の空気に逃げ場がなく、その空気が液を押し返すからです。

活栓を開いて気体を発生させる

活栓を開くと中の空気が外に出ていき、液面が中の球まで上がって固体の塊に触れます。固体の表面から泡が出始めたら気体の発生で、出てくる気体はガラス管から目的の容器へ導いて集めます。

出始めの気体は装置に残っていた空気を含むので、純粋な気体が必要なときはしばらく流してから集めます。液のしぶきや水蒸気も混ざるため、用途によっては水や乾燥剤を通して洗い、乾かしてから使います（乾燥剤の選び方は乾燥剤の選び方と酸性・塩基性の相性が詳しく扱っています）。

活栓を閉じて気体の発生を止める

気体が要らなくなったら活栓を閉じます。発生した気体が中の球にたまって液を下へ押し戻し、固体と液体が離れると反応が止まり、もう一度活栓を開ければ同じように発生が再開します。

ただし、止まるのは新しい気体の発生だけで、装置の中や集めた容器に残った気体は消えません。硫化水素のように有害な気体は、残った分や余った分を気体の性質に合った方法で処理するところまでが実験の一部です。

キップの装置で気体の発生を止める原理：発生した気体が液体を押し戻す

止め方そのものは活栓を閉じるだけで、反応が止まる原理は気体の圧力で固体と液体を物理的に引き離すことにあります。閉じた直後も固体に触れている液との反応は続くので、気体は中の球にたまり、その圧力が液面を押し下げます。

押し下げられた液は、下の球から長い管を通って上の漏斗部へ押し上げられます。液面が固体より下がった時点で反応は止まり、それ以上は気体が増えないので、中の圧力もそこで頭打ちになります。

図3：活栓を開けたとき・閉じたとき

同じ装置でも、活栓の状態で液の居場所が変わります。開けると液が中の球へ上がり、閉じると気体に押されて漏斗部へ移ります。

※水色が液体、灰色が固体の塊です。閉じたときは、中の球にたまった気体が液を下の球へ押し、あふれた分が長い管を通って漏斗部に上がります。

このとき中の気体がどれくらいの圧力になるかは、押し上げた液柱の高さで決まります。たとえば漏斗部の液面と中の球の液面の差が20 cmなら、液柱の圧力を求める式p＝ρghで計算できます。

大気圧に1〜2％を上乗せする程度の圧力で、中の気体が液を押し返せることになります。液柱の高さと圧力の関係は、水銀柱で大気圧を表すmmHgの考え方と同じで、単位の成り立ちはmmHgと大気圧の関係で詳しく整理しています。

キップの装置で発生させる気体の具体例

キップの装置でよくつくるのは、二酸化炭素と硫化水素、それに水素です。二酸化炭素と硫化水素は、弱い酸の塩に強い酸を加えると、弱い酸が追い出される反応（弱酸の遊離）でできます。水素は、亜鉛のようなイオンになりやすい金属が酸の水素イオンを還元してできる気体です。

気体	固体	液体	反応式	空気と比べた重さ	集め方の例
二酸化炭素	石灰石（炭酸カルシウム）	希塩酸	CaCO3 ＋ 2HCl → CaCl2 ＋ H2O ＋ CO2	約1.5倍	下方置換
硫化水素	硫化鉄(II)	希塩酸・希硫酸	FeS ＋ 2HCl → FeCl2 ＋ H2S	約1.2倍	下方置換
水素	亜鉛	希硫酸・希塩酸	Zn ＋ H2SO4 → ZnSO4 ＋ H2	約0.07倍	水上置換

3つとも固体は塊のまま表面から少しずつ反応するので、くびれに載せたまま出し止めを繰り返せます。水素は空気と混ざると燃えやすく、出始めの空気混じりの気体を火に近づけないのが前提で、工場で水素を扱う場所の考え方は防爆機器の種類と選び方につながります。

石灰石に希塩酸を加えて二酸化炭素を発生させる

実験室で二酸化炭素をつくるには、石灰石（主成分は炭酸カルシウム）に希塩酸を加えます。炭酸カルシウムは弱い酸である炭酸の塩なので、強い酸の塩酸が炭酸を追い出し、追い出された炭酸が水と二酸化炭素に分かれて気体が出ます。

