陽イオン交換膜法 = 水酸化ナトリウムの製法 = 食塩水の電気分解:反応式などを整理!

難易度:★★☆☆
頻出度:★☆☆☆

今回は最も有名な強塩基である水酸化ナトリウムの製法について解説します。

他の工業的製法ほど頻出ではありませんが、一応知っておくことをおすすめします。

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陽イオン交換膜法?

水酸化ナトリウムは陽イオン交換膜を使って食塩水を電気分解することで製造されます。

この製造法は陽イオン交換膜法と呼ばれますが、(高校化学では特に)あまりメジャーな呼び方ではありません。

ただ名前が付いていた方が呼びやすいかつ覚えやすいと思うので、この記事では以降この呼び方を使います。

なお、「陽」を省略して単にイオン交換膜法と言う場合もあり、こちらの方が浸透しているかもしれません。

しかし(陰イオン交換膜ではなく)陽イオン交換膜を使う、ということを覚えるためにも、「陽」を付ける方がベターでしょう。

<メモ>
陽イオン交換膜とは陽イオンのみが通過できる膜のことです。

陽イオン交換膜法の概要

それでは陽イオン交換膜法の概要について説明します。

次の図をご覧ください。

水酸化ナトリウムの製法(陽イオン交換膜法)の概要図

陽イオン交換膜法では陽極側を陽極室、陰極側を陰極室と呼び、両室は陽イオン交換膜で仕切られています。

陽極には炭素電極を、陽極室の電解液には食塩水塩化ナトリウム水溶液)を用います。

一方、陰極は鉄電極、陰極室の電解液は希薄な水酸化ナトリウム水溶液(または純水)です。

この電解槽を電池につなぐと次の現象が起こります。

(詳しい反応式は後で紹介します。)

陽極室では塩化物イオンが消費され、塩素が発生します。

塩化物イオンが減った分、陽極室ではマイナスが不足する(プラスが過剰となる)ので、電気的中性を保つようにナトリウムイオンが陽イオン交換膜を通って陰極室へ移動します。

一方、陰極室では水が消費されて水素が発生します。

これに伴い水酸化物イオンが生成され、マイナスが過剰(プラスが不足)となりますが、陽極室からきたナトリウムイオンによって電気的中性が保たれます。

このようにして陰極室では、水酸化物イオンの生成とナトリウイオンの陽極室からの供給により、水酸化ナトリウムが生成されます。

(陰極室ではもともと電解液として希薄な水酸化ナトリウム水溶液を使っているので、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が上がるイメージです。)

陽イオン交換膜法の反応式一覧

それでは以上の現象を反応式で見てみましょう。

水酸化ナトリウムの製法(陽イオン交換膜法)の反応式一覧

電気分解の反応式なので、次のリンク先の記事で解説した優先順位どおりに考えればつくることができます。

したがって上記反応式を暗記する必要はありません。

全体の反応式の作り方もシンプルで特に難しいところはありません。

陽極室の反応式と陰極室の反応式を辺々足し、さらに両辺にナトリウムイオンを2個足すことで完成します。

まとめ

ここまでの内容をいつもどおり単語カードにまとめておきます。

陽極の電極材、陽極室の電解液、陰極の電極材、陰極室の電解液、これら4つを覚えておけば反応式は書けます。

そして陽極室と陰極室を陽イオン交換膜で仕切り、ナトリウムイオンのみを通過させることが最大のポイントです。

水酸化ナトリウムの製法(陽イオン交換膜法)のまとめ(1)

水酸化ナトリウムの製法(陽イオン交換膜法)のまとめ(2)

問題に挑戦!

それでは最後に復習問題に挑戦してみましょう。

理解度・暗記度をチェックしてみてください。

特に3番が重要です。

問題

陽イオン交換膜法について次の各問いに答えよ。
1. 陽極室の電解液として用いるのは何か。
2. 陰極の電極材として用いるのは何か。
3. 陽イオン交換膜を通過するイオンは何か。また陽極室、陰極室のどちらからどちらに移動するか。
4. 電気分解により陰極で 1 mol の気体が発生したとき、生成した水酸化ナトリウムは何 mol か。

<解答・解説>

1. 食塩水(塩化ナトリウム水溶液)

2. 鉄(Fe)

3. ナトリウムイオンが陽極室から陰極室へと移動する

4. 2 mol(全体の反応式における水素と水酸化ナトリウムの係数比より)

以上、簡単に全問正解できたのではないでしょうか。

今回はここまでです。

最後まで読んでいただきありがとうございました!