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つは名前が問われてもおかしくないくらい特に重要なので，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，アンモニアと炭酸(ソーダ)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．

アンモニアソーダ法の流れ

「アンモニアソーダ法」は食塩から炭酸ナトリウムをつくる製法です．

「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. 炭酸ナトリウムをつくるステップ
2. 副生成物を再利用するステップ

の2つのステップに分けて理解すると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

なのですが，実際に食塩と炭酸カルシウム(石灰石)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. 炭酸カルシウムを加熱して，二酸化炭素をつくる．
2. 塩化ナトリウム(食塩)，水，アンモニア，二酸化炭素を反応させて，炭酸水素ナトリウムをつくる．
3. 炭酸水素ナトリウムを加熱して，炭酸ナトリウムをつくる．

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)と塩化アンモニウムが生じています．

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)と塩化アンモニウムを処理します．

1. 酸化カルシウム(生石灰)に水を加えて，水酸化カルシウムをつくる．
2. 塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを混ぜて，水，アンモニア，塩化カルシウムをつくる．

これにより出てきた水とアンモニア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．

1. 塩化ナトリウム(食塩)
2. 水
3. アンモニア
4. 炭酸カルシウム(石灰石)

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)を加熱すると，二酸化炭素と酸化カルシウム(生石灰)に熱分解することは知っておきたいところです．

炭酸水素ナトリウムNaHCO₃をつくる

炭酸水素ナトリウムは塩化ナトリウム(食塩)，水，アンモニア，二酸化炭素を反応させれば発生します．

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. 水に食塩を溶かして，食塩水をつくる．
2. アンモニアは水によく溶けることを利用して，食塩水にアンモニアを吸収させる．
3. アンモニアを溶かしたことにより塩基性になるので，二酸化炭素で中和させることができる．

二酸化炭素を水に溶かした炭酸が酸性なので，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)，水，アンモニア，二酸化炭素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

炭酸ナトリウムは炭酸水素ナトリウム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．

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．

この3式について，とすることで，

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，をみると目的の炭酸ナトリウム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，

で副生成物として出てきている酸化カルシウム(生石灰)と塩化アンモニウムをなんとかうまく再利用できる形にしたいと思います．

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(，，など)に水を加えると，水酸化物(，，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，酸化カルシウムに水を加えると，水酸化カルシウムができるのですが，その反応は次の通りです．

「なんで水酸化カルシウムをつくんの？」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

塩化アンモニウムからアンモニア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と塩化アンモニウムを反応させると，次の反応によりアンモニアが発生します．

一度まとめる

さて，いま出てきた2つの反応式をみます．

について，とすることで，

を得ます．

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

全てまとめる

さて，炭酸ナトリウムをつくり，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，副生成物を処理する式

について，とすれば，

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6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は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，あえてアンモニアを回収せず，化学肥料として重要な塩化アンモニウムを取り出すこともあります．

【工業的製法５｜クメン法】に続きます．