希硫酸を使わないのは、できる硫酸カルシウムが水にごくわずかしか溶けず、石灰石の表面を覆ってしまうからです。反応は始まってもすぐに止まり、酸が十分に残っていても炭酸カルシウムまで届かなくなります。硫酸カルシウムはセッコウの成分で、性質はセッコウと焼きセッコウの違いで扱っています。

どれだけの気体が出るかは、反応式の係数から計算できます。たとえば炭酸カルシウム10.0 gがすべて反応すると、出てくる二酸化炭素は次のとおりです。

二酸化炭素は空気の約1.5倍の重さなので、容器の口を上に向けて底から空気を押し出す下方置換で集めます。気体の体積を「温度と圧力をそろえた量」で比べる考え方は、工場のガス流量で使うNm³（ノルマルリューベ）の換算と同じです。

硫化鉄に強酸を加えて硫化水素を発生させる

硫化水素は、硫化鉄(II)に希塩酸か希硫酸を加えてつくります。硫化水素は水に溶けると弱い酸になる気体で、硫化鉄(II)はその塩にあたるため、強い酸を加えると硫化水素が追い出されます。こちらは硫酸を使っても、できる硫酸鉄(II)が水に溶けるので表面がふさがれません。

硫化水素は腐った卵のような臭いをもつ有毒な気体で、空気の約1.2倍の重さがあるので下方置換で集めます。床に近い低い所や、くぼみ・ピットにたまりやすい性質は、実験室でも工場でも安全対策の出発点になります。

使い終わって余った硫化水素は、そのまま部屋に出さず、水酸化ナトリウムなどアルカリの水溶液に吸収させて処理するのが基本です。弱い酸である硫化水素は強い塩基と中和して塩になるためで、強い塩基の性質は水酸化ナトリウムの性質と工業での使われ方にまとめています。

硫化水素は、金属イオンを硫化物の沈殿として見分ける分析に使われてきた気体で、キップ自身もヒ素の検出に使う硫化水素を安定して得るためにこの装置を考えました。必要な分だけ出して止められることが、有毒な気体を扱う実験室で重宝された理由です。

実際の研究・品質管理の現場では：ボンベとガス発生装置

ここまでは、欲しい気体を反応でその場でつくる実験室の方法でした。研究所や工場の品質管理室では事情が違い、気体の多くは高圧ガスのボンベで買い、決まった品質のものを必要な量だけ流して使うのが普通です。

キップの装置が実験室から消えていったのは、ほとんどの気体が小型のボンベで手に入り、そのほうが純度が高く乾いているからです。反応でつくった気体は空気や水蒸気、酸のしぶきが混ざりやすく、分析の基準ガスやキャリアガスにはそのまま使えません。

図4：現場で気体を手に入れる方法

研究・品質管理・工場では、ボンベ・発生装置・副生ガスの回収を使い分けます。キップの装置は、実験室で少量をつくる方法の代表例です。

ボンベ研究・品質管理の標準。純度が決まっていて乾いた気体を必要量だけ使える

ガス発生装置水の電気分解で水素をつくるなど、分析装置の横で連続して供給する

副生ガスの回収工場で出てしまう気体を集めて精製し、製品や原料にする

キップの装置実験室で少量をつくる。教育や原理の説明で使われる

※どれを選ぶかは、必要な純度、使う量、連続して要るか、止まったときの影響、保管と安全管理の手間で決まります。

ボンベは高圧ガス保安法の対象で、取り違えないよう容器保安規則で容器の塗色が決まっており、酸素は黒、水素は赤、液化炭酸ガスは緑です（液化アンモニアは白、液化塩素は黄、アセチレンは茶色、ほかはねずみ色）。使うときは転倒しないようチェーンで固定し、圧力調整器で圧力を下げてから流します。

分析室では、ボンベの交換を減らせるガス発生装置を置く例もあります。純水の電気分解で純度99.999％以上の水素をつくる機種があり、クロマトグラフィーのキャリアガスや燃料ガスを、水の電気分解の原理で分析装置の横から連続して賄います。

