無機物質の工業的製法

ハーバー・ボッシュ法（ $Fe_{3} O_{4}$ 触媒）・オストワルト法（白金触媒）・接触法（ $V_{2} O_{5}$ 触媒、発煙硫酸）・アンモニアソーダ法（ $NaHCO_{3}$ の沈殿）・Al の溶融塩電解（氷晶石、陰極で析出）の原料・触媒・手順についての記述の正誤を判定できる

前提

酸素・硫黄とその化合物（高校化学無機物質（知識））
窒素・リンとその化合物（高校化学無機物質（知識））
両性金属と不動態（高校化学無機物質（知識））
溶融塩電解とアルミニウムの製造（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
ハーバー・ボッシュ法の反応条件（高校化学化学平衡（知識））
アルカリ金属・アルカリ土類金属と炎色反応（高校化学無機物質（知識））

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説明

アンモニア・硝酸・硫酸・炭酸ナトリウム・アルミニウムは、工業で大量につくられる代表的な無機物質です。この技能では、それぞれの製法（ハーバー・ボッシュ法、オストワルト法、接触法、アンモニアソーダ法、アルミニウムの溶融塩電解）について、原料・触媒・反応の順序・生成物の取り出し方を整理し、それらについての記述が正しいかどうかを判定できるようにします。入試では「正しいものを 1 つ選べ」の形で、触媒の取り違えや手順の入れ替えを見抜く問題としてよく出ます。

なぜそうしてよいのか

工業的製法は、ばらばらに暗記するよりも「原料から目的の物質まで、元素の酸化数や形がどう変わっていくか」という流れで押さえると、取り違えに気づきやすくなります。たとえば硝酸の製法（オストワルト法）では、窒素の酸化数が $NH_{3}$ （ $- 3$ ）→ $NO$ （ $+ 2$ ）→ $NO_{2}$ （ $+ 4$ ）→ $HNO_{3}$ （ $+ 5$ ）と順に上がっていきます。つまり「アンモニアを酸素で酸化していく」流れであり、その最初の段階 $4 NH_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O$ に白金触媒を使います。硫酸の製法（接触法）でも同様に、硫黄の酸化数が $S$ （ $0$ ）→ $SO_{2}$ （ $+ 4$ ）→ $SO_{3}$ （ $+ 6$ ）と上がり、 $2 SO_{2} + O_{2} \to 2 SO_{3}$ の段階に酸化バナジウム(V) $V_{2} O_{5}$ を触媒として使います。

触媒は「どの反応を速めるか」とセットで覚えます。アンモニア合成 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2 NH_{3}$ は四酸化三鉄 $Fe_{3} O_{4}$ （鉄を主成分とする触媒）、アンモニアの酸化は白金 $Pt$ 、二酸化硫黄の酸化は $V_{2} O_{5}$ です。選択肢の誤りは、この組み合わせを入れ替えたものが多いので、反応と触媒を一対一で結びつけておけば判定できます。

手順に「ひと工夫」がある製法は、その理由も押さえます。接触法で $SO_{3}$ を水に直接吸収させないのは、水との反応で多量の熱が出て硫酸の霧が生じ、吸収がうまくいかないからです。そこで濃硫酸に吸収させて発煙硫酸とし、これを希硫酸でうすめて濃硫酸にします。アンモニアソーダ法（ソルベー法）では、塩化ナトリウムの飽和水溶液にアンモニアを十分溶かして塩基性にしてから二酸化炭素を通じ、溶解度の比較的小さい炭酸水素ナトリウム $NaHCO_{3}$ を沈殿させます。これを加熱して炭酸ナトリウムを得ます。アルミニウムはイオン化傾向が大きく、水溶液の電気分解では陰極で水が還元されて水素が出るだけなので、酸化アルミニウム（アルミナ）を融解した氷晶石 $Na_{3} AlF_{6}$ に溶かして（融解温度を下げて）溶融塩電解し、陰極に $Al$ を析出させます。

手順

記述がどの製法についてのものかを確認し、目的物質（ $NH_{3}$ ・ $HNO_{3}$ ・ $H_{2} SO_{4}$ ・ $Na_{2} CO_{3}$ ・ $Al$ ）と原料を対応させる
触媒が正しいかを確かめる：アンモニア合成は $Fe_{3} O_{4}$ （鉄が主成分）、アンモニアの酸化（オストワルト法）は白金 $Pt$ 、 $SO_{2}$ の酸化（接触法）は $V_{2} O_{5}$
反応の順序を、元素の形の変化に沿って確かめる：硝酸は $NH_{3} \to NO \to NO_{2} \to HNO_{3}$ （ $3 NO_{2} + H_{2} O \to 2 HNO_{3} + NO$ ）、硫酸は $S \to SO_{2} \to SO_{3} \to$ 発煙硫酸 $\to$ 濃硫酸
生成物の取り出し方を確かめる：接触法では $SO_{3}$ を濃硫酸に吸収させる、アンモニアソーダ法では $NaCl$ 飽和水溶液に $NH_{3}$ を溶かしてから $CO_{2}$ を通じ $NaHCO_{3}$ を沈殿させ、加熱して $2 NaHCO_{3} \to Na_{2} CO_{3} + H_{2} O + CO_{2}$
アルミニウムでは、水溶液ではなく溶融塩電解であること、氷晶石で $Al_{2} O_{3}$ の融解温度を下げること、 $Al$ は陰極に析出すること（ $Al^{3 +} + 3 e^{-} \to Al$ ）を確かめる
以上の照合で食い違う箇所が 1 つでもあれば誤りの記述と判定し、すべて合う記述を選ぶ

