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03.
３ボルト
が生み出す洗剤と水素―
電気化学工業―水を水素と酸素に熱分解しようとしたら、２５００度もの高温が必要だ。 電気を使えば、室温で乾電池をふたつ直列につなぐだけで、水素と酸素に電気分解できる。 電気化学工業でどういう化成品が作られているか、調べてみよう。
| 物質 | |||
|---|---|---|---|
| 電解製造 | 電解採取 | 水溶液 ： 🏞 🧪 ⚛ 塩素 、 🏞 苛性ソーダ、 （食塩電解） 🏞 水素 、 ⚛ 亜鉛 | |
| 溶融塩 ： 🏞 ⚛ アルミニウム | |||
| 電解合成 | 水溶液 ：二酸化マンガン | ||
| 有機物 ：アジポニトル | |||
| 電解精製 | 銅 | ||
| 電気透析 | 🏞 食塩 |
洗剤や漂白剤は液体の化学薬品がそのまま身近な生活に使われます。 温度と圧力で作ることができる液体や気体は灰汁やアンモニアです。 今やぼくらは電気の力を化学に使うことができる。 それが電解です。 加熱や加圧の 単位操作だけでは作れなかった化学薬品を手に入れましょう。
1 ) 2 )| モノ | 価値 /円 | 質量 / g | 体積 / cm3 |
|---|---|---|---|
| （ 電気 ） | 31 | - | - |
| 二酸化炭素 | 廃棄物 （大気放出） | 500 | 254545 |
| アルミニウム ( 溶融塩電解 ) | 24 | 75 | 27 |
固体は重量（トン）で価格を決めます。そのまま重量を測ることが多いです。 液体は体積（リットル）で価格を決めますが、液位を測ると便利です。 気体は体積（ ノルマル立米）で価格を決めますが、ボンベの残量などは圧力（気圧）を測ると便利です。
電気は目にも見えず触れることもできないので計器で測るしかありません。 電力量（キロワットアワー）を、モノや価格と紐づけてイメージしましょう。
ファラデー定数は、電気量とモノの架け橋。96500C/molまたは、27kAh/molです。
ぼくらが生きていくために必要な 塩。 ナトリウムとカリウムのバランスが神経を伝わる電気信号に必要がなのだ。 なめてみれば海水に塩が含まれることがわかる。 しかし、この海水から塩を単離することは、容易ではない。 はるか太古から浴び続けた太陽の恵みによってできた岩塩を採掘するのもひとつの手だ。 しかし岩塩を算出しない日本では、海水を濃縮するのにさまざまな努力をしてきた。
| 項目 | 通称 | 化学式 | 色・形状・取り扱い | |
| 試薬（固体、広口ポリ瓶またはサンプル瓶) | ||||
| 硫酸銅５水和物 | 胆礬 | CuSO4・5H2O | 青色 固体結晶 | |
| 硫酸亜鉛７水和物 | 皓礬 | ZnSO4・7H2O | 白色固体結晶 | |
| 硫酸アンモニウム鉄(Ⅲ) | 鉄明礬 | NH4 |
淡紫色 固体結晶 | |
| 硫酸アンモニウム鉄(Ⅱ) | モール塩 | (NH4)2 |
淡緑色 固体結晶 | |
| 塩化ナトリウム | 食塩 | NaCl | 白色固体結晶、溶解時吸熱 | |
| 塩化カリウム | カリ炭塩 | KCl | 白色固体結晶、溶解時吸熱 | |
| 塩化鉄(Ⅲ) | 塩化第二鉄 | FeCl3 | 濃茶褐色 固体結晶 | |
| フェリシアン化カリウム | 赤血塩 | K3[Fe(CN)6] |
赤色
固体結晶 |
|
| フェロシアン化カリウム | 黄血塩 | K4[Fe(CN)6] |
赤色
固体結晶 |
|
| 電解二酸化マンガン | EMD | MnO2 | 黒色 粉末 | |
| 炭素(グラファイト) | グラファイト | C | 黒色 粉末 | |
| テフロン(TM)分散液 | Teflon | 乳化白色液体 | ||
| 水酸化カリウム | 苛性カリ | KOH | 白色固体結晶、濃アルカリ注意 | |
| 水酸化ナトリウム | 苛性ソーダ | NaOH | 白色固体結晶、濃アルカリ注意、 過電圧 | |
| 炭酸水素ナトリウム | 重曹 | NaHCO3 | 白色固体結晶 | |
| アニリンブルー、水溶性 | C32H25N3Na2 |
青色粉末 | ||
| コンゴーレッド | C32H22N6Na2 |
赤色粉末 | ||
| ブロムチモールブルー | BTB | C27H28 |
淡黄色粉末 | |
| メチルレッド | MR | C13H13 |
黄色粉末 | |
| フェノールフタレイン | PP | 白色粉末 | ||
| カルボキシルメチルセルロースナトリウム | CMC | 白色粉末 | ||
| DL－ガラクトース | 寒天 | (C6H12O6)n | 白色粉末 | |
| 食卓塩 | あじしお | NaCl | グルタミン酸ナトリウム（HOOC(CH2)2 |
|
| 試薬（液体、細口ポリ瓶) | ||||
| 95%エタノール | CH3CH2OH |
危険物第４類、