工業ではどうつくる？二酸化炭素と硫化水素は副生ガスから

実験室では欲しい気体を反応でわざわざつくりますが、工業の二酸化炭素と硫化水素は、ほかの製品をつくる工程で出てしまう気体を回収して使うのが基本です。石灰石に塩酸をかけて二酸化炭素を量産する工場はなく、出発点は「つくる」ではなく「集める」です。

二酸化炭素：石油精製や化学プラントの副生ガスを液化する

日本液炭の発表によると、同社は国内の石油精製や化学プラントから副生する炭酸ガスを回収・液化・精製し、液化炭酸ガスやドライアイスとして販売しています。

水素をつくる工程では天然ガスと水蒸気の反応で二酸化炭素もでき、アンモニアの原料ガスからも取り除かれます（ハーバー・ボッシュ法とアンモニア工場）。

日本液炭は2026年5月15日、原料ガスの大幅な減少で需給が恒常的に逼迫しているとして、日本製鉄九州製鉄所大分地区の構内に新しい製造拠点をつくると発表しました。鉄鋼の製造工程で副生するガスを原料に、液化炭酸ガスを1日300トンつくる計画で、完成は2028年9月の予定です。

逆に、二酸化炭素を原料として使う工業もあります。ソーダ灰をつくるソルベー法は石灰石を焼いて出る二酸化炭素を工程の中で使い回します。一方、塩安ソーダ法のようにアンモニア工場の二酸化炭素を受け取って使う方式もあります。

主な製法どうしのつながりは無機化学の工業的製法まとめで一覧にしています。

硫化水素：製油所の脱硫で生まれ、硫黄に戻して使う

工業で硫化水素がまとまって出るのは、製油所の水素化脱硫です。原油を分留した灯油や軽油などの留分には硫黄化合物が含まれていて、触媒の上で水素と反応させると、硫黄が硫化水素として外れます。

取り出した硫化水素は、硫黄回収装置で一部を酸化して単体の硫黄に変えます。こうして回収した硫黄は、燃やして二酸化硫黄にし、接触法で硫酸をつくる原料になるので、燃料から除いた硫黄が化学品の原料に戻る流れができています。

硫化水素を扱う現場の安全：基準値と作業環境

硫化水素は、ほんの少しの量でも部屋の空気を危険な濃度にします。キップの装置で硫化鉄(II)8.8 gを全部反応させたときを例に、換気のない部屋に広がった場合の濃度を見積もると次のようになります。

わずか9 gほどの固体から、後で見る法令の換気の目安10 ppmの2倍を超える量が出る計算です。実験室で硫化水素を発生させるときは、キップの装置ごとドラフト（局所排気装置）の中に置き、作業者の呼吸域に届かないようにするのが基本になります。

濃度の基準は1つではなく、決めている制度と使い方がそれぞれ違います。数字だけを並べると取り違えやすいので、何の基準で、どんな場面で使うかを表にまとめました。

基準	硫化水素の値	決めているもの	どんな場面で使うか
管理濃度	1 ppm	労働安全衛生法（作業環境評価基準）	作業環境測定を行う作業場で、測定結果が管理の目安を満たしているかを評価するとき
許容濃度	5 ppm	日本産業衛生学会の勧告	1日8時間・週40時間程度の作業で、ほとんどの人に健康への悪影響が見られないと判断される平均濃度の目安
換気で保つ濃度	10 ppm以下	酸素欠乏症等防止規則	第二種酸素欠乏危険作業。令別表第6の第3号の3（海水が滞留した熱交換器・管・ピットなど）、第9号（し尿・腐泥・汚水など腐敗・分解しやすい物質を入れたことのあるタンク・槽・管・マンホール・ピットなど）、第12号（厚生労働大臣が定める場所）の内部での作業で、酸素18％以上かつ硫化水素10 ppm以下に保つ