例題

無機物質の工業的製法に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　ハーバー・ボッシュ法では、白金を触媒として窒素と水素からアンモニアを合成する。
イ　オストワルト法では、アンモニアを酸化して一酸化窒素とし、これをさらに酸化して得た二酸化窒素を水と反応させて硝酸を得る。
ウ　接触法では、二酸化硫黄を酸化して得た三酸化硫黄を、直接水に吸収させて濃硫酸を得る。
エ　酸化アルミニウムの溶融塩電解では、アルミニウムは陽極に析出する。

例題の解答

手順 1・2（製法と触媒の照合）：アはアンモニア合成（ハーバー・ボッシュ法）です。この反応の触媒は四酸化三鉄 $Fe_{3} O_{4}$ （鉄が主成分）であり、白金はオストワルト法でアンモニアを酸化するときの触媒です。触媒を取り違えているので、アは誤りです。

手順 3（反応の順序）：イは硝酸の製法（オストワルト法）です。 $4 NH_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O$ （白金触媒）、 $2 NO + O_{2} \to 2 NO_{2}$ 、 $3 NO_{2} + H_{2} O \to 2 HNO_{3} + NO$ の順に進み、窒素の形が $NH_{3} \to NO \to NO_{2} \to HNO_{3}$ と変わる記述と一致します。イは正しい記述です。

手順 4（取り出し方）：ウは硫酸の製法（接触法）です。 $SO_{3}$ を水に直接吸収させると多量の熱が出て硫酸の霧が生じるため、濃硫酸に吸収させて発煙硫酸とし、それを希硫酸でうすめて濃硫酸にします。「直接水に吸収させる」が誤りです。

手順 5（アルミニウム）：エでは、 $Al^{3 +}$ が電子を受け取って $Al^{3 +} + 3 e^{-} \to Al$ と還元されるので、アルミニウムは陰極に析出します。「陽極に析出する」が誤りです。

手順 6：すべての照合が合うのはイだけなので、答えはイです。

答え:

イ

よくある誤り

触媒を製法の間で取り違える誤り。正しくは、アンモニア合成 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2 NH_{3}$ は $Fe_{3} O_{4}$ 、アンモニアの酸化 $4 NH_{3} + 5 O_{2} \to 4 NO + 6 H_{2} O$ は白金、 $2 SO_{2} + O_{2} \to 2 SO_{3}$ は $V_{2} O_{5}$ を触媒とする
接触法で $SO_{3}$ を水に直接吸収させて硫酸をつくるとしてしまう誤り。正しくは、 $SO_{3}$ を濃硫酸に吸収させて発煙硫酸とし、これを希硫酸でうすめて濃硫酸にする（水に直接吸収させると発熱で硫酸の霧が生じる）
アンモニアソーダ法で、炭酸ナトリウム $Na_{2} CO_{3}$ が直接沈殿するとしたり、 $CO_{2}$ を先に通じてから $NH_{3}$ を溶かすとしてしまう誤り。正しくは、 $NaCl$ 飽和水溶液に $NH_{3}$ を十分溶かしてから $CO_{2}$ を通じ、 $NaCl + H_{2} O + NH_{3} + CO_{2} \to NaHCO_{3} + NH_{4} Cl$ で $NaHCO_{3}$ を沈殿させ、これを加熱して $Na_{2} CO_{3}$ を得る
アルミニウムを水溶液の電気分解で得る、あるいは陽極に析出するとしてしまう誤り。正しくは、 $Al_{2} O_{3}$ を融解した氷晶石 $Na_{3} AlF_{6}$ に溶かして溶融塩電解し、陰極で $Al^{3 +} + 3 e^{-} \to Al$ として析出させる（陽極の炭素は酸素と反応して $CO$ や $CO_{2}$ になり消耗する）

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
硝酸 $HN O_{3}$ は、工業的には次の手順でつくられる。
1. アンモニア $N H_{3}$ を空気と混ぜ、白金 $Pt$ を触媒として高温で酸素と反応させ、一酸化窒素 $NO$ にする。
2. 一酸化窒素をさらに空気中の酸素で酸化して、二酸化窒素 $N O_{2}$ にする。
3. 二酸化窒素を水に吸収させて、硝酸を得る。
この硝酸の工業的製法を何というか。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

多段階の工業的製法の量的関係（高校化学無機物質）