吸水性、揮発性、引火性 |
||
| 29%アンモニア水(15mol·dm-3) | NH3 | ドラフト内で操作 | ||
| 95%硫酸(18mol·dm-3) | H2SO4 | 発熱注意、希釈時は水に硫酸を注ぐ | ||
| 36%塩酸(12mol·dm-3) | HCl | ドラフト内で操作 | ||
| 60%硝酸(13mol·dm-3) | HNO3 |
危険物第６類、ドラフト内で操作 |
||
| サラダオイル | - | 未知試料 | Confidential | 詳細については、現場でご相談ください |
| 廃液入れ(ポリカップ)※ | ×2、重金属イオン用、全ての廃液を入れる。寒天は入れないこと。 | |||
先生：「工業の基本はコスト削減、効率アップ。
電気化学
で習った過電圧覚えてる？」
学生：「うーん・・・」
先生：「ちょうど
学生実験
で
分解電圧
とか
過電圧
とかの実験やっるんじゃない？」
学生：「そうそう言えば
分解電圧の実験
とかやってたかも」
先生：「最近じゃ、なんだか成人病の天敵みたいに言われている塩分だけどね、食塩は人間にとってなくてはならないものなんだ」
学生：「へえ」
先生：「
たばこと塩の博物館
行ったことある？
」
先生：「
給料（サラリー）と塩（ソルト）の語源は同じらしいんだ。
」
先生：「
岩塩
が取れるところならいざ知らず
温度で溶解度がほとんど変わらないから析出されるわけにいかず、
天日で水分を蒸発させるしかなかった。
」
食塩は、食用だけでなく、 カセイソーダや ソーダ灰の 原料となります。
多重効用蒸発では、効用数nのとき、 ボイラーから蒸発缶に供給される水蒸気量は、1/nとなります。 しかし、設備費は、効用数nに比例するので、経済的な効用数nは、6以下です 4 ) 。
現在、日本では、食用のみをイオン交換膜法で製造し、工業用の大部分は、海外の塩田で作られたものを輸入しています 5 ) 。
6 )
物質に電気を流すには、 電極を少なくともふたつ取り付けなくてはいけません。 電極ふたつがついた一組を、セルと呼びます。 電解槽、電気化学セル、電池などセルと言います。 セルは電気エネルギーを使った反応器です。
セルには細胞という意味もあります。
ひとつあるいは複数のセルを直列につないで電気と取り出すひとかたまりとした場合の電池は、バッテリーと呼びます。
セルには寸法があります。 セルの寸法でうち大切なふたつは、電極面積と電極間距離です。 電極面積と電極間距離の比をセル定数と言いますが、実際のセルでは複雑なカタチをしているので、セル定数を実験的に定めることが多いです。 また電極面積も、電極表面に微細な凹凸があったりすると、真の電極面積とみかけの電極面積が異なります。 真の電極面積とみかけの電極面積の比を、拡面倍率と呼んだりします。
導電率 などを測定するセルでは、白金黒（こく）などで電極表面で加工して、拡面倍率を大きくして、電極表面インピーダンスを小さくして、導電率測定の精度を向上させます。
平行平板電極であれば、
セル定数a＝電極間距離d÷セル断面積S
です。
一般的には、導電率既知のKCl溶液などを使って、セル定数を較正します。
コンダクタンス＝導電率
電気抵抗＝抵抗率×長さ÷電極面積
製塩の歴史と電気透析。 海水から食塩を取り出すのに、熱エネルギーを使うより、電気エネルギーを使った法がはるかに効率がいい。 これも 電気化学 で習ったね。
イオン交換膜を使ったカンスイの製造
| プロセス |
アルミ ニウム 溶融塩電解 |
食塩電解 |
銅 電解精錬 |
亜鉛 電解採取 |
|---|---|---|---|---|
| 🏞 原料 | 食塩（岩塩） | |||
| 製品 | 亜鉛 | |||
| 理論電気量 /kAh/t | 2980 | 670 | 844 | 820 |
| 理論分解電圧 /V | 4.17 | 2.2 | 0.1×10-3 | 2.0 |
| アノード 電流密度/A/m2 | ||||
| 単槽 電圧/V | ||||
| 電気量原単位 /kAh/t | 3350 | 910 | ||
| 電解電力 （ 電力原単位 ） /kWh/t | 13400 | 2200 | 284 | 3000 |
| 電流効率 | ||||
| 電圧効率 | ||||
| エネルギー効率 7 ) |
理論分解電圧とは、アノードとカソードの平衡電位の差であって、槽電圧（浴電圧）をこれ以下に切り下げることはできません 。
8 )| 電解槽 | Ti| RuO(DSA) | NaCl aq | イオン交換膜 | NaOH aq | Ni |
| アノード 反応 | Cl2 + 2e- ← 2Cl- Eº = 1.3583V |
| カソード 反応 | 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 Eº = -0.8285V |
| 全反応 | 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 +H2 |
