食酢中の酢酸濃度の滴定と二酸化炭素吸収の影響
高校3年のMさんは、市販の食酢中の酢酸濃度を求めるため、食酢10.0 mLをホールピペットでコニカルビーカーに取り、純水20 mLを加えて薄めた。これを0.100 mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定した。食酢の密度は1.01 g/mL、酢酸のモル質量は60.0 g/molである。ビュレットの初めの読みは1.20 mL、終点の読みは8.65 mLであった。フェノールフタレインを指示薬とし、薄い赤色が30秒間消えない点を終点とした。同様の滴定を3回行うと、滴下量は7.45 mL、7.50 mL、7.40 mLであった。滴定中は撹拌子で穏やかに撹拌し、終点付近では1滴ずつ加えた。Mさんは、指示薬をメチルオレンジに変えた場合や、水酸化ナトリウム水溶液が空気中の二酸化炭素を吸収していた場合についても考察する必要がある。室温は25℃で、食酢には酢酸以外の酸は含まれないものとする。水酸化ナトリウム水溶液の濃度は使用直前に標定済みである。
1. 滴下量の平均を用いて、食酢中の酢酸のモル濃度を求めよ。また、質量パーセント濃度を求めよ。
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滴下量の平均は (7.45+7.50+7.40)/3 = 7.45 mL。用いたNaOHは 0.100 mol/L × 7.45×10⁻³ L = 7.45×10⁻⁴ mol。酢酸とNaOHは1:1で中和するので、10.0 mL中の酢酸も7.45×10⁻⁴ mol。したがってモル濃度は 7.45×10⁻⁴ / 0.0100 = 7.45×10⁻² mol/L。質量は 7.45×10⁻⁴ × 60.0 = 4.47×10⁻² g。食酢10.0 mLの質量は 10.0×1.01 = 10.1 g。質量パーセント濃度は (4.47×10⁻²/10.1)×100 ≈ 0.443% となる。
2. メチルオレンジを指示薬にすると、終点はフェノールフタレインの場合より早く現れるか遅く現れるか。酢酸と水酸化ナトリウムの中和曲線の観点から説明せよ。
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酢酸とNaOHの中和では、当量点は酢酸ナトリウム水溶液になり、加水分解によってpHは約8.7の弱塩基性を示す。フェノールフタレインはpH約8.2〜10で変色するため、当量点付近を終点にできる。メチルオレンジはpH約3.1〜4.4で変色する酸性側の指示薬であり、この変色域ではまだ中和が完了していない。したがってメチルオレンジでは、薄い赤色や黄色の変化が当量点より手前で起こり、滴下量は少なくなる。つまり終点は早く現れ、計算される酢酸濃度は実際より小さくなる。
3. NaOH溶液が空気中のCO₂を吸収して一部がNa₂CO₃に変化していた場合、フェノールフタレインを指示薬にした滴定では、食酢の酢酸濃度の計算値は実際より大きく出るか小さく出るか。理由も説明せよ。
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CO₂を吸収すると 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O が起こる。フェノールフタレインの終点pH付近では、Na₂CO₃はNaHCO₃までしか中和されず、1 molのCO₃²⁻は1 molのH⁺しか受け取らない。もとの2 molのNaOHは2 molのH⁺を受け取れたので、見かけの塩基容量は半分に減る。したがって同じ量の酢酸を中和するのに必要な滴定体積は小さくなり、計算される酢酸濃度は実際より小さく出る。なお、メチルオレンジのような酸性側の終点ではCO₃²⁻が2段階で中和されるため、影響は小さくなる。