イオン交換膜法で水酸化ナトリウムを工業的に生成する原理!

イオン交換膜法 陽イオン 水酸化ナトリウム

ども!わたなべです。

 

NaOHの工業的製法としてイオンン交換膜法というのが現在使われています。

 

で、無機化学を勉強する人におおいのが、

 

「これは特殊な方法だから覚えないと!!」となってしまうことです。非常に多くて困ります。ちゃんと電気分解の知識を使えば余裕です。

電気分解の反応式の覚え方!水の電気分解ってこういう事!?

 

それでは、詳しく見ていきましょう!

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NaOHの電解精錬の理念

工業的製法は、ほとんど同じような理念があります。それは、『安い材料でええもん作りましょ!』です。

 

そして、アンモニアソーダ法(ソルベー法)でもつかわれた安いざいりょうですが、それはNaClです。

 

塩化ナトリウム 食塩 NaCl

こんなもの海からいくらでも取れます。

 

「これと水で、NaOH作れたら素敵だな〜」というのがこの陽イオン交換膜法の理念です。

陽イオン交換膜法の様子

まずこれは電気分解ですので、電子が流れる向きを矢印を書いて確認しなければなりません。

陽イオン交換膜法 電気分解 水酸化ナトリウム

このようになります。

 

 

 

つまり、ちゃんと覚えていなくても、陽極還元剤と言う事がわかります。

 

陽極の反応

陽極の序列は、極板>溶液中のハロゲン>水でした。

 

今回陽極の炭素は超高温でないと、電子を放出しないので、極板ではない。すると溶液中のハロゲンと言う事になります。

2Cl→Cl2+2e

 

という反応である事がわかります。

そして次は陰極ですが、陰極は電子を受け取るので酸化剤です。

 

陰極の反応は、極板は関係ありませんでした。

そして、溶液中に~iumがつくものは電子を受け取りませんので、Na++e→Naと言う反応は起こりえません。

陰極の反応

陰極の反応の序列ですが、Ag+>Cu2+>H+です。今回Ag+やCu2+はないので、しかも塩基性なので(希水酸化ナトリウム)を溶かし込んでいる状態です。

 

 

なので、水が反応します。

 

2H2O+2e→H2+2OH

と言う反応が起ります。

 

 

全体まとめた式

電気分解は、普通に酸化還元反応なので、電子を消すという方向性で化学反応式を作っていけば良いと思います。

 

2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2+H2

 

となります。

 

陽イオン交換膜とは?

陽イオン交換膜
陽イオン交換膜とは、このように陽イオンだけが通れる膜のことです。

陽イオン交換膜法
このように陽イオン交換膜は、表面に-SO3がついている状態です。なので、陰イオンは電気的にーとーなので反発する力が生じます。

陽イオン交換膜 陰イオン陽イオン交換膜 陰イオン
なので、陰イオンは、このようにはじかれます。

しかし陽イオンは、

陽イオン交換膜法 陽イオン
このように通れます。ー+ーだから陽イオンは出られなくなるのでは?と思うかもしれませんが、Na+はどんどん生成されていくので、

どんどんおしだされていきます。

 

なのでどんどん陰極側に押し出されていきます。

 

陽イオン交換膜を使う理由

OHが陽極に流れ込むのを防ぐ

この陽イオン交換膜はOHが陽極に流れ込んでしまうのを防ぐためが1つです。

というのも、陽極はCl2が発生します。このCl2は水に溶けて、酸性物質の塩化水素と次亜塩素酸が出来上がります。

Cl2+H2O→HCl+HClO

 

ここにOHが入り込んでしまうと、中和反応が起ってしまい、せっかくのOHが消費されてしまいます。

 

これはもったいないので陽イオン交換膜を使います。

 

Clが陰極へ流れ込むのを防ぐ

また、もう1つは、陽極からClが陰極に流れ込んで、不純物となります。純粋なNaOHが取り出せなくなります。

 

 

なのでこれを防ぐためにも陽イオン交換膜を使います。

 

 

いかがでしょうか?

 

 

陽イオン交換膜の知識がわかれば、あとはただの電気分解の問題なので、無理やり反応式を覚えようとするのはヤメておきましょう!

 

 

それでは!ありがとうございました!

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