図5：硫化水素の濃度の目安

制度の基準と計算例を同じ目盛りで並べると、少量の固体からでも基準を大きく超えうることが分かります。

※計算例は、硫化鉄(II)8.8 gから出る硫化水素が換気のない100 m³の部屋に均一に広がった場合の値です。基準の意味と使う場面は表2のとおりです。

臭いに頼れないことも、硫化水素の怖さです。

低い濃度では腐った卵の臭いではっきり分かりますが、吸い込むと嗅覚麻痺が起こりうる（厚生労働省のモデルSDSにも症状として載っています）ため、臭いを感じにくくなっても安全とは判断できません。「臭わないから大丈夫」ではなく、測定器で確かめます。

厚生労働省は次に見る災害を受け、温泉の貯湯タンクの清掃など高濃度の硫化水素が出るおそれのある作業で、作業前に濃度を測るよう求めています。10 ppmを超えれば10 ppm以下まで換気し、難しければ呼吸用保護具を使います。

測るときも、保護具を着けるか離れた所から測定器を近づけるよう示しています。

2015年3月18日には秋田県内の温泉関係施設で、硫化水素中毒が原因と考えられる災害により労働者3人が亡くなっています（厚生労働省の通達による）。

実験室でも工場でも、密閉して出さない、局所排気で吸い取る、測って確かめるの順に対策を重ねる点は同じで、優先順位の決め方は工場のリスクアセスメントのやり方が参考になります。

キップの装置のよくある質問

キップの装置で水素はつくれますか？

つくれます。亜鉛の粒に希硫酸か希塩酸を加える組み合わせが代表的で、二酸化炭素や硫化水素と同じように活栓で出し止めできます。水素は空気と混ざると燃えやすいので、出始めの空気混じりの気体は火から離して扱います。

粉末の固体が使えないのはなぜですか？

粉末はくびれのすき間から下の球へ落ち、液に浸かったままになるからです。そうなると活栓を閉じて液を押し戻しても固体と液が離れず、気体の発生を止められません。

キップの装置とふたまた試験管はどう違いますか？

どちらも固体と液体を加熱せずに反応させる器具ですが、ふたまた試験管は傾けて液を移す手動の切り替えで、少量を手軽につくる向きです。キップの装置は気体の圧力で液を押し戻すので、活栓ひとつで何度も出し止めでき、多めの気体を続けて使うときに向きます。

キップの装置は今も使われていますか？

研究や品質管理の現場では、純度が高く乾いた気体を得られるボンベやガス発生装置にほとんど置き換わっています。気体の発生と停止のしくみが目で見て分かるため、学校の実験や原理の説明では今も使われています。

まとめ

キップの装置は、活栓の開け閉めだけで気体の発生を自在に止められる、よくできた器具です。同じ「固体＋液体・加熱なし」の反応にはふたまた試験管も使え、加熱が要る反応や固体どうしの反応では別の発生装置を選びます。

化学の基礎を実際の仕事につなげたい人には、気体や薬品の品質を確かめる品質保証・品質管理の仕事や、職場の安全衛生の基本をまとめた製造業の職場環境と安全衛生もおすすめです。実験室の器具の考え方が、工場の品質と安全の管理にどうつながっているかが見えてきます。

出典

出典・参考資料（9件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 装置の構造・使える反応・ボンベへの置き換え：Wikipedia「Kipp’s apparatus」、Wikipedia「Petrus Jacobus Kipp」
• キップの経歴と1844年の設計：Kipp & Zonen「History」
• 炭酸カルシウムと希硫酸の反応が止まる理由：chemguide「Reactions of carbonates with acids」
• 硫化水素の性質・管理濃度・許容濃度・症状（嗅覚麻痺）・適用法令：厚生労働省 職場のあんぜんサイト「硫化水素」モデルSDS
• 硫化水素中毒の防止措置（10 ppm・測定・保護具）と災害事例：厚生労働省「温泉関係施設における硫化水素中毒防止対策の徹底について」（基安労発0330第2号、2015年3月30日）
• 高圧ガス容器の塗色：埼玉大学「高圧ガス保安講習」資料（2025年、鈴木商館）
• 分析用の水素発生装置：堀場製作所「ポータブル水素発生機 OPGU」カタログ
• 液化炭酸ガスの原料と新拠点：日本液炭「液化炭酸ガス製造拠点新設の件」（2026年5月15日）
• 水素化脱硫と硫黄回収：コスモ石油「環境報告書2003」用語集