はじめに

多くの高校生・受験生が「暗記不十分」な状態で放置している無機化学。このページでは、水酸化ナトリウムの製法である「陽イオン交換膜法」について、仕組みや反応式を1から丁寧に解説していく。ぜひこの機会に知識を定着させ、ライバルと差をつけよう!

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陽イオン交換膜法とは

陽イオン交換膜法とは、陽イオンだけを透過させ陰イオンを透過させない性質をもつ「陽イオン交換膜」という特殊な膜を用いて、純度の高い水酸化ナトリウム溶液を得るための工業的方法である。

これからこの方法について図を用いながら5STEPで説明していくので、順を追ってきっちり理解するようにしよう。


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陽イオン交換膜法の仕組み

これから上の5STEPを用いて陽イオン交換膜法の原理を解説していく。


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STEP1

陽極室に飽和塩化ナトリウムNaCl水溶液を、陰極室に水(希NaOH水溶液)を入れる


まずは、陽極室・陰極室それぞれに材料となる水溶液を入れる。
陰極側においてNaOHの生成反応に直接関与するのは水H2Oだが、電気伝導性を上げるために実際は希NaOH水溶液が用いられることが多い。

STEP2

陽極ではClがeを放出しCl2になる

STEP3

陰極ではH2Oがeを受け取りOHが発生する


(下の説明で反応式を見れば確認できるが、)水素H2も同時に発生していることを把握しておこう。

STEP4

陽極室にあるNa+が陽イオン交換膜を通過し陰極室に移動する

STEP5

STEP3で発生したOHとSTEP4で陰極室に移動したNa+がくっつきNaOHが生成する


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陽イオン交換膜法の反応式

上で説明した5STEPに基づいて、陽極・陰極・全体の反応式を考えていこう。

陽極の反応式

陽極での反応は、STEP2でやった通り「Clがeを放出しCl2になる」反応だった。
これを式にすると以下のようになる。

\[
2Cl^{-} → Cl_{2} + 2e^{-}
\]

陰極の反応式

陰極での反応は、STEP3でやった通り「H2Oがeを受け取りOHが発生する」反応だった。
これを式にすると以下のようになる。

\[
2H_{2}O + 2e^{-} → H_{2} + 2OH^{-}
\]

全体の反応式

陽極の反応式と陰極の反応式を足しあわせよう。

今回は2つの式の電子(e)の数が揃っているからそのまま足せばOK!(反応式の作り方が分からなかったら「高校化学「化学反応式の作り方・計算問題」完全マスター講座!!」を参照)
陽極・陰極どちらの式にもNa+が入っていないので、最後にこれを補うことも忘れないようにしよう。


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陽イオン交換膜の役割

最後に、陽イオン交換膜の役割についてまとめておく。

はじめに説明したように、陽イオン交換膜とは「陽イオンだけを透過させ陰イオンを透過させない性質をもつ膜」だった。今回、水酸化ナトリウムの生成に陽イオン交換膜を使ったのはこの性質を生かして、

陽極室にいるNa+だけを陰極側に通過させ(OHと反応させて目的物質NaOHを作り)、Clは透過させずに陽極側に保つ(そしてe放出させCl2にする)ため

である。よく理解しておこう。


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