金属・気体等の工業的製法総まとめ

無機化学において、最も理解や記憶に苦労する範囲の一つである『工業的製法』について解説した記事を総まとめしています。

また、その理解に有用である理論化学をはじめとする分野も一部紹介していきます、(ブックマーク!推奨です)

工業的製法とその勉強法

無機の工業的製法は、一つ一つにしっかりとした仕組みや理由があるので『全部丸暗記』しようとするのはしんどいだけでなく、「ちょっとレベルを上げた問題に対応できない」など、メリットが無いのでお勧め出来ません。

その対処法として

一つは、この項目で紹介する理論を固める

また、各製法のところにpointsを書いているので、それに特に注意して記事を読んでみてください。

酸化還元分野

さて、工業的製法を『理屈』で比較的楽に理解していくためには、主にこの項と次の項で紹介している三つの理論化学分野を抑えておく必要があります。

その一つ目が『酸化・還元反応』に関する分野です。

>>「酸化還元反応の解説記事まとめ」<<

反応速度/平衡分野

2つ目は、ルシャトリエの原理をはじめとする平衡・反応速度についての分野です。

これはより効率的に目的とする化合物を得るために登場し、理由系問題も多く出題されます。

反応速度と平衡の記事へ

酸塩基の知識(中和/塩など)

加水分解や塩(えん)の弱酸/弱塩基遊離を含む酸・塩基についての知識も同じく大切です。

酸・塩基反応の記事へ

特にこの3分野と以下で紹介する具体的な製法を行き来して、効率的に覚える様にしましょう。

金属の工業的製法・製錬など

大きく金属と非金属(主に気体や酸など)にわけることができ、特に金属の工業的製法については【酸化還元分野】との関わりが深いです。

鉄/鋼の違いと高炉での製法

鉄鋼製品を作る過程には、”鉄鉱石から高炉→転炉を経るコース”と、”リサイクルされた鉄屑などを電気炉で溶かし→再利用する”、という2通りがあります。

鉄の工業的製法と鋼・それらの合金まとめ

上の記事では、高炉での方法(入試で問われるのはほぼこの製法)に加えて、鉄の合金など最も身近な金属である鉄について詳しく解説しています。

鉄の高炉での工業的な製法(詳細図)

points:鉄と鋼の違い、スラグの用途、高炉での酸化鉄の酸化数の変化など

アルミニウム(融解塩電解)

アルミニウムはその昔大変高価な金属で、貴族などしか所持できないようなものでした。

それはアルミニウムの製法に大変なコストとエネルギーが掛かるからです。

以下の記事では、そのエネルギーを減らす工夫などを詳しく図解しています。

アルミニウムの工業的製法(ホール・エルー法)

アルミニウムの製法(の模式図)

points:アルミナ・氷晶石の化学式・氷晶石を使う訳

銅の電解精錬

銅(粗銅)を電気化学(電気分解)によって純度の高い銅に精錬していきます。

銅の電解精錬と陽極泥」また、その過程で粗銅の下にたまる”陽極泥”と呼ばれる物質について紹介しました。

Cuの電解精錬の仕組み図と陽極泥

points:ファラデー定数などを適切に扱って、析出する銅(銅板)の質量を求めることが出来るか?

炭酸ナトリウム(ソルベー法)

ガラスなどの主成分としてなくてはならない『炭酸ナトリウム』を無駄なく、効率的に生産する「ソルベー法(アンモニアソーダ法)」について解説しました。

points:なんと言っても、反応図を自分で描き、再利用するサイクルを把握しているか?

水酸化ナトリウム(電気分解)

水酸化ナトリウムの製法:イオン交換膜法」:電気分解(イオン交換膜法)を用いて、手に入りやすいNaClなどからNaOHを作り出します。

石膏・カーバイド等Ca関連の製法

「(作成中);アルカリ土類金属・カルシウム関連の化合物と製法」

 

気体や非金属の工業的な製法

非金属物質の工業的製法では、はじめに紹介した様に”酸化還元”に加えてルシャトリエの原理をはじめとする、『化学平衡』の知識が必要となります。

特にここで紹介する無機化合物は窒素・リン・硫黄などを中心とした「肥料」と、「酸」がメインです。

アンモニア(ハーバー法)の製法

上述したように、アンモニアは肥料などとして非常に重要な物質ですが、それを構成する窒素と水素の直接的な反応は難しいものでした。

それを解決した、「ハーバー・ボッシュ法」(下の硝酸と同じ記事です)と、試験でよく問われる圧力・温度について解説しました。

points:収率を上げるために行うことと、その理由(熱化学方程式を交えて説明できるか)

硝酸の製法(オストワルト法)

白金触媒下で硝酸を作り出す「オストワルト法」をその特徴とともに図解しています。

points:ハーバー法とオストワルト法が”どっちがどっちだった”か?と、ど忘れしやすいです。

また、『ハーバー法でアンモニアを作り』、続けて『オストワルト法で硝酸を作る』様な、2つの製法を合わせた問題が出題されることがあります。

硫酸(接触法)

様々な化学工業において必要不可欠な”硫酸”を作る「接触法と発煙硫酸」とその性質を紹介しています。

接触法の各段階の図解

points:硫酸・発煙硫酸の性質、”希釈”の方法

工業的製法のコツ、無機関連分野まとめ

工業的製法は、いかに手に入れ易い物質(資源)からできるだけ効率よく(エネルギーを使用する量を少なく・また、製造中の中間生成物などをムダにすること無く)、目的の物質を得ようと考えられた結果です。

したがって、闇雲に丸暗記するのではなく「この製法に至る意味・理論」をしっかりと理解する事こそが最短時間で攻略するコツです。

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