| 理論分解電圧 | e.m.f. = 2.1868V |
食塩水を電解すると、塩素ガス、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、それに 水素が得られます。 これを、工業的に食塩電解（chlor-alkali electrolysis）ソーダ電解、あるいは塩素・アルカリ電解と呼ばれます。 アノードにはチタンが使われますが、 塩素過電圧を小さくするために、触媒として酸化ルテニウムを被覆したものを使います。 9 ) 。 10 )
👨🏫 東北東ソー化学＠山形県酒田市温度や 圧力ではなしえない電気エネルギーで、原料を酸化や還元し、 塩素 や 水酸化ナトリウムを取り出すのが電解採取だ。 酸化を起こす電極を アノードと言い、還元を起こす電極をカソードと言う。 ソーダ工業と呼ばれるジャンルだ。 ソーダ工業は、電解ソーダ工業とソーダ灰工業からなる。電解ソーダ工業 の原料は食塩と電気だ。
ソーダ製品 には、塩素ガス、塩酸、 次亜塩素酸ソーダ、高度さらし粉、水素ガス、ソーダ灰などがある。 塩素や水素は気体なのでボンベにつめて出荷される。水酸化ナトリウムは強アルカリだ。 漏らすな、危険。
次亜塩素酸ソーダは、塩素系漂白剤に使われます。水道水の消毒にも欠かせません。
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/c1/C1_Project/jia.asp
電気分解に必要な電圧はそれほど高くないが、ファラデーの電気分解の法則の通り、生産量は電気量に比例する。 よって大量生産しようとすれば大電力を消費する。 また生産速度を上げようとすれば、多くの電流を流すことになる。 受電設備や電気配線の管理を正しく行う必要がある。
電気化学の分解電圧、 学生実験の分解電圧、 無機工業化学の電気化学工業 で取り上げた食塩電解の工場です。
電気透析
電解の化学
イオン交換膜
洗剤を作るのになくてはならない 水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）。 これも 食塩水 の電気分解することなしにはまず作れない。 漂白剤に必要な塩素だって同じだ。 塩素が無ければ塩酸だって作れない。
出典： アイポッシュ
| 温室効果ガス | 地球温暖化係数 | 原因となる人間活動 |
|---|---|---|
| 二酸化炭素 | 1 | エネルギー アンモニア の製造、ソーダ石灰ガラス又は 鉄鋼 の製造、 ソーダ灰の製造、 エコキュート |
| メタン | 25 | 稲作など |
| 一酸化二窒素（亜酸化窒素）N2O | 298 | 廃棄物等の焼却もしくは製品の製造 の用途への使用・廃棄物燃料の使用 |
| 🏞 HFC(R32) | 675 | 最近の エアコン 、 ネオキュート 、 エコワン |
| HFC(R410A) | 2090 | 古い エアコン |
熱サイクルでは、冷媒を必要とします。
温室効果ガス排出量tCO2は、 鉄鋼業、 石油製品 ・ 石炭製品製造業、 窯業・ 土石製品製造業、化学工業、 パルプ・ 紙・紙加工品製造業などで多くなっています。
👨🏫 三井デュポンフロロケミカル清水工場＠静岡県静岡市 👨🏫 ダイキン淀川製作所＠大阪府摂津市白金のコバルト合金。
エネルギー貯蔵のための電気化学。 電池は電気エネルギーを化学エネルギーたくわえるデバイス（無機工業化学）。 乾電池、燃料電池、リチウム電池といろいろな電池が使われてきた（エネルギー変換特論）。
水を水素と酸素に熱分解しようとしたら、２５００度もの高温が必要です。 電気を使えば、室温で乾電池をふたつ直列につなぐだけで、水素と酸素に 電気分解できます。
25℃、1atmでの 平衡電位の差を理論分解電圧と言い、1.23Vです 11 ) 。 理論分解電圧は、自由エネルギーより計算され、理論稼働電圧は、 エンタルピーから計算されます 12 ) 。
化学実験Ⅰでは、下記の実験をやっていますね。
アノード、カソードに 白金を使って、水酸化ナトリウム水溶液を分極した電流‐電圧曲線です。 化学実験Ⅱの予備実験では、分解電圧は1.75Vでした。 そこから水の理論分解電圧を差し引いた過電圧は0.49Vでした。
水電解です 13 ) 。 アノードの析出物質は、酸素で、 カソードの析出物質は、水素です。 ナトリウムイオンは、電気を流す支持電解質で、電気分解には関与しません。
セラミックスを合成しようとしたら、１０００度もの高温が必要だ。 電気を使えば、室温で酸化物が合成できる。 しかもたとえば電解合成した二酸化マンガンを乾電池の材料に使うと性能があがる。
野村正勝・鈴鹿輝男
最新工業化学―持続的社会に向けて―
講談社サイエンティフィク
目次
松林光男、渡辺弘,
イラスト図解 工場のしくみ
,日本実業出版社
山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学,
丸善
,
目次
(2012).
14
)
