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工業的製法4|アンモニアソーダ法(ソルベー法)

この記事では,工業的製法である「アンモニアソーダ法(ソルベー法)」を説明します.

「アンモニアソーダ法(ソルベー法)」とともに,高校化学で習う名前の付いた重要な工業的製法を挙げるとすると次の5つです.

  1. オストワルト法
  2. ハーバー・ボッシュ法
  3. 接触法
  4. アンモニアソーダ法(ソルベー法)
  5. クメン法

他にもアルミニウムなどの重要な工業的製法もありますが,上に挙げた5つは特に重要なのでキッチリ覚えてください.

「アンモニアソーダ法」はその名の通り,アンモニア\mathrm{NH_3}と炭酸(ソーダ)\mathrm{H_2CO_3}が登場する工業的製法です.

「アンモニアソーダ法(ソルベー法)」は高校化学の工業的製法の中でも,多くの知識が必要で複雑です.それだけに試験でも狙われやすいので,確実に押さえたいところえす.

なお,「アンモニアソーダ法」は「ソルベー法」ともいうように,ベルギーのエルネスト・ソルベー氏が発明しました.

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アンモニアソーダ法の流れ

「アンモニアソーダ法」は食塩\mathrm{NaCl}から炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}をつくる製法です.

「アンモニアソーダ法」について特筆すべき点は,炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}をつくる過程で出た副生成物をほとんど棄てることなくうまく再利用できることでしょう.

したがって,「アンモニアソーダ法」は

  1. 炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}をつくるステップ
  2. 副生成物を処理するステップ

の2つのステップに分けて理解すると非常によく理解できると思います.

さて,「アンモニアソーダ法」の反応をまとめた式は

\mathrm{2NaCl + CaCO_3 \to NaCO_3 + CaCl_2}

なのですが,実際に食塩\mathrm{NaCl}と炭酸カルシウム(石灰石)\mathrm{CaCO_3}を混ぜてもこの反応は起こりません.

しかし,仲介役としてアンモニア\mathrm{NH_3}を登場させることで,最終的にこの反応と同じことを起こすことができるのです.

反応の流れは,次の通りです.

  1. 炭酸カルシウム\mathrm{CaCO_3}を加熱して,二酸化炭素\mathrm{CO_2}をつくる.
  2. 塩化ナトリウム(食塩)\mathrm{NaCl},水\mathrm{H_2O},アンモニア\mathrm{NH_3},二酸化炭素\mathrm{CO_2}を反応させて,炭酸水素ナトリウム\mathrm{NaHCO_3}をつくる.
  3. 炭酸水素ナトリウム\mathrm{NaHCO_3}を加熱して,炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}をつくる.

ですが,これだけでは副生成物として,酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}と塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}が生じています.

工業的製法はあくまでビジネスに利用されているのですから,「無駄なく安く」が基本です.ですから,副生成物はできるだけ少なくしたいわけです.

そこで,次のような流れで,酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}と塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}を処理します.

  1. 酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}に水\mathrm{H_2O}を加えて,水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}をつくる.
  2. 塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}と水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}を混ぜて,\mathrm{H_2O},アンモニア\mathrm{NH_3},塩化カルシウム\mathrm{CaCl_2}をつくる.

これにより出てきた水\mathrm{H_2O}とアンモニア\mathrm{NH_3}は再利用できるので,捨てるものが減り無駄が削減されました.

ということで,用意するものは次の4つです.

塩化ナトリウム(食塩)\mathrm{NaCl},水\mathrm{H_2O},アンモニア\mathrm{NH_3},炭酸カルシウム(石灰石)\mathrm{CaCO_3}

炭酸ナトリウムをつくる

まずは,炭酸ナトリウムをつくります.

二酸化炭素CO2をつくる

炭酸カルシウム(石灰石)\mathrm{CaCO_3}を加熱すると,二酸化炭素\mathrm{CO_2}と酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}に熱分解することは知っておきたいところです.

\mathrm{CaCO_3 \to CO_2 + CaO}\dots(1)

炭酸水素ナトリウムNaHCO3をつくる

炭酸水素ナトリウム\mathrm{NaHCO_3}は塩化ナトリウム(食塩)\mathrm{NaCl},水\mathrm{H_2O},アンモニア\mathrm{NH_3},二酸化炭素\mathrm{CO_2}を反応させれば発生します.

\mathrm{NaCl + H_2O + NH_3 + CO_2 \to NaHCO_3 + NH_4Cl}\dots(2)

ただし,混ぜ方が実は問題で次のように順に混ぜるのがポイントです.

  1. \mathrm{H_2O}に食塩\mathrm{NaCl}を溶かして,食塩水\mathrm{NaCl}aqをつくる.
  2. アンモニア\mathrm{NH_3}は水によく溶けることを利用して,食塩水\mathrm{NaCl}aqアンモニア\mathrm{NH_3}を吸収させる.
  3. アンモニア\mathrm{NH_3}を溶かしたことにより塩基性になるので,二酸化炭素\mathrm{CO_2}で中和させることができる.

二酸化炭素\mathrm{CO_2}を水\mathrm{H_2O}に溶かした炭酸\mathrm{H_2CO_3}が酸性なので,3で中和が起きるというわけですね.

