ソルベー法（アンモニアソーダ法）の反応式をわかりやすく説明

この記事では、ソルベー法を5STEPに分けて、各STEPの反応をわかりやすく説明します。

ソルベー法とは

ソルベー法は、塩（NaCl）と石灰石（CaCO₃）から炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）を製造する方法です。ソルベー法は、ガラスの材料になる炭酸ナトリウムを安く大量に作ることを目的に開発されました。1861年にベルギーの化学者エルネスト・ソルベーが考案したことからソルベー法と呼ばれています。アンモニアを用いることから、アンモニアソーダ法とも呼ばれます。

ソルベー法は、電気分解が必要ないことと、副生成物の二酸化炭素、アンモニア、塩化アンモニウムを回収して再利用するため、低コストで製造できます。

ソルベー法の反応式

ソルベー法は5つの反応でできています。

STEP1　石灰石の熱分解

石灰石（炭酸カルシウム）を1000℃で熱分解して生石灰（酸化カルシウム）とし、同時に二酸化炭素を発生させます。

CaCO₃ → CaO + CO₂（上の図では赤色の矢印で表されている）

STEP2　生石灰と水の反応

生石灰（酸化カルシウム）を水と反応させ、消石灰（水酸化カルシウム）とします。

CaO + H₂O → Ca(OH)₂（上の図ではオレンジ色の矢印で表されている）

STEP3　消石灰と塩化アンモニウムの反応

消石灰（水酸化カルシウム）と塩化アンモニウムを反応させて塩化カルシウムとし、同時にアンモニアを発生させます。ここで発生したアンモニアは回収され、STEP4で使用します。

Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O（上の図では緑色の矢印で表されている）

STEP4　塩化ナトリウムと二酸化炭素、アンモニアの反応

食塩を水に飽和させ、そこへアンモニアを十分に溶かした後に、二酸化炭素を通じると、溶解度の低い炭酸水素ナトリウムが沈殿します。ここで発生した塩化アンモニウムは回収され、STEP3で使用します。

NaCl + H₂O + NH₃ + CO₂ → NH₄Cl + NaHCO₃（上の図では青色の矢印で表されている）

STEP5　炭酸水素ナトリウムの熱分解

沈殿した炭酸水素ナトリウムを熱分解して炭酸ナトリウムとし、同時に二酸化炭素を発生させます。ここで発生した二酸化炭素は回収され、STEP4で使用します。

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂（上の図では紫色の矢印で表されている）

すべての反応をまとめると

2NaCl + CaCO₃ → CaCl₂ + Na₂CO₃

となります。ただし、この反応は直接には起こりません。直接は起こらない反応を、複数の段階を経て実現させたのが、ソルベー法の最大の特徴です。

ソルベー法以外の炭酸ナトリウムの製造方法

ルブラン法

ソルベー法が実用化される以前はルブラン法によって炭酸ナトリウムは製造されていました。しかし、ソルベー法はルブラン法に比べて得られる生成物の純度が高く、廃棄物が少なく、低コストであり商業的に優れていたため、ルブラン法はソルベー法に置き換えられました。

天然鉱物

1938年にトロナの大規模な天然鉱床がアメリカ合衆国で発見され、炭酸ナトリウムを安価に得ることができるようになりました。これがきっかけでソルベー法は衰退しています。

水酸化ナトリウムと二酸化炭素の反応

塩化ビニルなどの原料として多量の塩素が必要とされる現代では、食塩水の電気分解により生じる水酸化ナトリウムが余剰になるため、水酸化ナトリウムの二酸化炭素による中和で製造される炭酸ナトリウムの量も多いです。これもソルベー法の衰退の原因のひとつです。