水酸化ナトリウムについて

質問

水酸化ナトリウムの製法について、
標準的な化学Iの高校教科書には、
イオン交換膜法による製法と、隔膜法による製法が載っているのですが、
このふたつの違いはなんなのでしょうか。

教科書には使用する試薬が、
前者では陽極陰極ともにNaClaqであるのに対し、
後者では陽極はNaClaqですが陰極に薄いNaClaqを使用するとあるのですが、
説明がありません。

これはいったいどのような理由によるのでしょうか。

どなたか詳しい方いらっしゃいましたら、ご回答願えると幸いです。

回答No.3

kagakusuki · ベストアンサー

回答番号:ANo.2です。

>これはいったいどのような理由によるのでしょうか。

　電気分解によって水酸化ナトリウムや塩素ガスを製造する場合、作られた水酸化ナトリウムは水に溶けた水溶液の状態です。
　水酸化ナトリウムの製法というからには、なるべく純度の高い水酸化ナトリウムを作らなければなりませんから、余分な水を取り除く必要があります。
　水を取り除くには、水を全て蒸発させてしまえば良い訳です。
　しかし、陰極側の区画の中の水溶液にCL-イオンが含まれていた場合、水を蒸発させた後に残る水酸化ナトリウムには、NaClが混ざってしまい、純粋な水酸化ナトリウムにはなりません。
　ですから、陰極側の区画の中の水溶液中にはCL-イオンが無い方が良い訳です。
　陰極側の区画に濃いNaClaqを入れると、全てのCL-イオンを陽極側の区画に移動させるには、必要となる電力が多くなります。
　そこで、陰極側の区画に入れる水溶液の濃度を低くする事で、電気分解を開始する前に陰極側の区画に存在しているCL-イオンの量を減らす事で、全てのCL-イオンを陽極側の区画に移動させるのに必要となる電力を節約しているのだと思います。（真水にしてしまうと電流が流れ難くなります）
　尤も、陰極側の区画には薄いNaClaqではなく、水酸化ナトリウム水溶液を入れた方が、更に良いと思います
　尚、陽極で発生する塩素は気体ですから、水溶液中にNa+イオンが混ざっていても、取り出した塩素ガス中に水酸化ナトリウムが混ざる事はありません。
　これは別に隔膜法だけの話ではなく、イオン交換膜法でも陰極側の区画にはCL-イオンを入れない方が良い筈です。
　特に、カチオン交換膜のみを仕切りに使う方法では、陰極側の区画にNaClを入れてしまうと、水酸化ナトリウムの純度が極端に低下してしまい、水酸化ナトリウムの製造方法としては成り立たなくなります。

　従って、イオン交換膜法と隔膜法の両方とも、陰極側のNaClaqの濃度は低い方が良く、陰極側の水溶液の濃度を薄くする理由に、隔膜法である事が関係している訳ではないと思います。
　その教科書に載っているイオン交換膜法の説明で、どちらの区画にもNaClaqが入っているのは、水酸化ナトリウムの製法ではなく、食塩の製法において塩分を濃縮する際に使用される別のイオン交換膜法と間違えているのではないかと思います。

お礼

ご回答ありがとうございました

可能ならばお二方にBAを差し上げたいのですが、kagakusukiさんの二度にわけてのご回答により手間をおかけ頂いたということで、こちら様をBAにさせていただきました。

お二方とも深夜での回答、ありがとうございました。

ご指摘の箇所に関しましては、こちらのミスで、イオン交換膜法の陰極側に薄いNaClaqと記しましたが、うすいNaOHaqの間違いでした。

申し訳ありませんでした。

ご回答、ありがとうございました。

回答No.2

kagakusuki

イオンにはプラスの電気を帯びた陽イオンと、マイナス電気を帯びた陰イオンがありますが、イオン交換膜とは、プラスかマイナスのどちらか一方の電気を帯びたイオンは透過出来ないが、反対の電気を帯びたイオンは透過出来る、という性質を持つ膜の事で、陽イオンは透過出来るが陰イオンは透過出来ないカチオン交換膜と、陰イオンは透過出来るが陽イオンは透過出来ないアニオン交換膜の2種類があります。

