NaOHの工業的製法

イオン交換膜法(水酸化ナトリウムの工業的製法)の仕組みや構造などを、電気分解の復習を行いながら図解していきます。後半では、具体的な計算問題を用意しています。

陽イオン交換膜法とは

電気分解と「陽イオン」のみ通過させることができる膜:「陽イオン交換膜」を用いて【NaCl】と【水】というありふれた物質から、水酸化ナトリウムを製造する方法です。

水酸化ナトリウムと原料

・NaOHはソーダ工業と、あらゆる化学工業において使用される超重要物質です。

原材料は上述したとおり\(\mathrm{H_{2}O、NaCl}\)

関係のある「ソルベー法(炭酸ナトリウムの製法)」とともにしっかりおさえておきましょう。

その他の製法

隔膜法という方法(イオン交換膜の代わりにアスベスト:石綿を用いるもの)や、水銀法(水銀を用いるもの)が以前は盛んでしたが、ご存知の方も多いように石綿・水銀の健康被害や効率性の面から課題が多く、今は殆ど行われていません。

イオン交換膜法の仕組み

以下の模式図のような仕組みでNaOHを効率的に製造します。

ion-exchange-methodの模式図1

・陽極板は炭酸棒

・陰極板には鉄を使います。

交換膜を通る/通らないイオン

さて、この交換膜法のキモとなる【イオン交換膜】とはどの様なものが簡単に確認しておきます。

通るイオン:\(Na^{+}\)

通らないイオン:\(Cl^{-}、OH ^{-}\)

\(\mathrm{NaCl\rightarrow Na^{+}+Cl^{-}}\)

\(\mathrm{H_{2}O\rightarrow H^{+}+OH^{-}}\)

IEMの各極板での酸化・還元のイメージ図2

陽極側での反応

NaClから電離した\(Cl^{-}\)から(電気分解により)無理矢理電子を奪って酸化させ、塩素ガスが発生します。

塩素↑\(\mathrm{2Cl^{-}\rightarrow 2e^{-}+Cl_{2}↑}\)

さらに、残されたナトリウムイオンは陽イオンなので、交換膜を通過でき陰極側で反応を起こします

陰極側での反応

陰極側では供給される水に電子を渡し(=還元)て、水素と水酸化物イオンが生じます。

水素↑\(\mathrm{2H_{2}O+2e^{-}\rightarrow H_{2}↑+2OH^{-}}\)

陰極側での(最終的な)生成物

\(\mathrm{Na^{+}+OH^{-}\rightarrow NaOH}\)

最終的に、交換膜を通過してきたNaイオンと水酸化物イオンが反応してNaOHができます。

NaOHの工業的製法のまとめ図

→ここでできる【NaOH水溶液】をさらに濃縮する作業を行なって一連の製法が終了します。

まとめ

全体の反応式は、以下のように書くことができます。

\(\mathrm{2H_{2}O+2NaCl\rightarrow H_{2}+Cl_{2}+2NaOH}\)

水酸化Naの工業的製法の計算問題

入試などでは、前半部分でイオン交換膜法の仕組み(と、場合によっては無機分野の知識)を問い、後半で電気分解を絡めた計算問題が出題されることが多いです。

ファラデー定数と電池

銅の電解精錬と電気化学の計算問題の解法

ファラデー定数などの取り扱いが不安な人は↑の記事などで先にチェックしておきましょう。

電気分解の問題

図のイオン交換膜を用いて、2.5(A)の電流を32分10秒間流し続け水酸化Naを作る。

この時標準状態のもとで、陰極で発生する気体の体積(L)とNaOHの質量を求めよ。

ただし、F=96000(C/mol)とする。

解答解説

一応確認ですが、A(アンペア)×s(秒)=C(クーロン)なので前準備として分秒を秒に統一します。

\(32\times 60+10=1930\)

ここで、電気分解や電池の問題を解く時に注目するのは【電子】です。

この電子\(e^{-}\)を基準にすれば、大抵の問題は解くことができます。

陽極と陰極でのイオン反応式(の係数:特に電子)と全体の反応式を考えると、2つの\(\mathrm{NaClとH_{2}O}\)から2つのNaOHが生成され、発生する水素と塩素の係数は“1”となっています。

この時やりとりされている電子はNaCl、NaOH、水と同じ、\(\mathrm{Cl_{2}、H_{2}}\)の倍なので、(*)

32分10秒間に流れた電気量をファラデー定数で割り(=電子をmol換算する)、(*)のモル比から

$$\mathrm{\frac{2.5\times 1930}{96500}\times \frac{1}{2} \times 22.4=0.56(L)}$$

故に、塩素ガスが0.56L発生し、

$$\mathrm{\frac{2.5\times 1930}{96500}\times 1 \times 40=2(g)}$$

同様に計算を進めるとNaOHが2(g)生成されます。・・・(答)

NaOHの陽イオン交換膜法まとめ

・陰極側・陽極側での反応式をまとめ

・簡単な図を描いて理解を固めていきましょう。

工業的製法一覧と関連記事へ

工業的製法の覚え方/解説記事まとめページ

 

Twitterでフォローしよう