こうして塩化ナトリウム(食塩)\mathrm{NaCl},水\mathrm{H_2O},アンモニア\mathrm{NH_3},二酸化炭素\mathrm{CO_2}を反応させることができるわけです.

炭酸ナトリウムNa2CO3をつくる

炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}炭酸水素ナトリウム\mathrm{NaHCO_3}の熱分解により生じることは有名でしょう.

中学校で習った記憶がある人も多いと思います.

\mathrm{2NaHCO_3 \to Na_2CO_3 + H_2O + CO_2}\dots(3)

この分解はなかなか面白い反応で,この1つの分解で固体,液体,気体が発生しています.

一度まとめる

さて,いま出てきた3つの反応式をみます.

\left\{\begin{matrix} \mathrm{CaCO_3} & \to & \mathrm{CO_2 + CaO} &\dots(1)\\ \mathrm{NaCl + H_2O + NH_3 + CO_2} & \to & \mathrm{NaHCO_3 + NH_4Cl} &\dots(2)\\ \mathrm{2NaHCO_3} & \to & \mathrm{Na_2CO_3 + H_2O + CO_2} &\dots(3) \end{matrix}\right.

この3式について,(1)+2\times(2)+(3)とすることで,

\mathrm{2NaCl + 2NH_3 + CaCO_3 + H_2O \to Na_2CO_3 + 2NH_4Cl + CaO}\dots(4)

が得られます.(実際に手を動かして確かめてください)

さて,(4)をみると目的の炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}が出来ているので一応は成功です.

副生成物を処理する

上でも書いたように,工業的製法は「無駄なく安く」が基本ですから,副生成物として出てきている酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}と塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}をなんとかうまく処理したいところです.

そこで,酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}と塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}を次のように処理します.

酸化カルシウム(生石灰)CaOを処理する

アルカリ金属,アルカリ土類金属の酸化物(\mathrm{Na_2O}\mathrm{BaO}\mathrm{CaO}など)に水\mathrm{H_2O}を加えると,水酸化物(\mathrm{NaOH}\mathrm{Ba(OH)_2}\mathrm{Ca(OH)_2}など)になることを利用します.

この反応はよく出現するので,押さえておいてください.

ということで,酸化カルシウム\mathrm{CaO}に水\mathrm{H_2O}を加えると,水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}ができるのですが,その反応は次の通りです.

\mathrm{CaO + H_2O \to Ca(OH)_2}\dots(5)

「なんで水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}をつくんの?」と思った人もいると思いますが,この水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}はこの次で役立ちます.

塩化アンモニウムNH4Clを処理する

塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}からアンモニア\mathrm{NH_3}を引き剥がすことができれば,アンモニアは再利用できます.

実は,今つくった水酸化カルシウム\mathrm{Ca(OH)_2}と塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}を反応させると,次の反応によりアンモニアが発生します.

\mathrm{2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \to 2NH_3 + 2H_2O + CaCl_2}\dots(6)

一度まとめる

さて,いま出てきた2つの反応式をみます.

\left\{\begin{matrix} \mathrm{CaO + H_2O} & \to & \mathrm{Ca(OH)_2} & \dots(5)\\ \mathrm{2NH_4Cl + Ca(OH)_2} & \to & \mathrm{2NH_3 + 2H_2O + CaCl_2} & \dots(6) \end{matrix}\right.

について,(5)+(6)とすることで,

\mathrm{2NH_4Cl + CaO \to 2NH_3 + H_2O + CaCl_2}\dots(7)

を得ます.

これにより,塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}と酸化カルシウム(生石灰)\mathrm{CaO}から,アンモニア\mathrm{NH_3}を引き剥がすことに成功し,副生成物は塩化カルシウム\mathrm{CaCl_2}だけになりました.

全てまとめる

さて,炭酸ナトリウム\mathrm{Na_2CO_3}をつくり,副生成物も処理したところで,すべての式をまとめます.炭酸ナトリウムをつくる式(4),副生成物を処理する式(7)

\left\{\begin{matrix} \mathrm{2NaCl + 2NH_3 + CaCO_3 + H_2O} & \to & \mathrm{Na_2CO_3 + 2NH_4Cl + CaO} & \dots(4)\\ \mathrm{2NH_4Cl + CaO} & \to & \mathrm{2NH_3 + H_2O + CaCl_2} & \dots(7) \end{matrix}\right.

について,(4)+(7)とすれば,

\mathrm{2NaCl + CaCO_3 \to Na_2CO_3 + CaCl_2}

となり,全体の反応式が得られます.

補足

この製法の利点は2で使ったアンモニアを5で全量回収でき,アンモニアを循環させるだけで新たにアンモニアを必要とせず,棄てることもない点にあります.

このことと副生成物が少ないということで,アンモニアソーダ法は効率的な製法だと言えます.

また,副生成物の塩化カルシウム\mathrm{CaCl_2}道路の凍結防止剤などに用いられることがありますが,用途はあまり多くありません.

そこで,あえてアンモニア\mathrm{NH_3}を回収せず,化学肥料として重要な塩化アンモニウム\mathrm{NH_4Cl}を取り出すこともあります.

次の記事「工業的製法5 ―クメン法―」に続きます.

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