【参考URL】
　イオン交換膜 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C

　塩化ナトリウム水溶液を入れた水槽に電極を配置し、陰極側にアニオン交換膜、陽極側にカチオン交換膜が来る様に、2種類のイオン交換膜で水槽を3つに区切った後、電圧をかけます。
　すると、陰極のある区画の中のCL-イオンは陽極に引かれて、アニオン交換膜を通って真ん中の区画に移動しますが、カチオン交換膜は通過出来ないため、陰極側の区画には入って来ません。
　同様に陽極のある区画の中のNa+イオンは陰極に引かれて、カチオン交換膜を通って真ん中の区画に移動しますが、カチオン交換膜は通過出来ないため、陰極側の区画には入って来ません。
　こうして、陰極のある区画では、CL-イオンが無くなり、Na+イオンが残り、陽極のある区画ではNa+イオンが無くなり、CL-イオンが残りますから、陰極のある区画の中の溶液は水酸化ナトリウム水溶液になります。
　この時、真ん中の区画では、元々溶けていたCL-イオンとNa+イオンに、電極のある区画から移動してきたCL-イオンとNa+イオンが加わりますから、元のNaCl水溶液よりも濃度の高いNaCl水溶液になります。
　尚、水酸化ナトリウムや塩素ガスを製造する事だけを目的としていて、塩酸や濃いNaCl水溶液を製造する必要がない場合には、仕切りはカチオン交換膜が1枚だけとして、陽極側の区画にのみNaCl水溶液を入れ、陰極側の区画には真水又は薄い水酸化ナトリウム水溶液を入れます。
　以上が、イオン交換膜法の大雑把な説明です。

　水槽に仕切りが無いと、電気分解で出来た水酸化ナトリウム水溶液と塩酸は混ざり合ってしまいますから、水酸化ナトリウムだけを取り出す事が出来ません。
　そこで、イオンは通しますが、水溶液が直ぐに混ざってしまう事は防げる程度の透過性を持つ仕切り（ろ紙の様な多孔質の仕切りでも間に合います）を設けて、電気分解を行うのが隔膜法です。
　工業的には隔膜法の隔膜にはアスベスト（石綿）が使われていました。（現在の日本では隔膜法は工業的には行われていません）

　隔膜法の隔膜にはイオン交換膜とは違って、陽イオンと陰イオンのどちらも透過する事が出来る材料を使います。

回答No.1

Saturn5

ＮａＯＨの製法は現在では１００％イオン交換膜法になっています。
イオン交換膜が安価になり、イオンの選択性の無いアスベスト隔膜
よりも高純度のＮａＯＨが製造できるからです。

イオン交換膜法の陽極の原料が飽和食塩水で、陰極が水ではない
でしょうか？陽極では塩素が発生し、Ｎａ＋が余ります。
陰極では水素が発生し、ＯＨ－が余ります。このとき、Ｎａ＋が
陽イオン交換膜を通って陰極側に移動し、ＮａＯＨとなるのです。

隔膜法も基本的には上記と同じ原理です。
しかし、アスベスト隔膜にはイオンの選択透過性が無いので、
Ｃｌ－などのイオンも通過してしまいます。そのため、陰極には
１～２％くらいのＮａＣｌが不純物として混入します。

最も純度が高いＮａＯＨの製法は水銀法です。水銀電極では、
陰極で水素が発生せずに、Ｎａのアマルガムができるので、これと
水を反応させると純度が高いＮａＯＨができます。しかし、環境中に
水銀が排出されるので１９６０年までには無くなりました。

参考URL：

http://www.keirinkan.com/kori/kori_chemistry/kori_chemistry_1_kaitei/contents/ch-1/3-bu/3-2-1.htm