中和点で電流が流れるのはなぜか--イオンと指示薬の判断
鹿児島市の高校の化学部で、廃液を中和してから流す実験をした。0.10 mol/Lの塩酸20.0 cm³をビーカーにとり、0.10 mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を、ガラス棒でかき混ぜながらこまごめピペットで少しずつ加えた。加えた量ごとに、溶液に電流を流したときの豆電球の明るさ（3段階）と、BTB液の色を記録した。豆電球の明るさは電流の大きさを反映する。BTB液は酸性で黄、中性付近で緑、塩基性で青になる。0 cm³では明るく、10.0 cm³ではやや暗く、20.0 cm³でもっとも暗くなった。20.0 cm³でBTBは緑色になった。25.0 cm³では再び明るくなり、色は青になった。溶液の温度は実験中ほぼ一定で、体積は加えた量の和になるとみなしてよい。加えるたびによくかき混ぜ、色が一様になってから記録した。ところが、同じ班の1人が「中和点ではイオンがなくなって電流が流れない」とノートに書き、別の1人が「緑色になったからといって、そこが中和点とは限らない」と指摘した。この廃液は全部で5.0 Lあり、学校の決まりでpHをほぼ中性にしてから流さなければならない。廃液は無色透明で、水温は20℃前後だった。
1. 20.0 cm³加えた時点でビーカー中に存在するイオンをすべて挙げ、そのうち中和点で初めて現れるものはどれか。また、この時点でもっとも豆電球が暗くなる理由を、イオンの種類・数・浓度の変化から説明せよ。
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塩酸と水酸化ナトリウム水溶液はどちらも0.10 mol/Lで、20.0 cm³ずつなのでH+とOH-が過不足なく反応する。残るのはNa+とCl-で、H+とOH-は水になった分しか存在しない。中和点で初めて現れるのはNa+とCl-である（正確には、中和が進むにつれて増えてくる）。暗くなる理由は2つある。1つは、電流を運ぶイオンのうちH+とOH-が非常に速く動くため、これらが消費されると電流が流れにくくなることである。もう1つは、体積が20.0+20.0=40.0 cm³に増えるため、Na+もCl-も0.050 mol/Lに薄まり、イオンの数そのものも減ることである。中和点でもイオンは存在するので電流は流れるが、はじめより流れにくい。
2. BTBが緑色になったことを中和点の判断に使うときの注意点を、BTBの変色域と加えた量による色の変化から説明せよ。また、中和点をより正確に決める方法を1つ提案し、その利点を述べよ。
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BTBはpH 6.0〜7.6という広い範囲で緑色を示す。中和点の前後ではpHが急に変わるが、緑に見える加水量には幅があるため、緑色になった時点をそのまま中和点とすると数cm³のずれが生じうる。また、色の判断は人によってちがうので、記録者を決めても客観性に限界がある。より正確に決めるには、豆電球の明るさが最小になる点を測る方法がある。中和点ではH+とOH-が最も少なくなるので、電流の大きさが極小になる点を中和点とできる。ほかには、pHメーターで連続的に測る、指示薬を加える量をすべての測定で一定にする、中和点をまたいで加えすぎた場合に備えて最後は一滴ずつ加える、といった工夫も有効である。
3. この廃液5.0 Lを中和するのに必要な0.10 mol/L水酸化ナトリウム水溶液の体積は何Lか。濃度が等しいことを使って、比例で説明せよ。また、廃液の塩酸濃度が半分だった場合、必要な体積はどうなるか。
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塩酸も水酸化ナトリウム水溶液も0.10 mol/Lで濃度が等しい。中和点ではH+とOH-の数が等しくなるので、同じ濃度なら同じ体積が必要になる。実際、20.0 cm³の塩酸に20.0 cm³必要だった。5.0 L=5000 cm³の廃液には、同じく5000 cm³、つまり5.0 L必要になる。ただしこれは、廃液の濃度がどこでも一様だとみなした場合の計算である。実際にはタンクをよくかき混ぜてから一部をとり、中和に必要な量を確かめてから全体に加えるべきである。塩酸の濃度が半分なら、中和に必要な水酸化ナトリウムの量は半分になるので、必要な水酸化ナトリウム水溶液の体積は2倍の10 Lになる。