高分子化合物（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校化学高分子化合物（知識）

スチレンに少量の $p$ -ジビニルベンゼンを加えて共重合させると、鎖どうしが橋かけされた立体網目状の高分子が得られる。これを濃硫酸で処理して、ベンゼン環にスルホ基 $- S O_{3} H$ を導入した樹脂をつくった。

この樹脂を詰めた円筒に塩化ナトリウム水溶液を上から通すと、水溶液中の $N a^{+}$ が樹脂のスルホ基の $H^{+}$ と入れ替わり、下から流れ出る液は塩酸（酸性の水溶液）になった。

水溶液中のイオンを別のイオンと交換するはたらきをもつ樹脂（イオン交換樹脂）は、交換するイオンの種類によって 2 種類に分けられる。この樹脂のように、水溶液中の $N a^{+}$ や $C a^{2 +}$ などを $H^{+}$ と交換するはたらきをもつ樹脂を何というか。交換するイオンの種類がわかる名称で答えよ。

この問題で使うもの

イオン交換樹脂と機能性高分子（説明と入口の問題）

この問題を解けるようになるまで（35 技能）

算数中学高校大学大学院

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ヒント

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ヒント 1

イオン交換樹脂は、交換するイオンの種類によって 2 種類に分けられる。どちらにあたるかを決めればよい。

ヒント 2

スルホ基 $- S O_{3} H$ は強い酸性の基で、 $H^{+}$ を放出して水溶液中のイオンと入れ替える。入れ替わる $N a^{+}$ や $C a^{2 +}$ は陽イオンか陰イオンかを考えよう。

ヒント 3

流出液が塩酸になるのは、水溶液の $N a^{+}$ が $H^{+}$ に置き換わり、 $C l^{-}$ はそのまま流れ出たからである。交換されたイオンの種類を名前に入れて答えよう。

答えと解説

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陽イオン交換樹脂

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解説を読む

スチレンと $p$ -ジビニルベンゼンの共重合体は、 $p$ -ジビニルベンゼンが鎖どうしを橋かけするので、水に溶けない立体網目状の高分子になる。これをスルホン化してスルホ基 $- S O_{3} H$ を導入した樹脂に塩化ナトリウム水溶液を通すと、
$R - S O_{3} H + N a^{+} ⟶ R - S O_{3} Na + H^{+}$
（ $R$ は樹脂の骨格）のように、水溶液中の陽イオン $N a^{+}$ が樹脂の $H^{+}$ と交換される。そのため流出液には $H^{+}$ と $C l^{-}$ が含まれ、塩酸になる。このように水溶液中の陽イオンを $H^{+}$ と交換する樹脂を陽イオン交換樹脂という。

使用後の樹脂に希塩酸などの強酸を通すと、逆向きの反応が起こって $H^{+}$ 型に戻る（再生）。

似た用語との違い:
- イオン交換樹脂: 陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂をまとめた総称で、交換するイオンの種類を表していないので、この問いの答えにはならない。
- 陰イオン交換樹脂: トリメチルアンモニオメチル基 $- C H_{2} N^{+} (C H_{3})_{3}$ などの塩基性の基をもち、水溶液中の陰イオン（ $C l^{-}$ など）を $O H^{-}$ と交換する樹脂。陽イオン交換樹脂と組み合わせて用いると、イオンを含まない脱イオン水（純水）が得られる。
- 高吸水性樹脂: ポリアクリル酸ナトリウムなどを橋かけした樹脂で、多量の水を吸収して保持する機能性高分子である。イオンを交換することが目的の樹脂ではない。

答え: 陽イオン交換樹脂

別解

スルホ基 $- S O_{3} H$ をもつ樹脂は、水溶液中の陽イオン（ $N a^{+}$ , $C a^{2 +}$ など）を $H^{+}$ と交換する。 $R - S O_{3} H + N a^{+} \to R - S O_{3} Na + H^{+}$ より、流出液は塩酸になる。陽イオンを交換するので陽イオン交換樹脂という（陰イオンを $O H^{-}$ と交換するものは陰イオン交換樹脂）。

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